地下建筑結(jié)構(gòu)(中國地質(zhì)大學(xué)孫金山)6-3

1基坑的失穩(wěn)模式2基坑計算機輔助設(shè)計

3基坑降水1基坑的失穩(wěn)模式基坑工程的失效模式1.整體失穩(wěn)

2.坑底隆起

3.圍護結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)

4.圍護結(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)

5.圍護結(jié)構(gòu)底部地基承載力失穩(wěn)

6.“踢腳”失穩(wěn)

7.止水帷幕功能失效和坑底滲透變形破壞8.圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性破壞9.支、錨體系失穩(wěn)破壞整體失穩(wěn)整體失穩(wěn)是指在土體中形成了滑動面，圍護結(jié)構(gòu)連同基坑外側(cè)及坑底的土體一起喪失穩(wěn)定性，一般的失穩(wěn)形態(tài)是圍護結(jié)構(gòu)的上部向坑外傾倒，圍護結(jié)構(gòu)的底部向坑內(nèi)移動，坑底土體隆起，坑外地面下陷。

坑底隆起坑底隆起是指坑底土體產(chǎn)生向上的塑性變形?；娱_挖以后，坑底向上位移的原因有兩種，一是卸載引起的回彈，其數(shù)值較??；另一種是在開挖引起的壓力差作用下土體中產(chǎn)生的塑性變形，這種變形如果數(shù)量較大，表示土體中的塑流已經(jīng)比較嚴重，如果圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐能形成整體性好的體系，則塑流僅引起坑外地面下沉，影響環(huán)境安全；如果是自立式結(jié)構(gòu)或節(jié)點強度差的支撐體系，隆起可能是整體失穩(wěn)的前兆；如果穩(wěn)定性不能得到有效的控制，就會發(fā)生整體性失穩(wěn)。圍護結(jié)構(gòu)傾覆失穩(wěn)圍護結(jié)構(gòu)的傾覆失穩(wěn)主要發(fā)生在重力式結(jié)構(gòu)或懸臂式圍護結(jié)構(gòu)，重力式結(jié)構(gòu)在坑外主動土壓力的作用下，圍護結(jié)構(gòu)繞其下部的某點轉(zhuǎn)動，圍護結(jié)構(gòu)的頂部向坑內(nèi)傾倒。抵抗傾覆失穩(wěn)的力矩主要由圍護結(jié)構(gòu)自身的重力形成，坑底的被動抗力也是構(gòu)成抵抗力矩的因素。關(guān)于轉(zhuǎn)動中心的位置有不同的看法，傳統(tǒng)的方法是將轉(zhuǎn)動中心放在圍護結(jié)構(gòu)的前趾，但也有認為繞前趾上面或下面的某一點轉(zhuǎn)動比較合理，特別的軟土地區(qū)由于基底土比較軟弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。

圍護結(jié)構(gòu)滑移失穩(wěn)圍護結(jié)構(gòu)的滑移失穩(wěn)亦主要發(fā)生在重力式結(jié)構(gòu)中，在坑外主動土壓力的作用下，圍護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)平移。抵抗滑移的阻力主要由圍護體底面的摩阻力以及內(nèi)側(cè)的被動土壓力構(gòu)成。當(dāng)坑底土軟弱或圍護結(jié)構(gòu)底部的地基土軟化時，墻體發(fā)生滑移失穩(wěn)。

圍護結(jié)構(gòu)底部地基承載力失穩(wěn)重力式圍護結(jié)構(gòu)的底面壓力過大，地基承載力不足引起的失穩(wěn)。由于在圍護結(jié)構(gòu)的外側(cè)還作用著土壓力，因此其合力是傾斜的。在傾斜荷載作用下，地基土發(fā)生向坑內(nèi)的擠出，圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的沉降，可能導(dǎo)致部分圍護結(jié)構(gòu)的開裂損壞?！疤吣_”失穩(wěn)

在單支撐的基坑中，可能發(fā)生撓支撐點轉(zhuǎn)動，圍護結(jié)構(gòu)上部向坑外傾倒，圍護結(jié)構(gòu)的下部向上翻的失穩(wěn)模式，故形象地稱為“踢腳”失穩(wěn)。在多支撐的圍護結(jié)構(gòu)中一般不會產(chǎn)生踢腳失穩(wěn)，除非其它支撐都已失效，只有一道支撐起作用的情況。

止水帷幕功能失效和坑底滲透變形破壞

止水帷幕喪失擋水功能，產(chǎn)生滲漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，導(dǎo)致鄰近建筑物的開裂和損壞。引起圍護結(jié)構(gòu)止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是設(shè)計因素和材料的因素。由于施工質(zhì)量低劣，止水帷幕有空洞或裂縫，成為漏水的通道是最普遍的現(xiàn)象；止水帷幕設(shè)計過短，沒有全部切斷透水層也是漏水的可能原因。

由于止水帷幕失效產(chǎn)生過大的水力坡降引起坑底滲透變形破壞?？觾?nèi)采用排水或降水措施后，造成了坑內(nèi)外的水頭差，地下水在水頭差的作用下向坑內(nèi)滲流，在滲流出口處土的細顆粒被帶出，或土顆粒處于懸浮狀態(tài)涌出。這種由滲透引起的破壞因破壞機理不同而有不同的名稱，如管涌、流砂或流土。如不及時制止，由滲透變形引起的坑外土體的位移和陷落是嚴重的。

圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性破壞圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性破壞是指圍護體本身發(fā)生開裂、折斷、剪斷或壓屈，致使結(jié)構(gòu)失去了承載能力的破壞模式。

結(jié)構(gòu)性損壞的原因可能是方案性的錯誤，如支撐體系不當(dāng)或圍護結(jié)構(gòu)不閉合；也可能是設(shè)計計算時荷載估計不足或結(jié)構(gòu)材料強度估計過高，支撐或圍檁截面不足導(dǎo)致破壞；此外，結(jié)構(gòu)節(jié)點處理不當(dāng)，也會因局部失穩(wěn)而引起整體破壞，特別在鋼支撐體系中，節(jié)點多，加工與安裝質(zhì)量不易控制。節(jié)點處理包括支撐和墻體的連接處，如不設(shè)置圍檁或連接強度不夠。

支、錨體系失穩(wěn)破壞支錨體系的失穩(wěn)破壞包括兩種不同的破壞模式。錨桿的破壞主要表現(xiàn)為錨桿的拔出、斷裂或預(yù)應(yīng)力松弛，土錨的破壞大多是局部的，群錨的破壞實際上是土體的失穩(wěn)而并非是錨桿的結(jié)構(gòu)性破壞；支撐的失穩(wěn)很可能是整體性的，其形態(tài)因體系不同而不同，支撐體系大多是超靜定的，局部的破壞會造成整體的失穩(wěn)，尤其是鋼支撐體系，局部節(jié)點的失效概率比較大。

2基坑計算機輔助設(shè)計3基坑降水降水方案降水是在地下水位比較高的地區(qū)進行基坑工程設(shè)計時面臨的一個重要問題。采取何種方案主要取決于水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境的要求。從施工來說則要求提供一個比較干燥的坑內(nèi)施工環(huán)境，為此應(yīng)使地下水位低于基坑底面0.5～1.0m左右。如地下水位高于這個位置，需要采取降水的措施，降水的方法很多，都可以達到這個目的。

選擇降水方案時應(yīng)考慮以下幾個問題：1.

基坑降水深度的要求；2.場地地質(zhì)條件，土層的滲透特性，地下水的類型、流向和補給條件；3.環(huán)境條件，場地周圍的建筑物和市政管線的位置、類型、對沉降的要求；4.氣象條件，雨季、特別是暴雨季節(jié)和暴雨量；5.

施工單位所擁有的降水設(shè)備和數(shù)量；6.電源條件，需保證有穩(wěn)定的電源或備用電源，以免斷電時基坑積水而坍塌。降水設(shè)計內(nèi)容1.降水設(shè)計要求2.降水方法的選擇3.降水井的布設(shè)4.降水系統(tǒng)設(shè)計5.降水效果預(yù)測6.防范井點降水不良影響的措施降水設(shè)計要求1.基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工期間，地下水位保持在基坑底以下0.5~1.0m；2.深部承壓水不引起坑底隆起；3.降水期間鄰近建筑物及地下管線正常使用；4.基坑邊坡的穩(wěn)定性。降水系統(tǒng)設(shè)計包括井深、井?dāng)?shù)、井距、井的結(jié)構(gòu)及單井出水量的計算。需要根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件、基坑工程特點和降水的要求，區(qū)別不同的滲流特征，采用不同的方法進行設(shè)計計算。

降水方法的選擇

輕型井點輕型井點按抽水機組類型分為干式真空泵輕型井點、射流輕型井點和隔膜泵輕型井點三種，其參考數(shù)據(jù)見表。輕型井點的降水深度不超過6m，當(dāng)降水深度要求超過6m時，采用單級輕型井點不能滿足要求，采用多級輕型井點需要增加機具數(shù)量和基坑面積，往往不經(jīng)濟，此時宜采用噴射井點。輕型井點噴射井點噴射井點是根據(jù)射流原理制造的，由噴嘴噴出的高壓水，在噴嘴周圍形成負壓，將土層中的水抽至井點中，形成汽水溶液，由高速水流的動能將其排出地表。噴射井點在滲透系數(shù)為3～50m/d的砂土中最為有效，在滲透系數(shù)為0.1～3m/d的粉土和淤泥質(zhì)土中效果也很顯著。但不適用于滲透系數(shù)小于0.1m/d。

噴射井點電滲、自滲和深井井點電滲井點是利用粘性土的電滲特性，在直流電場中，土中水流向陰極管集中排走，用以降低飽和粘土中的地下水位。自滲井適用于排除土層中的滯水，這種滯水主要來自生活用水的排放或下水道的滲漏。管井井點和深井井點適用于滲透系數(shù)比較大的土層，特別是深井井點，由于將潛水泵或深井泵安置在濾水層部位，特別適用于涌水量大、深層的砂土層，降水深度可達50m。

電滲井點管井井點

結(jié)構(gòu)降水井的布設(shè)平面布設(shè)1.坑寬小于6m，深度小于6m時，一般可用單排井點；2.坑寬大于6m時，宜采用雙排井點；3.基坑寬度小于40m時，采用環(huán)形井點系統(tǒng)；4.基坑寬度大于40m時，采用多環(huán)形井點，在中央加一排或多排井點。降水的三種類型基坑隔水帷幕深入隔水層（即含水層底板）中，井點降水以疏干基坑內(nèi)的地下水為目的。由于隔水帷幕的作用，基坑內(nèi)外地下水無水力聯(lián)系。降水時基坑外地下水位不受影響。這類井點降水影響范圍小。地下水滲流特征：為全封閉含水層，抽水時地下水處于非穩(wěn)定流狀態(tài)。隔水帷幕進入承壓含水層頂板中，井點降水以降低基坑下部承壓含水層的水頭，防止基坑底部隆起或突涌。隔水帷幕未將基坑內(nèi)外承壓含水層分隔開。地下水滲流特征：由于不受隔水帷幕的影響，基坑內(nèi)外地下水連續(xù)相通。井點降水的影響范圍比較大，但降水漏斗平緩，降水引起的地面沉降為均勻沉降。隔水帷幕不影響地下水滲流，滲流計算可以借鑒地下水動力學(xué)中有關(guān)公式計算。隔水帷幕位于降水含水層中上部，基坑內(nèi)外承壓含水層大部分被隔水帷幕隔開，僅含水層底部未被隔開。井點降水的前期以降低基坑下部承壓含水層的水頭為目的，后期以疏干承壓含水層為目的。地下水滲流特征：由于受隔水帷幕的阻擋，上部基坑內(nèi)外地下水不連續(xù)，底部含水層連續(xù)相通，地下水呈三維流態(tài)。只能采用三維數(shù)字模擬計算，或者采用二維解析公式計算。選擇降水方案時應(yīng)考慮以下幾個問題：1.

基坑降水深度的要求；2.場地地質(zhì)條件，土層的滲透特性，地下水的類型、流向和補給條件；3.環(huán)境條件，場地周圍的建筑物和市政管線的位置、類型、對沉降的要求；4.氣象條件，雨季、特別是暴雨季節(jié)和暴雨量；5.

施工單位所擁有的降水設(shè)備和數(shù)量；6.電源條件，需保證有穩(wěn)定的電源或備用電源，以免斷電時基坑積水而坍塌。深基坑工程的監(jiān)測與控制基坑工程中的觀察法1969年，Peck在“AdvantagesandLimitationsofObservationalMethodinAppliedSoilMechanics”一文中就提出了巖土工程的系統(tǒng)研究方法，稱為“觀察法”。觀察法是符合系統(tǒng)工程原則的、有反饋的封閉系統(tǒng)的研究方法，是巖土工程研究的基本方法，對于巖土工程的發(fā)展具有重要的影響，在觀察法的基礎(chǔ)上形成了巖土工程中的信息化施工方法。根據(jù)地質(zhì)資料和結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，針對所估計的最可能情況下的地層特征和工作性狀，提出實用的簡化假設(shè)，并進行計算和設(shè)計；選擇在施工過程（甚至運行過程）中必須要進行觀測的那些量（例如沉降、孔隙水壓力等），并按設(shè)計簡化假設(shè)，預(yù)先估計這些量的數(shù)值可能是多少；根據(jù)已經(jīng)掌握的關(guān)于地層情況的數(shù)據(jù)，估計在可能的最不利情況下，選擇需要觀測的那些物理量的數(shù)值范圍；要預(yù)先估計到施工時所觀測到的數(shù)據(jù)可能偏離于預(yù)先估計的數(shù)值。因此要考慮在最不利情況下，如果出現(xiàn)了這種偏離，應(yīng)如何選擇補救措施，或改變設(shè)計；在現(xiàn)場觀測第4項所選擇的物理量，并對現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)作及時的分析與評價以指導(dǎo)施工；必要時修改設(shè)計以適應(yīng)于現(xiàn)場所發(fā)生的實際情況。深基坑工程的監(jiān)測與控制是巖土工程觀察法的具體應(yīng)用，是比較復(fù)雜的信息反饋與控制，深基坑工程監(jiān)測是指在深基坑開挖施工過程中，借助儀器設(shè)備和其它一些手段對圍護結(jié)構(gòu)、基坑周圍的環(huán)境(包括土體、建筑物、構(gòu)筑物、道路、地下管線等)的應(yīng)力、位移、傾斜、沉降、開裂及對地下水位的動態(tài)變化、土層孔隙水壓力變化等進行綜合監(jiān)測。根據(jù)前段開挖期間監(jiān)測到圍護結(jié)構(gòu)、鄰近建筑物和市政設(shè)施的變形及內(nèi)力，從中提取大量的巖土信息，與勘察、設(shè)計階段預(yù)測的性狀進行比較，對設(shè)計方案進行評價，并判斷施工方案的合理性。通過反分析方法或經(jīng)驗方法計算與修正巖土的力學(xué)參數(shù)，預(yù)測下階段施工過程中可能出現(xiàn)問題，為優(yōu)化和合理組織施工提供依據(jù)，并對進一步開挖與施工的方案提出建議，對施工過程中可能出現(xiàn)的險情進行及時的預(yù)報。當(dāng)有異常情況時，立即采取必要的工程措施，將問題消滅于萌芽狀態(tài)，以確保工程安全。監(jiān)測方案是整個監(jiān)測工作的指導(dǎo)性文件，包括監(jiān)測的目的要求、監(jiān)測項目與測點的布置、監(jiān)測設(shè)備與方法的選擇、監(jiān)測與控制的警戒值、監(jiān)測的報表與成果報告等內(nèi)容。監(jiān)測方案必須根據(jù)基坑工程設(shè)計文件、鄰近地區(qū)的環(huán)境要求和基坑施工方法編制。監(jiān)測對象包括自然環(huán)境、基坑底部及周圍土體、圍護結(jié)構(gòu)、地下水位、周圍建（構(gòu)）筑物、周圍重要設(shè)施（地鐵、供水管、排水管、電纜、煤氣管等）以及與基坑相鄰的周圍城市道路路面等。監(jiān)測內(nèi)容1.圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測2.周圍環(huán)境監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測1)圍護結(jié)構(gòu)完整性及強度監(jiān)測；2)圍護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測；3)圍護結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測；4)圍護結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測；5)圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測；6)支撐軸力監(jiān)測；7)立柱沉降監(jiān)測周圍環(huán)境監(jiān)測1)鄰近建筑物沉降、傾斜和裂縫發(fā)生時間及發(fā)展過程的監(jiān)測；2)鄰近構(gòu)筑物、道路、地下管網(wǎng)等設(shè)施變形監(jiān)測；3)表層土體沉降、水平位移以及深層土體分層沉降和水平位移監(jiān)測；

4)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)面土壓力測試；5)坑底隆起監(jiān)測；6)土層孔隙水壓力測試；7)地下水位監(jiān)測。按照《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定1.圍護墻（邊坡）頂部水平位移；2.圍護墻（邊坡）頂部豎向位移；3.深層水平位移；4.立柱豎直位移；5.圍護墻內(nèi)力；6.支撐內(nèi)力；7.立柱內(nèi)力；8.錨桿內(nèi)力；9.土釘內(nèi)力；10.坑底隆起（回彈）；11.圍護墻側(cè)向土壓力；12.孔隙水壓力；13.地下水位；14.土體分層豎向位移；15.周邊地表豎向變形；16.周圍建筑物豎向位移；17.周邊建筑傾斜；18.周邊建筑水平位移；19.周邊建筑、地表裂縫；20.周圍管線變形。墻頂水平位移監(jiān)測墻頂水平位移是圍護結(jié)構(gòu)變形的一部分，是衡量圍護結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的最基本的指標(biāo)。因此，墻頂水平位移的監(jiān)測也就成了深基坑監(jiān)測工作中最重要的一個監(jiān)測項目。

一般沿圍護結(jié)構(gòu)縱向每間隔5～8m布設(shè)一個監(jiān)測點，在基坑轉(zhuǎn)折處、距周圍建筑物較近處等重要部位應(yīng)適當(dāng)加密布點?；娱_挖初期，可每隔2～3天監(jiān)測一次。隨著開挖過程進行，可適當(dāng)增加觀測次數(shù)，以1天觀測一次為宜。當(dāng)位移較大時，每天觀測1～2次。墻體變形監(jiān)測

墻體變形主要指圍護結(jié)構(gòu)深部水平位移，一般用測斜儀量測。根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)受力特點及周圍環(huán)境等因素，在關(guān)鍵位置鉆孔布設(shè)測斜管，用高精度測斜儀進行監(jiān)測，以根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)在各開挖施工階段傾斜變化，可以推算出圍護結(jié)構(gòu)沿深度方向各測點水平位移隨時間變化曲線。設(shè)置在圍護結(jié)構(gòu)中的測斜點，一般每邊可設(shè)置1～3個測點，測斜管埋置深度一般為2倍基坑開挖深度。測斜管放置于圍護結(jié)構(gòu)后，一般用中細砂回填圍護結(jié)構(gòu)與孔壁之間的空隙(最好用膨脹土、水泥、水按1:1:6.25比例混合回填)。正式測試前應(yīng)對測斜孔進行連續(xù)觀測，取其穩(wěn)定值作為初讀數(shù)。圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測就是用鋼筋應(yīng)力計對樁身鋼筋和鎖口梁鋼筋中較大應(yīng)力斷面處應(yīng)力進行監(jiān)測，以防止圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性破壞。支、錨結(jié)構(gòu)軸力監(jiān)測支、錨結(jié)構(gòu)軸力監(jiān)測就是對錨桿和鋼筋混凝土或鋼支撐受力狀況進行監(jiān)測。對錨桿，施工前應(yīng)進行錨桿現(xiàn)場拉撥試驗，以求得錨桿容許拉力。施工過程中用錨桿測力計監(jiān)測錨桿實際受力情況。對內(nèi)支撐，可用壓應(yīng)力傳感器或應(yīng)變計等監(jiān)測其受力狀態(tài)的變化。安全控制標(biāo)準(zhǔn)基坑工程的安全控制包括兩個方面，圍護結(jié)構(gòu)本身必須滿足材料強度和穩(wěn)定性的要求；同時基坑變形必須滿足坑內(nèi)和坑外周邊環(huán)境兩方面的控制要求。對圍護結(jié)構(gòu)和支、錨結(jié)構(gòu)材料強度的控制一般是通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行的，包括支撐的軸力、錨桿的內(nèi)力、墻體的鋼筋應(yīng)力等的監(jiān)控。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也和構(gòu)件的變形密切相關(guān)，隨著墻體的相對變形的增長，結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，控制墻體的相對變形（即墻體的水平位移與基坑開挖深度之比）可以有效地控制墻體內(nèi)力。如果不監(jiān)測墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)力，可以通過監(jiān)測與控制墻體變形以達到相同的目的?；又車馏w的穩(wěn)定性雖然可以通過孔隙水壓力的監(jiān)測進行分析，但并不是直接控制的指標(biāo)，通常通過土體變形監(jiān)測進行控制，因為土體的破壞總是變形大量發(fā)展和積累的結(jié)果，變形量的大小和變形速率的快慢標(biāo)志著土體中塑性區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r，用變形限量控制也可以滿足基坑穩(wěn)定性的要求。安全性判別標(biāo)準(zhǔn)注：F2有兩種判別標(biāo)準(zhǔn)，上行適用于基坑近旁無建筑物或地下管線，下行適用于基坑近旁有建筑物或地下管線；

F6、F7有三種判別標(biāo)準(zhǔn)，上、中行的適用情況同F(xiàn)2的上、下行，而下行適用于對變形有特別嚴格要求的情況，一般對于中、下行