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1、,基坑工程设计与施工概论,目 录 1 基坑支护形式及适用范围 2 基坑工程的特点及研究方法 3 基坑工程设计基本要求 4 基坑工程的监测与信息化施工 5 基坑工程变形控制技术及应急措施 6 基坑工程施工力学研究课题,1 基坑支护形式及适用范围,（1）基坑支护形式,预应力锚杆,加筋水泥土桩锚支护技术,型钢或钢筋、钢管,小桩,钢筋混凝土压顶板,预应力锚杆,人字形加筋水泥土桩锚支护技术,（2）基坑支护形式的适用范围和选型原则,考虑因素：基坑深度及环境条件；工程地质条件和水文地质条件；支护体系可用空间与施工技术水平；施工工期要求。选型原则：安全性、稳定性条件；可施工性条件；经济型原则；环境保护原则。,
2、2 基坑工程特点与研究方法,（1）城市建设 地下空间的发展“大、深、近、紧、异”基坑 对基坑工程的设计与施工技术提出更高的要求,（2）地下工程的复杂性 深基坑工程建设环境的“恶化”较大的风险、事故率高 原时常设计方法不能适应 设计中没有考虑施工过程中的诸多因素 对施工过程中的复杂与突发情况未进行受力分析 正常使用过程中异常突变未进行应有力学分析 时变设计方法,技术特点：（1）大部分基坑支护结构是临时性的，安全储备较小，具有较大风险性，在施工过程中应进行监测，并应有应急预案，在施工过程中一旦出现险情需及时抢救。,（2）基坑工程具有很强的区域性，不同的地区，工程地质条件和水文地质条件不同，甚至差别
3、较大，因而基坑支护结构设计、施工和开挖方式都应因地制宜，只可作为借鉴，不可生搬硬套。,（3）基坑支护与开挖施工技术具有很强的综合性，它不仅需要岩土工程方面的知识，同时还需要结构工程、材料工程、水文、地质工程、优化设计、系统控制等方面的知识，否则不能合理、正确地进行设计与施工。,（4）基坑支护结构设计与施工过程中变形与荷载和抗力具有显著的耦联性。主动、被动区的土压力是一个变量，随开挖深度、宽度、支护结构横向和纵向位移、地下水情况而变，在设计中需同时考虑强度、稳定、变形、土与支护结构（变体系）的共同作用及开挖施工力学的设计方法才是比较科学的。,（5）基坑工程具有较强的时空效应，基坑的深度和平面形状
4、对基坑支护结构的稳定性和变形有很大影响，例如基坑角部与中部的变形有较大差异，即基坑具有明显的空间效应;土体具有蠕变性，作用在支护结构上的土压力随时间变化，蠕变将使土体强度降低，从而降低基坑边坡的稳定性，另外土压力与开挖施工密切相关，即基坑工程具有很强的时间效应。,基坑工程时空效应,空间效应：基坑本身的空间效应 支护体系的空间效应（空间结构）挖土工序的空间效应时间效应：基坑施工期间的施工效应 支护体系使用阶段土体的时间效应（土体流变）边支边挖的时间问题,3 基坑工程设计基本方法,3.1 基本技术要求,安全可靠性,经济合理性,施工便利性和工期保证性,3.2 设计依据,3.3 设计标准,3.4 土压
5、力计算,4.4 设计基本内容,1）支护结构构件承载能力计算；支护桩或地下连续墙的受弯/受剪承载力计算；支撑和立柱的承载力计算；锚杆或土钉的抗拔承载力计算；腰梁或受力冠梁的受弯/受剪承载力计算；结构各连接件的受压、受剪承载力计算等。,2）支护结构整体失稳破坏和坑底土体隆起破坏验算；桩墙-锚杆结构的圆弧滑动稳定性验算；支护结构下土体竖向承载力验算；重力式结构抗倾覆或抗滑移能力验算；土钉墙的圆弧稳定性验算；,3）支护结构位移和地面沉降变形计算；支护结构侧移造成周边土体的水平变位和竖向沉降；降水施工或基坑开挖引起的地下水位下降，使土体固结变形；支护结构施工扰动（流砂、涌泥、塌孔等）产生的变形；,4）地
6、下水作用下的土体渗透破坏验算；,工程实例,4 基坑工程的监测与信息化施工,A-15绿地世纪大厦,绿地世纪大厦,绿地世纪大厦,绿地世纪大厦,A-16峰会天下,A-16峰会天下,天下城,天下城,天一大厦,天一大厦,上海500KV地下变电站,上海500KV地下变电站,1）基坑工程施工监控原则 系统原则 可靠性原则 与设计相结合原则 关键部位优先、兼顾全面的原则 与施工相结合原则 经济合理原则,4.1 监控原则与目的,2）监测目的 及时发现不稳定因素 保障业主及相关社会利益 验证设计、指导施工 分析区域性施工,4.2 工程检测级别与内容（GB50007-2002）,必测；宜测；可测。,必测；宜测；可测
7、。,4.3 变形控制指标与标准（1）变形控制指标水平位移及其速率支护结构的倾斜支撑构件或锚头的位移量及其速率基坑隆起及其速率地表沉降及其速率临近设施的沉降、倾斜、变形等,（2）变形控制标准,变形量控制标准之外，还应考虑变形的时空效应，控制监测值的变化速率。根据经验，软土地区，深基坑工程支护结构水平位移速率宜按下列标准控制：安全域：2（mm/d）警戒域：25（mm/d）危险域：5（mm/d）,基坑安全监测的预警值,水平位移的速率 3mm/d；总水平位移量（或累计水平位移）达到或超过基坑深度的0.5；最大沉降量达到或超过基坑深度的0.7；周围建筑物、管线等设施的不均匀沉降已大于现行规范规定的允许沉
8、降差。,5 基坑工程变形控制技术及应急措施,5.1 按变形控制设计 变形预测分析 动态设计（核心），优化方案 变形控制：目标除支护系统外，还包括开挖应范围内的有关建筑设施 变形控制设计具有时效性,5.2施工过程中的动态设计 基坑工程的变形具有时间和空间双重属性，原设计随施工信息而作必要的调整，其实质是高层次的设计优化过程。,基于变形控制的基坑工程优化设计程序框图,5.3基坑工程的变形控制技术1）设计措施 有效控制支护结构侧移；增加结构刚度；适当增加入土深度；头道支锚位置；增加支锚刚度；增大冠梁刚度；缩短无支锚暴露时间或支锚间距；改善被动区土体性质；有效控制地下水；对临近建（构）筑物进行地基托换
9、处理。,2）施工措施 原则：分层、分块、对称、平衡、限时 合理确定开挖顺序 采取分步快挖、快支锚的施工方法,5.4 施工过程中的应急措施 1）基坑开挖降水施工方面 对临近建筑物的影响 减缓降水速度，防止土粒被水带出；采用回灌井 流沙现象及应对措施 注浆加固坑外土体（止水帷幕）在基坑外将地下水下降并将地下水排出 2）基坑支护施工方面,基坑开挖常见问题及应变对策,1、围护结构渗水、漏泥或开挖面以下冒水；2、开挖土方不均衡、支撑延时导致围护墙和支撑变形速率过大，基坑回弹和周围土体变位过大；3、围护结构刚度不足，变形过大；4、坑底隆起变形过大；,1）及时采取止水堵漏措施；发现止水体设计施工中的薄弱环节
10、，及时加固处理；2）采取调整开挖及支护部位的施工工序及参数；3）增加临时支撑（斜撑、角撑）；支撑加设预应力；调整支撑的竖向间距；基坑周边卸载或坑内压载；4）分区、分步开挖，并及时浇注快硬混凝土垫层；采取中心岛法施工；坑底被动区加固（注浆）；,5、支撑发生挠曲变形；6、支撑截面不足，有压损现象；7、支撑立柱桩发生不均匀沉降（上浮）；8、围护结构、支撑、周围地表、坑底土体隆起变形速率急剧加大，基坑有失稳趋势；,5）加固支撑杆件；采取临时拉杆缩短长细比，或增设水平向、竖向支撑；6）加固支撑断面，或增设竖向、水平向支撑；7）设置竖向剪刀撑；增设稳定支撑的拉杆；支撑和节点上卸载；调整立柱上支托支撑改建标
11、高；8）进行局部或全部回填，或放水回灌，赢得临时稳定后进行地基或支撑加固处理；,6基坑工程施工力学研究,曹志远：土木工程施工力学时变力学基础,据不完全统计，全国建筑工程发生倒塌事故而死亡3人以上的，1991年为13起，1992年为31起，1993年达47起，1994年近60起。据全国近10年357起倒塌事故统计，有78发生在施工阶段。,施工力学是力学学科与土木工程等工程学科相结合的产物。涉及到固体力学、结构力学、岩土力学、流体力学、计算力学以及结构工程、基础工程、地下工程、水工工程、海洋工程、道桥工程、环境工程等多门学科。理论上属学科前沿，反映学科交叉；应用上与国民经济密切相关，是工程技术发展
12、急待解决。,6.1施工力学研究的重要性和意义,土钉支护技术,微型桩,复合土钉支护技术,预应力排桩支护结构,内支撑支护技术,6.2基坑支护结构的受力变形演化特点,灌注桩,桩锚土钉联合支护,复合桩墙支护,桩锚土钉联合支护,土钉l=6m,土钉l=15m,预应力锚杆l=25m,砼底板,砼灌注桩,止水帷幕,砼冠梁,桩墙锚支护体系,砼灌注桩,止水帷幕,冠梁,第一道环梁,第五道环梁,预应力锚杆,砼底板垫层,（1）便开挖，边形成支护结构抗力的滞后性,6.2基坑支护结构的受力变形演化特点,土钉,土钉支护技术,预应力锚杆,预应力排桩支护结构,（2）支护结构的抗力与土压力耦联 受力变形的互动性,预应力锚杆,预应力排
13、桩支护结构,T1*,T11+,T12+,T2*,T23+,T13+,T24+,T14+,T1=T1*+T11+T12+T13+T14,T2=T2*+T23+T24,（3）支护结构的侧移与土压力耦联 荷载的不确定性,侧移与土压力的关系曲线,曹志远：土木工程施工力学时变力学基础,6.3土木工程施工力学研究的基本课题,施工荷载作用下时变结构内力重分配及时空最大值确定；荷载数值与位置随时间发生变化，结构形状发生变化。施工中不完整结构受环境、突发灾害荷载的安全度分析；施工过程中承载力远未达到设计要求，安全度较低。材料刚性、强度随时间变异的结构分析及其对设计影响；由不同物性并不断变化的材料组成，加上结构几
14、何形状与荷载工况随时间变化的复杂力学模型，形成施工力学研究的重要内容。施工过程中不同时段非稳定粘性应力场时效叠加效应；岩土介质的流变性质，导致材料时效与几何时变耦联的复杂力学问题。,曹志远：土木工程施工力学时变力学基础,大体积砼浇注过程中，不定常温度场与热应力场传播与体积变异耦合效应；分段浇注，前断热效应未达平衡，即浇注下一段，产生不同起始时段、不同热源、对不同体积域传播累加效应。结构与工程介质非线形特性引起施工路径效应；材料刚度非恒定，导致路径效应。地下工程开挖过程中，地应力扰动与地面沉降规律研究；开挖卸载反弹，再加载沉降变形问题。施工过程对已有建筑的影响及防治研究；打桩、基坑开挖、隧道顶管
15、与盾构施工，改变空间应力场以及环境变形。旧建筑物拆除工程的受力分析及施工原则；结构的约束拆除过程及荷载变异过程。,施工力学的核心问题是：材料时变与结构几何时变的耦联问题，以及时空耦联问题。,6.4深基坑工程施工力学研究,桩锚支护结构：由排桩和预应力锚杆组成 存在问题：预应力锚杆支点数及预应力水平决策问题土钉支护结构：边开挖、边支护，最大限度利用边壁土体强度 存在问题：土压力及土钉受力随边壁侧移而变化，体现出强烈的动态效应和施工力学现象水泥土重力式挡土结构：适于软土或素填土等土层，作为基坑截水 存在问题：高宽比的合理设计及水泥土桩身强度设计维护结构内支撑：支撑结构体系的受压稳定性问题,1998年、2003年建设部10项推广新技术之首。,地下空间是最活跃的研究领域,拱圈支护结构：充分利用拱结构的受压性能，进行优化选型（半）逆作法施工：充分利用地下室内外墙及竖向立柱设置内支撑体系双柱列式支撑体系：适当加大支护结构宽度，将受弯体系改变为拉压体系桩锚与土钉联合支护结构：存在问题：设计计算模式、优化选型、土压力计算，桩锚和土钉间的协调变形和土压力分配问题水泥土桩复合土钉、预应力锚杆复合土钉以及竖向注浆与 土钉的联合作用 存在问题：受力机理，改善土钉变形问题和受力滞后问题,地下空间是最活跃的研究领域,
