2018年注冊(cè)巖土工程師巖土工程勘察講義：深基坑開(kāi)挖的巖土工程問(wèn)題

　　深基坑開(kāi)挖的巖土工程問(wèn)題

　　興建房屋建筑與構(gòu)筑物基礎(chǔ)，一般都需要進(jìn)行基坑開(kāi)挖，尤其在建筑密集的城市中興建超高層建筑時(shí)，為了利用有限的空間及降低基底的凈壓力，往往設(shè)有1～3層地下室，有的甚至達(dá)6層，基坑深度一般都超過(guò)5m，有的達(dá)數(shù)十米。深淺基坑的劃分界線(xiàn)在我國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)外有人建議把深度超過(guò)6m的基坑定為深基坑，小于6m的則為淺基坑。淺基坑(包括淺基礎(chǔ)的基坑開(kāi)挖)的巖土工程問(wèn)題一般較少且不很?chē)?yán)重;深基坑的巖土工程問(wèn)題一般較為復(fù)雜且有的較為嚴(yán)重，因此對(duì)深基坑應(yīng)重視巖土工程問(wèn)題的分析與評(píng)價(jià)。

　　基礎(chǔ)牢固與否是關(guān)系到建筑物安全穩(wěn)定的首要問(wèn)題，而基礎(chǔ)施工大多

　　從基坑開(kāi)挖開(kāi)始。實(shí)踐證明，基坑開(kāi)挖工作是否順利，不僅影響基礎(chǔ)施工質(zhì)量，而且影響施工周期與工程造價(jià)�；�坑開(kāi)挖過(guò)程中，常遇到基坑壁過(guò)量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回彈(或隆起)、坑底滲流(或突涌)、基坑流砂等基坑穩(wěn)定性問(wèn)題。為防止或抑制這些問(wèn)題，使基坑開(kāi)挖與基礎(chǔ)施工順利進(jìn)行，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

　　最近20年，深基坑開(kāi)挖與支護(hù)工程的開(kāi)展對(duì)近代土力學(xué)的發(fā)展也起了

　　很大的推動(dòng)作用。主要表現(xiàn)在：以本構(gòu)關(guān)系和有限單元方法為手段，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)與被支護(hù)土體的相互作用;以室內(nèi)模型試驗(yàn)為依據(jù)，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)土壓力分布的影響及簡(jiǎn)化計(jì)算方法;地下水控制的理論與方法以及以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù)的反分析方法等等。從這個(gè)意義上說(shuō)，對(duì)深基坑與支護(hù)的研究也具有十分重要的意義。在本節(jié)中，不介紹很高深的理論，只對(duì)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的一般巖土工程問(wèn)題進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

　　8.1、基坑支護(hù)及其土壓力

　　8.1.1基坑支護(hù)

　　在房屋建筑與構(gòu)筑物的基坑開(kāi)挖中，尤其是城市中的基坑開(kāi)挖，由于

　　場(chǎng)地的局限性，大多為有側(cè)壁支護(hù)基坑的開(kāi)挖，即基坑側(cè)壁常要求垂直開(kāi)挖，如果不采取支護(hù)措施，一般基坑側(cè)壁土體是不穩(wěn)定的�；�坑支護(hù)工程的作用主要有：①節(jié)約施工空間(不放坡開(kāi)挖);②保護(hù)相鄰部位已有構(gòu)筑物與地下設(shè)施的安全;③減小基底隆起;④利用支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地下水控制;⑤利用支護(hù)結(jié)構(gòu)作為永久性結(jié)構(gòu)的一部分等。

　　支護(hù)系統(tǒng)一般由擋土結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)組成。

　　擋土結(jié)構(gòu)系指支護(hù)系統(tǒng)中，直接與被支護(hù)的巖土體接觸并承受土、水壓力的結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)類(lèi)型如下：

　　(1)骨架式結(jié)構(gòu)——分離排列的鋼筋混凝土樁或鋼樁

　　(2)連續(xù)式結(jié)構(gòu)——鋼板樁、鋼筋混凝土切線(xiàn)樁]、地下連續(xù)墻

　　(3)半連續(xù)式結(jié)構(gòu)——在骨架式結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土樁或鋼樁之間加隔板。

　　支撐系統(tǒng)視支撐的位置，可分為兩類(lèi)內(nèi)支撐系統(tǒng)和外支撐系統(tǒng)。

　　在擋土結(jié)構(gòu)與支撐構(gòu)件之間，常有腰梁連接。腰梁亦可看作支撐系統(tǒng)的組成部分，其作用是傳遞支撐力，并將擋土結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)連成整體。有擋土結(jié)構(gòu)而無(wú)須用支撐時(shí)，便形成懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，淺基坑一般采用此種支護(hù)型式。深基坑一般采用懸壁式支護(hù)結(jié)構(gòu)加支撐系統(tǒng)，如漢口的深基坑多采用懸臂式支護(hù)樁加錨桿等。

　　8.1.2土壓力分析

　　基坑采取支護(hù)措施時(shí)，一般都需要分析作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力性質(zhì)、分布與計(jì)算土壓力大小。土壓力應(yīng)根據(jù)土體經(jīng)受的側(cè)向變形條件來(lái)確定，土壓力性質(zhì)包括靜止土壓力、主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力或與側(cè)向變形條件相應(yīng)的可能出現(xiàn)的土壓力。分析土壓力時(shí)應(yīng)考慮場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)于土體的位移、地面坡度、地面超載、鄰近建筑及設(shè)施的影響、地下水位及其變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的剛度、基坑工程的施工方法等。

　　目前對(duì)土壓力大小的計(jì)算，一般采用朗肯土壓力理論或庫(kù)侖土壓力理論。但在實(shí)際工程中，情況遠(yuǎn)比該理論的假定條件復(fù)雜得多。其一，土對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力不僅與土本身的工程性質(zhì)(如c、φ值)有關(guān)，而且還與支護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)特別是剛度有關(guān)，因此土壓力的大小與分布狀態(tài)實(shí)際上是被支護(hù)土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度與支撐方式不同，土壓力大小及其分布都有一定的區(qū)別。其二，與一般擋土墻不同，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移往往受到嚴(yán)格限制，在槽邊存在已有結(jié)構(gòu)與設(shè)施時(shí)更是如此，其位移量往往不允許達(dá)到出現(xiàn)極限狀態(tài)時(shí)的主動(dòng)或被動(dòng)土壓力所要求的位置，那么土壓力的數(shù)值究竟取多大為宜，就需要依據(jù)工程類(lèi)比與經(jīng)驗(yàn)，包含相當(dāng)程度的工程判斷。實(shí)際中也可進(jìn)行土壓力系數(shù)的調(diào)整來(lái)確定土壓力值，即當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)受的側(cè)向變形條件不符合主動(dòng)、被動(dòng)極限平衡狀態(tài)條件時(shí)，可將計(jì)算的主動(dòng)或被動(dòng)土壓力系數(shù)Ka、Kp分別調(diào)整為Kma、Kmp，其調(diào)整值Kma(主動(dòng))、Kmp(被動(dòng))分別為：Kma=0.5(K0+Ka),Kmp=(0.5～0.7)Kp(K0為靜止土壓力系數(shù))。至于土壓力分布，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，對(duì)于剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，只要其上端的水平位移大于下端位移，主動(dòng)邊和被動(dòng)邊的土壓力都可看成三角形分布。如果位移足夠大，便可按一般的土壓力公式計(jì)算[如圖3(a)]。在某些情況下，如擋土結(jié)構(gòu)嵌入深度過(guò)淺或坑底土質(zhì)很軟時(shí)，擋土結(jié)構(gòu)下端向坑內(nèi)方向的水平位移可

　　能大于其上端的位移，此時(shí)土壓力沿深度將呈拋物線(xiàn)形分布，設(shè)計(jì)時(shí)要加以考慮。對(duì)于柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于其本身的變形情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致土壓力的分布情況也較為復(fù)雜�？傊�，作用于擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力取值應(yīng)根據(jù)土壓力類(lèi)型、支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型和允許變形、被支護(hù)土體的性質(zhì)、墻與土之間的摩擦力及擋土結(jié)構(gòu)兩面的地面坡度等因素來(lái)綜合考慮。另外，當(dāng)存在地下水時(shí)，土壓力值宜按水壓力與土壓力分算的原則計(jì)算，即作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力為有效土壓力與水壓力之和;有效土壓力按土的浮重度及有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。亦可采用水壓力與土壓力合并計(jì)算的原則計(jì)算，此時(shí)水土合并的壓力按土的飽和重度及總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。

　　8.2、基坑穩(wěn)定性分析

　　8.2.1基坑底卸荷回彈(隆起)

　　基坑開(kāi)挖是一種卸荷過(guò)程，開(kāi)挖愈深，初始應(yīng)力狀態(tài)的改變就愈大，這就不可避免地引起坑底土體的隆起變形，有的甚至可能由于受到過(guò)大的剪應(yīng)力而導(dǎo)致基底隆起失效�；�坑回彈(隆起)不只限于基坑的自身范圍，而且要波及四鄰地面，引起地面撓曲，對(duì)鄰近建筑物或設(shè)施均產(chǎn)生影響，應(yīng)引起注意。必要時(shí)要組織施工開(kāi)挖過(guò)程中坑內(nèi)外地面的變形監(jiān)測(cè)，供及時(shí)分析趨勢(shì)和采取措施之需。在軟至中等強(qiáng)度的粘性土(cu≈12～50kPa)中進(jìn)行深基坑開(kāi)挖時(shí)，基坑底抗隆起穩(wěn)定性可按下式進(jìn)行驗(yàn)算

　　控制基坑回彈(隆起)的措施可采用降低地下水位、凍結(jié)法或在基坑開(kāi)挖后立即澆搗相等重量的混凝土，使基坑的回彈量盡可能減小。

　　8.2.2基坑底滲透穩(wěn)定性

　　如果基坑在粘性土中開(kāi)挖，且坑底下有承壓水存在時(shí)，當(dāng)上覆土層減到一定程度時(shí)，承壓水水頭壓力便沖破基坑底板造成滲流(或突涌)現(xiàn)象。基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性可按下式驗(yàn)算：

　　為使基坑底不因滲流而喪失穩(wěn)定性，一般要求γrW≥1.2，如果驗(yàn)算的γrW<1.2，應(yīng)采取必要的措施，如降水等。

　　8.2.3基坑流砂問(wèn)題

　　當(dāng)基坑底以上粘性土中夾有砂或粉土，且地下水位較高，基坑開(kāi)挖揭露這些夾層時(shí);或者當(dāng)基坑底部為砂土或粉土、隨著基坑開(kāi)挖加深，水力坡度加大，當(dāng)動(dòng)水壓力超過(guò)砂土或粉土顆粒自重使土顆粒懸浮時(shí)，砂或粉土與水一起涌于基坑中，便產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。

　　是否產(chǎn)生流砂現(xiàn)象可按下式驗(yàn)算：

　　Icr=(ρs-1)(1-n)

　　式中：Icr——臨界水力坡度;

　　ρs——土的顆粒密度;

　　n——土的孔隙度，以小數(shù)計(jì)。

　　當(dāng)實(shí)際水力坡度I大于Icr時(shí)，將發(fā)生流砂現(xiàn)象，實(shí)際中還要考慮一個(gè)大于1.0的安全系數(shù)。影響流砂現(xiàn)象的因素較多，主要是土的顆粒級(jí)配、結(jié)構(gòu)及埋藏條件等。當(dāng)深挖時(shí)水力坡度超過(guò)臨界水力坡度，又具有以下條件時(shí)，就更容易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。

　　(1)土的顆粒組成中，粘粒含量小于10%，粉、砂粒含量大于75%。

　　(2)土的不均勻系數(shù)小于5。

　　(3)土的含水量大于30%。

　　(4)土的孔隙比大于0.75(或土的孔隙度大于43%)。

　　(5)在粘性土有砂夾層的土層中，砂土或粉土層的厚度大于25cm。

　　流砂現(xiàn)象的產(chǎn)生，一方面將嚴(yán)重影響施工(如挖了又漲，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高);另一方面因流砂使地下掏空，可導(dǎo)致土體喪失穩(wěn)定性或地面產(chǎn)生塌陷，危及相鄰建筑物的安全。防止流砂的措施主要有人工降低地下水位、打板樁或加固坑壁以增長(zhǎng)滲流途徑減小實(shí)際水力坡度等。

　　8.2.4基坑邊坡整體穩(wěn)定性

　　在房屋建筑與構(gòu)筑物的基坑開(kāi)挖中，在沒(méi)有采用支護(hù)結(jié)構(gòu)之前，基坑邊坡(一般為粘性土)整體穩(wěn)定性一般采用極限平衡理論中的條分法(多采用瑞典條分法)進(jìn)行估算，從而可確定最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。對(duì)于采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑，穩(wěn)定性驗(yàn)算仍采用條分法，驗(yàn)算時(shí)應(yīng)將支護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的抗滑力矩計(jì)入總的抗滑力矩之中。

　　對(duì)于樁、墻式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑，其整體穩(wěn)定性可按下式驗(yàn)算：

　　為保證基坑的整體穩(wěn)定，一般要求γrs≥1.1～1.2，如果粘性土中不計(jì)滲流力作用時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足γrs≥1.40。

　　注冊(cè)巖土工程師培訓(xùn)班——2018年巖土工程師VIP套餐：

　　適應(yīng)人群：有基礎(chǔ)，對(duì)考點(diǎn)和命題方向不清楚，急需老師點(diǎn)明重點(diǎn)考點(diǎn)的學(xué)員。

　　包含課程：(全科)精講班+�？荚囶}班+專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)考題預(yù)測(cè)班+獨(dú)家歷年真題解析;贈(zèng)送：考試時(shí)間提醒服務(wù)+考試不過(guò)2019年免費(fèi)重學(xué)

　　詳細(xì)情況：本課程針對(duì)參加2018年考試學(xué)員輔導(dǎo)，可提前學(xué)習(xí)2017年課程;(考題預(yù)測(cè)班為新增班次不提供2017年課程)

　　● 報(bào)名VIP套餐，簽訂協(xié)議，承諾考試不過(guò)2019年免費(fèi)重學(xué);

　　● 獨(dú)家真題解析課程高清大屏講解，幫助學(xué)員掌握考試真要求;

　　● 公共基礎(chǔ)沒(méi)有考題預(yù)測(cè)班;

　　● 考前學(xué)習(xí)提醒,不定期免費(fèi)直播解析考情分析

　　全國(guó)統(tǒng)一服務(wù)熱線(xiàn)：4000-525-585　快速聯(lián)系通道