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1、基坑工程的失效模式及稳定性验算,地下连续墙大的垮塌,马路开裂,土钉墙的垮塌,基坑工程的失效模式,1.整体失稳 2.围护结构倾覆失稳 3.围护结构滑移失稳 4.围护结构底部地基承载力失稳 5.“踢脚”失稳 6.坑底隆起 7.止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏8.坑底被承压水顶破 9.围护结构的结构性破坏10.支、锚体系失稳破坏,整体失稳,整体失稳是指在土体中形成了滑动面，围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一起丧失稳定性，一般的失稳形态是围护结构的上部向坑外倾倒，围护结构的底部向坑内移动，坑底土体隆起，坑外地面下陷。,内部稳定性验算,内部稳定性验算,内部稳定分析验算内部稳定分析采用条分法，计算公式为
2、：,围护结构倾覆失稳,围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构，重力式结构在坑外主动土压力的作用下，围护结构绕其下部的某点转动，围护结构的顶部向坑内倾倒。抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力形成，坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素。关于转动中心的位置有不同的看法，传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾，但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理，特别的软土地区由于基底土比较软弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。,围护结构滑移失稳,围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中，在坑外主动土压力的作用下，围护结构向坑内平移。抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被
3、动土压力构成。当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时，墙体发生滑移失稳。,重力式围护结构,基底摩擦系数表,外部稳定分析验算 以土钉原位加固土体，当土钉达到一定密度时所形成的复合体就会出现类似锚定板群锚现象中的破裂面后移现象，在土钉加固范围内形成一个“土墙”，在内部自身稳定得到保证的情况下，它的作用类似重力式挡墙，因此，可用重力式挡墙的稳定性分析方法对土钉墙进行分析。,围护结构底部地基承载力失稳,重力式围护结构的底面压力过大，地基承载力不足引起的失稳。由于在围护结构的外侧还作用着土压力，因此其合力是倾斜的。在倾斜荷载作用下，地基土发生向坑内的挤出，围护结构产生不均匀的沉降，可能导致部分围护结构
4、的开裂损坏。,“踢脚”失稳,在单支撑的基坑中，可能发生挠支撑点转动，围护结构上部向坑外倾倒，围护结构的下部向上翻的失稳模式，故形象地称为“踢脚”失稳。在多支撑的围护结构中一般不会产生踢脚失稳，除非其它支撑都已失效，只有一道支撑起作用的情况。,坑底隆起,坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形。基坑开挖以后，坑底向上位移的原因有两种，一是卸载引起的回弹，其数值较小；另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性变形，这种变形如果数量较大，表示土体中的塑流已经比较严重，如果围护结构和内支撑能形成整体性好的体系，则塑流仅引起坑外地面下沉，影响环境安全；如果是自立式结构或节点强度差的支撑体系，隆起可能
5、是整体失稳的前兆；如果稳定性不能得到有效的控制，就会发生整体性失稳。,因地下水引起的基坑内事故,承压水水头,墙缝渗漏涌砂,砂质土层（滞水层）,粘质土层（加压层）,承压含水层,集水坑漏砂,桩周管涌,钻探孔管涌,近墙处流砂,止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏,止水帷幕丧失挡水功能，产生渗漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，导致邻近建筑物的开裂和损坏。引起围护结构止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是设计因素和材料的因素。由于施工质量低劣，止水帷幕有空洞或裂缝，成为漏水的通道是最普遍的现象；止水帷幕设计过短，没有全部切断透水层也是漏水的可能原因。,由于止水帷幕失效产生过大
6、的水力坡降引起坑底渗透变形破坏。坑内采用排水或降水措施后，造成了坑内外的水头差，地下水在水头差的作用下向坑内渗流，在渗流出口处土的细颗粒被带出，或土颗粒处于悬浮状态涌出。这种由渗透引起的破坏因破坏机理不同而有不同的名称，如管涌、流砂或流土。如不及时制止，由渗透变形引起的坑外土体的位移和陷落是严重的。,要防止渗透破坏，则要求：Kj（3-54）式中 土有效重度；j 渗流力（动水压力）；K 安全系数，视挡土结构的性质和土质而定，一般取1.52.0。试验和事故都表明，渗流往往首先发生在离坑壁大约为桩入土深度一半（t/2）的范围内，如图3-75所示。,为简化计算，近似地取紧贴桩墙的最短路线来计算最大渗透
7、力：故不发生流土的条件变为：或桩墙埋入坑底的深度如满足上述公式，则不会发生流砂。,围护结构的结构性破坏,围护结构的结构性破坏是指围护体本身发生开裂、折断、剪断，致使结构失去了承载能力的破坏模式。结构性损坏的原因可能是方案性的错误，如支撑体系不当或围护结构不闭合；也可能是设计计算时荷载估计不足或结构材料强度估计过高，支撑或围檩截面不足导致破坏；此外，结构节点处理不当，也会因局部失稳而引起整体破坏，特别在钢支撑体系中，节点多，加工与安装质量不易控制。节点处理包括支撑和墙体的连接处，如不设置围檩或连接强度不够。,支、锚体系失稳破坏,支锚体系的失稳破坏包括两种不同的破坏模式。锚杆的破坏主要表现为锚杆的
8、拔出、断裂或预应力松弛，土锚的破坏大多是局部的，群锚的破坏实际上是土体的失稳而并非是锚杆的结构性破坏；支撑的失稳很可能是整体性的，其形态因体系不同而不同，支撑体系大多是超静定的，局部的破坏会造成整体的失稳，尤其是钢支撑体系，局部节点的失效概率比较大。,土锚或拉锚,内支撑体系,深基坑工程方案设计,基坑工程方案设计,1）确定开挖方案，包括地下水的处理方案；2）选择围护结构的类型；3）选用土层锚杆或内支撑，选择支撑材料；4）对土层锚杆或内支撑进行平面和竖向布置，包括围檩和立柱的布置；,5）进行各项稳定验算和结构内力计算以确定围护结构、支撑、围檩或锚杆的材料强度和截面尺寸，确定是否需要加固坑底；进行降
9、水的控制性计算；6）进行变形验算以检验是否满足环境要求；7）对施工方案提出要求；8）进行多方案的技术经济比较，优选方案。,方案设计讨论及案例,开挖方案的选择选择围护结构的类型支锚体系的选择支撑的平面布置支撑和锚杆的竖向布置立柱的设置降水,开挖方案选择,放坡开挖 无支撑开挖 重力式挡墙 悬臂式挡墙 锚固式挡墙有支撑的开挖 组合型的开挖方案,放坡开挖,放坡开挖的直接费用最少，而且为主体工程创造了比较宽敞的施工作业空间，因而工作面宽，工期也比较短，如果场地条件允许，放坡开挖应该是首选的方案。制约采用放坡开挖的因素主要是周围场地和开挖深度的限制。放坡需要占用比较大的场地，在城市或建成区往往没有这个条件
10、。,如整体稳定性允许，可以采用放坡开挖方案时。但有时受场地的限制，只能取用较陡的坡度；如坡面的稳定性不能得到保证时，则可采用喷锚支护或土钉墙的方案。喷锚支护和土钉墙从受力机理上讲不同于无支撑的自立式挡墙，而是属于坡面加固处理的一种方法，通过加强土体共同受力的方式来保持坡面的稳定性，属于自承支护体系。如果坑底土质比较差，整体稳定性不足，则喷锚支护和土钉墙的方案就不能采用。,无支撑开挖,当不能采用放坡开挖方案时，必须选用围护结构以支承坑外的土体。在可能的条件下应尽可能采用无支撑开挖的方案，因为这种方案能提供比较开阔的坑内施工条件，便于挖土、运土以及地下室的施工；同时，也比较经济。,重力式挡墙,重力
11、式挡墙是依靠自身的重力维持其稳定的围护结构，由于可以采用价格比较低廉的水泥土等材料制作，是一种比较经济的方案。在开挖深度不大（如软土地区不大于67m），环境对位移的要求可允许有50mm左右的条件下是首选方案，但重力式挡墙的宽度比较大，在地下室外墙与红线之间的距离过小时就很难放得下宽度较大的重力式挡墙。,锚固式挡墙,锚固式挡墙是依靠锚杆传递的拉力来维持其稳定的围护结构，对于深基坑可以采用多道锚杆来平衡土压力，因而可以适用于开挖得很深的基坑。锚固式挡墙分为拉锚式和土层锚杆式两种，拉锚常用于钢板桩顶部的锚固，或作为辅助的锚固措施；土层锚杆要求具有比较好的地质条件，同时还必须有足够开阔的场地条件或者容
12、许锚杆可以伸入红线以外的土层中。在软土地区，由于土层缺乏足够的锚固力而较少采用锚杆，如将锚杆锚固在很深的砂层中，则锚杆的长度很长，也就不是一个经济的方案。,有支撑的开挖,在不具备采用土层锚杆条件的场地，深基坑只能采取有支撑开挖的方案，但是深基坑的平面尺寸一般都比较大，给支撑的设置带来了困难；由于支撑和挖土的工序互相交叉，形成许多各具特色的支护开挖方案。,分层开挖分层支护法,这是最基本的方法，按照结构受力分析和便于施工的原则布置每道支撑的位置，在深度方向分层挖土与支撑设置交替施工。挖第1层土 浇筑第1道支撑 挖第2层土 浇筑第2道支撑 挖第3层土 浇筑底板。,工况1,工况2,工况3,工况4,工况
13、5,工况6,设计时要按照上述工况进行分别验算，施工时要严格按照设计规定的程序实施，才能保证围护结构的稳定性和控制变形。在平面上按设定的挖土与设置支撑流程由一侧向另一侧推进，也可以由中部向两侧推进，但每一层作业作为一个工况考虑进行计算，忽略平面上流程的时间差对围护结构受力的影响。,中心岛法,对于平面面积很大的基坑，采用分层开挖、分层支护的方法在技术和经济上都不太合理。由于支撑的长度很长，为了增大支撑刚度，需要加大支撑截面和侧向支撑，使支撑的造价很高，而且一层平面的挖土量也很大，前后延续的时间比较长，这就需要在平面上加以划分。,中心岛法是平面划分的一种考虑，它结合将厚底板分设后浇带的划分，将平面分
14、成两个部分，中心部分先施工，此时先施工的面积比较小，而且具有放坡的余地，可以在坑内按照放坡办法施工，在中心部分浇筑底板以及地下室的部分结构（如核心筒、剪力墙或柱）以后，再分层开挖四周的留土，分层将支撑连接到已建成的底板或地下室的构件上去。,第一阶段，放坡，浇筑中间部分地下室第二阶段，对周围部分采用分层开挖分层支撑方法施工,组合型的开挖方案,在方案设计时，可以根据工程的具体情况将上述几种方法加以组合，以发挥各自的优点，形成最经济合理的方案。可以在立面上组合，也可以在平面上组合。,组合型的开挖方案,在方案设计时，可以根据工程的具体情况将上述几种方法加以组合，以发挥各自的优点，形成最经济合理的方案。
15、可以在立面上组合，也可以在平面上组合。,平面组合是指在基坑的几个侧面采用不同的方法，根据各个侧面场地宽余程度的不同，采取不同的方法。在场地比较宽敞的部位尽可能采用放坡的办法，场地能容纳重力式的地方尽量采用重力式挡墙，在实在放不下重力式挡墙的部位才采用排桩式。这样做的目的是为了节省造价，但在技术上带来了一定的困难，主要是在不同型式的结构连接处需要做好构造处理，这些部位往往是最薄弱的环节，也是最容易产生事故的地方。,平面分区方案,平面分区开挖的目的是为了总体上满足工期要求或者为了分期投资的目的。平面分区包括地下室同一个平面和不同底标高两种不同的情况。但分区开挖必须设置区域之间的分隔围护结构，这部分
16、费用是额外增加的，比整体开挖肯定费用贵。需要进行技术经济比较才能确定。,支撑体系布置形式,支撑布置形式应考虑的要求：能够因地制宜科学地选定支撑材料和支撑体系布置形式，确保支撑体系安全可靠，经济合理；支撑体系受力明确，能充分协调发挥各杆件的力学性能，在支撑体系稳定性和控制变形方面能满足对环境保护的要求；在确保支撑体系安全可靠的前提下，最大限度地方便土方开挖和主体结构快速施工的要求。,特点:在软土地层、环境保护要求高的条件下，这是应用最多的布置形式；钢支撑体系常用此布置形式；安全稳定，有利于控制墙体位移；用钢筋混凝土支撑时可与施工栈桥结合设计；支撑布置与开挖土方设备和工艺不协调时，土方开挖和主体结
17、构施工较困难。,直交式,特点一般在用钢筋混凝土撑时，在环境保护要求不高的条件下，将水平直交的支撑布置成井字型 与角撑相结合的支撑体系，以便利土方开挖和主体结构施工；采用钢筋混凝土支撑时，可与施工栈桥结合设计。,井字型集中式,垂直对称式,特点 用于地铁、隧道距形段等长条形基坑工程。,特点方便土方开挖与主体结构施工；整体稳定性及变形控制效果不及水平直交式或井字型集中式。,角撑式,特点节省立柱和支撑材料；适用于基坑面积较大而深度较浅的基坑；在软弱地基中，不易控制基坑稳定与变形；斜撑与底板相交处结构处理较困难。,竖向斜撑形,特点方便土方开挖与主体结构施工；整体稳定性及变形控制效果不及水平直交式或井字型
18、集中式。,边桁架式,特点在采用钢筋混凝土支撑时，因地制宜地采用环梁方案，可方便中间筒体、主楼施工，方便土方开挖；将支撑体系受力主构件化为圆形结构，受力条件效好，可节约钢筋混凝土量。在坑外周荷载不均匀，土性软硬差异较大，部分地层水平基床系数很小时，此布置形式慎用。,圆形环梁式,特点 利用圆拱受力特点，节约材料，方便土方开撑和主体结构施工。,圆拱式,特点便于土方开挖和主体结构施工，并可节省材料和费用；在地质条件较差，环境保护要求较高，基坑较深的情况下，不容易控制基坑变形。,中心岛式,特点在施工场地受限止或地下结构上方为重要交通道路时，可利用主体结构的梁、板、柱作支撑并合理补加必要的临时支撑，进行逆筑法、半逆筑法施工；可节省支撑材料，更可减少基坑变形，但对开挖土方和整个工程施工组织提出较高的技术要求。,逆筑式,特点造价经济，方便开挖施工和主体结构施工；只宜用于周围场地具有拉设锚杆的环境和地质条件。,锚杆式,特点 根据基坑开挖方法，工程特点和基坑平面形状，将以上各种支撑形式因地制宜搭配布置。,组合式,工程实例：上体馆站对撑施工现场,工程实例：杨高路站对撑施工现场,工程实例：杨高路站斜撑施工现场,桁架式支撑施工现场,中心岛式基坑施工现场,组合式基坑施工现场,
