项目三土方边坡与基坑支护职业能力目标基坑是建筑工程的一部分,尤其是对深基坑开挖与支护问题,引起了各方面的广泛重视;由于影响其工程质量的因素复杂,因此,在基坑工程施工中,处理不当时可能会出现一些意外的情况,给工程造成一定的经济损失;通过本项目的学习,应了解土压力的类型,熟悉其影响因素,土方边坡的稳定分析,基坑支护结构的类型及选型原则,基坑支护结构的破坏形式与现场监测;关键词中英文主动土压力Active earth Pressure；静止土压力Earth pressure at rest ;被动土压力Passive earth Pressure；边坡Side slope任务一土压力的类型与影响因素在建筑工程地基与基础施工中,为了防止土坡发生滑动和坍塌,需用各种类型的挡土结构物加以支挡;支挡结构物的典型代表就是挡土墙,它是用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性,或使部分侧向荷载传递分散到填土上的支挡结构物;要想解决好基坑支护问题,需要我们学习相关的一些理论知识;一、土压力的类型土压力是指由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用,挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧向压力;土压力的确定是挡土支护施工设计的重要依据;1、土压力试验在实验室里通过挡土墙的模型试验,可以测得当挡土墙产生不同方向的位移时,将产生三种不同性质的土压力;在一个长方形的模型槽中部插上一块刚性挡板,在板的一侧安装压力盒,填上土；板的另一侧临空;在挡板静止不动时,测得板上的土压力为E0 ；如果将挡板向离开土体的临空方向移动或转动时,则土压力逐渐减小,当墙后土体发生滑动时达到最小值,测得板上的土压力为E a ；反之,将挡板推向填土方向则土压力逐渐增大, 图6-2 墙身位移与土压力的关系当墙后土体发生滑动时达到最大值,测得板上的土压力为Ep;土压力随挡板移动而变化的情况如图6-2 所示;2、土压力种类上述土压力试验表明,根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态,可将土压力分为以下三种;,可以将土压力分为以下三种情况;1 静止土压力 E;如图6-3a 所示,挡土墙在墙后填土的推力作用下,不发生任何方向的移动或转动时,墙后土体没有破坏,而处于弹性平衡状态,作用于墙背的水平压力称为静止土压力E;例如,地下室外墙在楼面和内隔墙的支撑作用下几乎无位移发生,作用在外墙面上的土压力即为静止土压力;2 主动土压力 E;如图6-3b 所示,挡土墙在填土压力作用下,向着背离土体方a向发生移动或转动时,墙后土体由于侧面所受限制的放松而有下滑的趋势,土体内潜在滑动面上的剪应力增加,使作用在墙背上的土压力逐渐减小;当挡土墙的移动或转动达到一定数值时,墙后土体达到主动极限平衡状态,此时作用在墙背土体主动推墙;上的土压力,称为主动土压力Ea图6-3 土压力的类型3被动土压力 Ep;如图6-3c 所示,当挡土墙在较大的外力作用下,向着土体的方向移动或转动时,墙后土体由于受到挤压,有向上滑动的趋势,土体内潜在滑动面上的剪应力反向增加,使作用在墙背上的土压力逐渐增大;当挡土墙的移动或转动达到一定数值时,墙后土体达到被动极限平衡状态,此时作用在墙背上的土压力,称为被动土压力Ep土体被动地被墙推移;静止土压力的计算主要应用弹性理论的方法；主动土压力和被动土压力的计算主要应用朗肯土压力理论和库仑土压力理论以及由此发展起来的一些近似方法及图解法;试验研究表明,在相同条件下,主动土压力小于静止土压力,而静止土压力又小于被动土压力,即： Ea <Eo< Ep;二、影响土压力的因素1、挡土墙的位移;挡土墙的位移或转动方向和位移量的大小,是影响土压力大小的最主要因素;墙体位移的方向不同,土压力的性质就不同；墙体方向和位移量大小决定着所产生的土压力的大小;其它条件完全相同,仅仅挡土墙的移动方向相反,土压力的数值相差可达20 倍左右;2、挡土墙类型;挡土墙的剖面形状,包括墙背为数值还是倾斜、光滑还是粗糙,都关系采用何种土压力计算理论公式和计算结果;如果挡土墙的材料采用素混凝土或钢筋混凝土,可认为墙背表面光滑,不计摩擦力；若是砌石挡土墙,则必须计入摩擦力,因而土压力的大小和方向都不相同;3、填土的性质;挡土墙后填土的性质,包括填土松密程度即重度、干湿程度即含水率、土的强度指标内摩擦角和粘聚力的大小,以及填土表面的形状水平、上斜或下斜等,都将会影响土压力的大小;任务二土方边坡与稳定在工程建设中常会遇到土坡稳定性问题,如道路路堤,基坑的放坡开挖和山体边坡等;边坡由于丧失稳定性而滑动,称为“滑坡”; 如果施工中处理不当,一旦发生滑坡将会造成严重的工程事故,不仅影响工程进度,甚至威及生命安全和工程存亡,应该引起重视;因此应正确认识土方边坡与稳定方面的相关知识,积极采取必要时的工程措施;一、土方边坡土坡就是具有倾斜表面的土体;由于地质作用自然形成的土坡,如山坡、江河的岸坡等称为天然土坡;经过人工开挖,填土工程建造物如基坑、渠道、土坡、路堤等的边坡,通常称为人工土坡;土坡的外形和各部分名称,如图6-35 所示;在土体自重和外力作用下,坡体内将产生切应力,当切应力大于土的抗图6-35 土坡的各部分名称剪强度时,即产生剪切破坏,如靠坡面处剪切破坏面积很大,则将产生一部分土体相对另一部分土体滑动的现象,称为滑坡或塌方;为保证施工时土体的稳定,防止塌方,保证施工安全,当挖土超过一定的深度时,深度不宜超过下列规定：密实、中密的砂土和碎石类土——；硬塑、可塑的粉土及粉质粘土——；硬塑、可塑的粘土和碎石类土填充物为粘性土—；坚硬的粘土—;当地质条件良好,土质均匀且地下水位低于基坑槽或管沟底标高时,挖土深度在5m以内不加支撑的边坡最陡坡度应符合表1-3规定,即使按规定放坡,施工中也要随时检查边坡的稳定情况;表1—3注：1、静载指堆土或材料等,动载指机械挖土或汽车运输作业等;静载或动载距挖方边缘的距离应保证边坡直立壁的稳定,堆土或材料应距挖方边缘以外,高度不超过;2、当有成熟的施工经验时,可不受本表限制;二、影响土方边坡稳定的因素土方边坡稳定在工程上具有很重要的意义,特别要注意外界不利因素对土坡稳定的影响;影响土方边坡稳定主要有以下因素：1土坡坡度;土坡坡度有两种表示方法：一种以高度和水平尺度之比来表示；另一种以坡角θ的大小来表示;坡角θ越小则土坡越稳定,但不经济；坡角θ越大则土坡越经济,但不安全;2土坡高度;土坡高度H 是指坡脚到坡顶之间的铅直距离;试验研究表面,对于粘性土坡,其他条件相同时,坡高越小,土坡越稳定;3土的性质;土的性质越好,土坡越稳定;例如,土的抗剪强度指标：粘聚力C 、内摩擦角Φ值大的土坡比C、Φ值小的土坡稳定;有时由于地震等原因,使Φ降低或产生孔隙水压力,可能使原来稳定的边坡失稳滑动,地下水位上升,对土坡不利; 4气象条件;若天气晴朗,土坡处于干燥状态,土的强度高,土坡的稳定性就好;若在雨季,尤其是连续大暴雨,大量的雨水入渗,使土的强度降低,可能导致土坡滑动;5地下水的渗透;当土坡中存在与滑动方向一致的渗透力时,对土坡稳定不利;例如,水库土坝下游土坡可能发生这种情况;6震动荷载;震动荷载,如地震、工程爆破、车辆震动等,会产生附加的震动荷载,降低土坡的稳定性;震动荷载还可能使土体中的孔隙水压力升高,降低土体的抗剪强度;震动能量愈大则愈威险;7人类活动和生态环境;人类活动和生态环境,将对土坡的稳定性产生影响;例如,经过漫长时间形成的天然土坡原本是稳定的,如在土坡上建造房屋,增加了坡上荷载,有可能引起土坡的滑动；如在坡脚建房,为增加平地面积,往往将坡脚的缓坡削平,则土坡更容易失稳发生滑动;三、土坡滑动失稳的理论分析从影响土方边坡稳定的因素来看,土坡滑动失稳的原因一般有以下两类情况：l外界力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态;如基坑的开挖,由于地基内自身重力发生变化,改变了土体原来的应力平衡状态；又如路堤的填筑、土坡顶面上作用外荷载、土体内水的渗流、地震力的作用等也都会破坏土体内原有的应力平衡状态,导致土坡坍塌;2土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低,促使土坡失稳破坏;如外界气候等自然条件的变化,使土时干时湿、收缩膨胀、冻结、融化等,从而使土变松,强度降低；土坡内因雨水的浸入使土湿化,强度降低；土坡附近因打桩、爆破或地震力的作用将引起土的液化或触变,使土的强度降低;四、施工中边坡失稳的原因与措施根据工程实践调查分析,造成边坡塌方的主要原因有以下几点：1、未按规定放坡土体本身稳定性不够而产生塌方；2、基坑上边缘附近堆物过重,使土体中产生的剪应力超过土体的抗剪强度；3、地面水及地下水渗入边坡土体,使土体的自重增大,抗剪能力降低,从而产生塌方;因此,防止边坡塌方的主要措施有：1、放足边坡：边坡的留置应合乎规范的要求,其坡度大小,则应根据土壤的性质、水文地质条件、施工方法、开挖深度、工期的长短等因素而定;施工时应随时观察土壁变化情况;2、在边坡上堆土方或材料以及使用施工机械时,应保持与边坡边缘有一定安全距离;当土质良好时,堆土或材料应距挖方边缘以外,高度不应超过;在软土地区开挖时,应随挖随运,以防由于地面加荷引起的边坡塌方;3、作好排水工作,防止地表水、施工用水和生活废水浸入边坡土体,在雨期施工时,应更加注意检查边坡的稳定性,必要时加设支撑;当基坑开挖完后,可采用塑料薄膜覆盖,水泥砂浆抹面、挂网抹面或喷浆等方法进行边坡坡面防护,可有效防止边坡失稳;在土方开挖过程中,应随时观察边坡土体,当出现如裂缝、滑动等失稳迹象时,应暂停施工,必要时将施工人员和机械撤出至安全地点;同时,应设置观察点,并对土体平面位移和沉降变化作好记录,随后与设计单位联系,研究相应的措施,如排水、支档、减重反压和护坡等方法进行综合治理;有些情况下,也可采用通风疏干、电渗排水,爆破灌浆,化学加固等方法,改善滑动带岩土的性质,以稳定边坡;五、边坡稳定分析简介地基稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算.最危险的滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求:MR/MS≥式中MS---滑动力矩;MR---抗滑力矩.当边坡坡角大于45°,坡高大于8m时,尚应按式MR/MS≥验算坡体稳定性;在建设场区内,由于施工或其他因素的影响有可能形成滑坡的地段,必须采取可靠的预防措施,防止产生滑坡;对具有发展趋势并威胁建筑物安全使用的滑坡,应及早整治,防止滑坡继续发展;必须根据工程地质、水文地质条件以及施工影响等因素,认真分析滑坡可能发生或发展的主要原因,可采取下列防治滑坡的处理措施：1.排水：应设置排水沟以防止地面水浸入滑坡地段,必要时尚应采取防渗措施;在地下水影响较大的情况下,应根据地质条件,做好地下排水工程；2.支挡：根据滑坡推力的大小、方向及作用点,可选用重力式抗滑挡墙、阻滑桩及其他抗滑结构;抗滑挡墙的基底及阻滑桩的桩端应埋置于滑动面以下的稳定土岩层中;必要时,应验算墙顶以上的土岩体从墙顶滑出的可能性；3.卸载：在保证卸载区上方及两侧岩土稳定的情况下,可在滑体主动区卸载,但不得在滑体被动区卸载；4.反压：在滑体的阻滑区段增加竖向荷载以提高滑体的阻滑安全系数;四、土坡稳定分析的几个问题1. 关于挖方边坡和天然边坡人工挖出和天然存在的土坡是在天然地层中形成的,但与人工填筑土坡相比有独特之处;对均质挖方土坡和天然土坡稳定性分析,与人工填筑土坡相比,求得的安全系数比较符合实测结果,但对于超固结裂隙粘土,算得的安全系数虽远大于1,表面上看来已稳定,实际上都已破坏,这是由超固结粘土的特性决定的;随着剪切变形的增加,抗剪强度增大到峰值强度,随后降至残余值,特别是粘聚力下降较大,甚至接近于零,这些特性对土坡稳定性有很大影响;2. 关于圆弧滑动法该法把滑动面简单地当做圆弧,并认为滑动土体是刚性的,没有考虑分条之间的推力,或只考虑分条间水平推力毕肖普公式,故计算结果不能完全符合实际,但由于计算概念明确,且能分析复杂条件下土坡稳定性,所以在各国实践中普遍使用;由均质粘土组成的土坡,该方法可使用,但由非均质粘土组成的土坡,如坝基下存在软弱夹层或土石坝等,其滑动面形状发生很大变化,应根据具体情况,采用非圆弧法进行计算比较;不论用哪一种方法．都必须考虑渗流的作用;3. 土的抗剪强度指标选用问题选用的土抗剪强度指标是否合理,对土坡稳定性分析结果有密切关系;应结合边坡实际加荷情况,填料性质和排水条件等,合理选用土的抗剪强度指标;4. 安全系数选用问题从理论上讲,处于极限平衡状态的土坡,其安全系数K＝1,所以：若设计土坡时的K>1,就应满足稳定要求;但实际工程中,有些土坡安全系数K>1,还是发生了滑动；而有些土坡安全系数K＜1,却是稳定的;这是因为影响安全系数的因素很多,如抗剪强度指标的选用、计算方法的选择、计算条件的选择等;目前对土坡稳定容许安全系数的数值,各部门尚无统一标准,选用时要注意计算方法、强度指标和容许安全系数必须相互配合,并要根据工程不同情况,结合当地已有经验加以确定; 5. 成层土土坡或地表面有堆载等复杂情况下土坡稳定性分析当土坡滑动体由两层或更多土层组成时,滑动面往往贯穿多个土层;土坡稳定性分析时,土体自重的应该根据滑动体的具体组成,采用相应的重度计算；抗剪强度也应该依据实际情况分段采用相应的抗剪强度指标计算;当地表面有堆载时,按划分后的土条,将堆载分摊到相应的土条顶面;土坡稳定性分析时,将堆载作为竖直向的力,计入相应的平衡方程;6．土坡稳定的允许高度建筑地基基础设计规范GB50007-2002 规定：边坡的坡度允许值,应根据当地经验,参照同类土层稳定坡度确定,当土质良好且均允匀,可按表6-6 确定;表6-6土质边坡的坡度允许值土坡失稳是土体内部应力状态发生显著改变的结果,土坡稳定性分析的实质就是土的抗剪强度问题的实际应用;影响土坡稳定的因素很多,如抗剪强度指标的选用、计算方法的选择、计算条件的选择等;目前对土坡稳定容许安全系数的数值,各部门尚无统一标准,选用时要注意计算方法、强度指标和容许安全系数必须相互配合,并根据工程情况,结合当地经验确定;任务三基坑支护结构的类型及选型原则城市高层建筑的迅速发展,地下停车场、人防工程、地铁等工程都需要深基坑开挖,加上基坑周围通常存在交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物,无疑增加了基坑开挖的难度;而要保护基坑及其周边建、构筑物的安全使用,支护结构的合理选择是关键;我们知道,一般的基坑支护大多是临时结构、投资太大也易造成浪费,但支护结构不安全又势必会造成工程事故;因此,如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容;以下简单介绍当前基坑工程中常见的支护结构类型及不同地基土条件下的基坑工程支护结构选型原则;一、基坑支护的类型及其特点和适用范围1、放坡开挖放坡开挖是根据基坑具体施工条件和不同土质的要求放足边坡进行土方开挖;适用于周围场地开阔,周围无重要建筑物的情况;其要求边坡土体稳定,位移控制严格,由于不需支挡材料,经济性好,但回填土方较大;2、排桩支护由于其对各种地质条件的适应性、施工简单易操作且设备投入一般不是很大,在我国排桩式支护是应用较多的一种;排桩通常多用于坑深7～15m的基坑二程,做成排桩挡墙,顶部浇筑砼圈梁,它具有刚度较大、抗弯能力强、变形相对较小,施工时无振动、噪音小,无挤土现象,对周围环境影响小等特点;当工程桩也为灌注桩时,可以同步施工,从而有利于施工组织、工期短;当开挖影响深度内地下水位高且存在强透水层时,需采用隔水措施或降水措施;当开挖深度较大或对边坡变形要求严格时,需结合锚拉系统或支撑系统使用;排桩支护一般造价较高;3、深层搅拌水泥土围护墙深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙;水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性;水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境;4、高压旋喷桩高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆,它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体,相互搭接形成排桩,用来挡土和止水;高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩,但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少,并且施工机具的振动很小,噪音也较低,不会对周围建筑物带来振动的影响和产生噪音等公害,它可用于空间较小处,但施工中有大量泥浆排出,容易引起污染;对于地下水流速过大的地层,无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质,由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固,均不宜采用该法;5、钢板桩钢板桩有平板形和波浪形两种,采用带锁口或钳口的热轧型钢,依靠锁口或钳口相互咬合连接,形成钢板桩支护钢板桩之间通过锁口互相连接,形成一道连续的挡墙, 同时也具有较好的隔水能力;钢板桩截面积小,易于打入;U形、z形等波浪式钢板桩截面抗弯能力较好;钢板桩在基础施工完毕后还可拔出重复使用;钢板桩支护适于软弱场地地基和地下水位高且水量丰富的地区,具有强度高、阻水、施工简便、快捷等特点,悬臂时以H≤4m为宜;缺点一是一次投入钢材多；二是不能完全挡水和对土中的细小颗粒阻挡效果不佳,在地下水位高的地区还需采取隔水或降水措施；三是抗弯能力较弱,支护刚度小,开挖后变形较大;因此基坑深度4m时,通常在桩顶部设置一道支撑或锚拉;施工工艺简单但对设备要求较高,在同等条件下一般比其他支护形式工期短,造价相对较高;目前,也有用由槽钢正反扣搭接或并排组成的一种简易钢板桩围护墙;槽钢长6～8m ,型号由计算确定;其特点为:槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒,在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施;抗弯能力较弱,多用于深度≤4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大;6、钢筋混凝土板桩钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点,曾在基坑中广泛应用,但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法,振动与噪音大,同时沉桩过程中挤土也较为严重,在城市工程中受到一定限制;此外,其制作一般在工厂预制,再运至工地,成本较灌注桩等略高;但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计,目前已可制作厚度较大如厚度达500mm 以上的板桩,并有液压静力沉桩设备,故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式;7、钻孔灌注桩钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种,在我国得到广泛的应用;其多用于坑深7～15m 的基坑工程,在我国北方土质较好地区已有8～9m 的臂桩围护墙;钻孔灌注桩支护墙体的特点有:施工时无振动、无噪音等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小;墙身强度高,刚度大,支护稳定性好,变形小;当工程桩也为灌注桩时,可以同步施工,从而施工有利于组织、方便、工期短;桩间缝隙易造成水土流失,特别时在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;适用于软粘土质和砂土地区,但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用;桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体,因而相对整体性较差,当在重要地区,特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重;8、地下连续墙通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm,也有厚达1200mm的,但较少使用;地下室连续墙作为基坑支护结构,墙体刚度大,集挡土、截水、防渗和承重于一体,是支护结构中最强的支护型式;适用于地质条件差和复杂,基坑深度大,周边环境要求较高的基坑;地下连续墙可作为地下室墙体的组成部分,对于开挖量大、基坑深的工程更显出独特的优越性,是一种很有前途的基坑支护方式,但需专用机具设备,机械化程度比较高,它的采用宜与内衬结合后做为地下室外墙使用,从而降低支护结构的成本;地下连续墙的优越性早巳为世界公认,在大深度基坑和复杂的工程环境下非它莫属;唯其造价较高,施工要求专用设备,。
