第1章绪论
1.1基坑工程的发展
我国自20世纪90年代以来兴建了大量的高层建筑、道路桥涵及地下管线等公共设施，另外，近年来我国许多大城市都在建设和规划建设地铁项目，相应地出现了大量的深基坑施工工程问题，如基坑开挖、支护、降水等，而且基坑规模和深度都在不断加大，随之出现了许多与深基坑开挖有关的新的岩土工程课题.尤其在建筑物密集的大城市闹市区、地下管线密集、交通要道等施工条件苛刻的区段，深大基坑的开挖、降水、支护体系的安全稳定性以及由此产生的城市环境岩土问题，如周围地表及地下管线沉降、周围建筑物倾斜开裂等，使地下结构的设计施工成为工程建设中的重点、难点和热点问题.目前，我国的工程技术人员在基坑的设计、计算、施工技术和监测手段等方面已经取得了长足的进步，获得了丰富的经验.进入21世纪后，随着计算机技术水平的不断进步、基坑测试技术的不断创新，基坑工程将会进入一个新的快速发展时期，特别是在基坑支护体系的稳定、变形以及考虑地下水作用等流、固耦合问题的研究将成为基坑工程新的发展方向.
基坑工程主要包括围护体系设计、施工、开挖.基坑支护体系的稳定和变形研究，主要包括下述几方面：围护体系的合理形式及适用范围、围护结构的设计及优化、围护结构的变形以及基坑开挖对周围环境的影响等.但是基坑工程往往具有很强的整体性和技术综合性，是一个复杂的系统工程，它涉及岩土、结构、力学、渗流以及水文地质和工程地质等众多学科，并要考虑土与结构的共同作用，它集稳定、变形、渗流以及时空效应、环境效应于一体.目前，深基坑围护结构设计理论虽然有了很大的发展，但仍存在诸多不足.如开挖过程的数字模拟、本构模型中参数的合理选取等还需进一步研究.在基坑整体稳定分析中，往往很少考虑承压水和渗透力，甚至考虑得不对，因此，需要更严密系统地考虑和处理问题.另一方面，基坑工程还表现出明显的区域性和个性，大多数情况下是临时工程，而有时却又是永久工程，因此，安全等级经常取用不合理.在控制基坑工程安全的主要因素方面，有的基坑工程由于土压力引起围护结构的稳定性丧失是主要矛盾，有的由于地下水渗流引起的水土流失破坏是主要矛盾，有的控制基坑周围地面变形量是主要矛盾等.目前土压力理论还很不完善，静止土压力一般按经验确定或按半经验公式计算，主动土压力和被动土压力按库仑(1776)土压力理论或朗肯(1857)土压力理论计算，这￠2￠挡土墙和基坑围护结构土压力理论研究与工程应用些都出现太沙基)有效应力原理问世之前.在考虑地下水对土压力的影响时，是采用水土压力分算，还是采用水土压力合算较为符合实际情况，在学术界和工程界认识还不一致.作用在围护结构上的土压力与挡土结构的位移有关，基坑围护结构承受的土压力一般是介于主动土压力和静止土压力之间或介于被动土压力和静止土压力之间.另外，土具有蠕变性，作用在围护结构上的土压力还与作用时间有关.因此强调基坑工程地域性和个性是很重要的.基坑围护结构的设计施工、开挖以及位移应力监测都要因地制宜，不同地区的工程经验可以借鉴，但是绝不能照抄照搬.
随着城市建设的发展，高层建筑建设项目已越来越多.相应地，产生了大量的深基坑工程，且规模和深度亦在不断加大.由于城市施工现场的限制，基坑施工往往不可能采用大放坡开挖施工，而是采用挡土支护下垂直开挖施工.影响基坑支护结构变形的因素有很多，目前还不能根据理论模型准确地计算其变形，因此，对基坑支护工程进行变形监测显得十分必要.只有及时提供准确的变形监测数据，才能保证设计人员正确地进行综合分析和修改施工方案，确保施工的安全和质量.
1.2基坑围护结构的类型
基坑的围护结构主要承受基坑开挖卸载所产生的土压力和水压力，并将此压力传递到支撑，是保证基坑在开挖到回填期间稳定的一种临时支挡结构.
1.围护结构类型
围护结构类型可以归纳为如下六种：
(1)板桩式围护结构.又可分为：钢板桩、钢管桩、钢筋混凝土板桩、主桩横挡板等.板桩式围护结构施工方便、工期短、造价低，很多还可以重复使用.但是它们止水性差，而且打桩时容易破坏土体的强度，引起土体发生移动，导致周围地表发生较大沉陷.
(2)柱列式围护结构.按照桩的施工方式不同，最广泛使用的是钻孔灌注桩和挖孔灌注桩两种，这是目前运用得比较多的两种围护形式.它的特点是施工噪声和振动小，桩体刚度大，可以就地浇筑施工，对周围环境的影响小.该工艺适合软弱土层使用，施工方便，造价低廉.不过它的整体性差，所以一般在围护桩的顶部加一道圈梁，不但可以增加围护结构的刚度，还可以增强围护桩之间的整体性.柱列式围护结构止水性比较差，在地下水位高的地方通常要加止水帷幕，一般用水泥土搅拌桩作止水帷幕.
(3)地下连续墙.地下连续墙是目前为止整体性最好的围护结构，它在设计理论和施工技术上都已经取得了很大的成就.地下连续墙具有以下优点：①可减少工第1章绪论￠3￠程施工时对环境的影响，施工时振动小，能够紧邻相近的建筑及地下管线施工，对沉降及变位较易控制;②墙的墙体刚度大，整体性好，因而结构和地基变形都很小，既可用于超深围护结构，也可用于主体结构.地下连续墙围护结构整体连续，加上现浇墙壁厚度一般不小于30cm，故耐久性好，抗渗透性能也很好;③可实行逆作法施工，有利于施工安全，并加快施工进度，降低造价.
但是地下连续墙也存在着很多的缺点：弃土多、废泥浆多，切处理难度较大，不但要增加工程费用，还会造成环境污染.开挖时遇到地下水位高的透水性土层时，护壁泥浆浓度急剧下降，容易引起槽壁坍塌.地下连续墙造价通常比其他围护结构高，因此，通常仅在工程安全性要求高、基坑很深或者软塑和流塑性的黏性土层中采用.
(4)自立式水泥土挡墙.主要分为：深层搅拌桩挡墙、高压旋喷桩挡墙.适合于开挖深度小于7m，对环境保护要求不高的软土地区的基坑工程.它的主要特点是：施工噪声低、振动低、止水性能较好、造价低.但由于围护结构抗折强度低，只适合于开挖比较浅的基坑.
(5)组合法.目前工程上用得比较多的是SMW工法.SMW工法是指在水泥土搅拌桩中加入工字形型钢，这样不但可以利用水泥土搅拌桩很好的抗渗性，而且由于加入了工字形型钢，使得围护结构的强度有了很大的提高.它的止水性能好，适合于各种土层，在一定方式下可以取代地下连续墙，且费用比连续墙低，是一种很有发展前途的围护形式.
(6)沉箱法.具有施工占地面积小、超挖量小、稳定性好等优点，可应用于工程用地与环境受到限制或埋深较大的地下构筑施工中.但是沉箱造价高.
2.支撑结构的类型和布置形式
当基坑开挖超过一定深度，单靠围护结构保持稳定变得困难，这时需要采用支撑结构来提高围护结构的稳定性.在软弱土层的深基坑工程中，支撑结构是承受围护结构所传递的土压力、水压力的结构体系.支撑结构体系包括围檩、支撑、立柱及其他附件.支撑按材料主要可分为现浇钢筋混凝土支撑、钢支撑和混合撑三类.
钢筋混凝土支撑布置形式灵活，无论直线还是曲线杆件现浇均无困难.整体性好、刚度大，有利于控制围护墙变形和保护周围环境.由于承载力大，所以支撑间距较远，便于机械下坑开挖.其缺点是不能重复使用，用后还必须拆除，如果采用爆破方式拆除会对周围环境产生一定影响.支撑的浇筑和养护时间相对较长，若组织不当造成养护时间不够时即受力，容易产生时间效应，对基坑稳定不利.
钢支撑多为H型钢或钢管，规格按计算确定.钢支撑自重轻，拆装方便且迅速，可减少围护墙因为无支撑暴露时间过长，土体蠕变而增大变形，即减少时间效应.钢支撑不用养护时间，还可施加预应力，且可根据围护墙变形的发展及时调整预应力值，以控制变形.钢支撑是工具式结构，可多次重复使用.因此，钢支撑优点￠4￠挡土墙和基坑围护结构土压力理论研究与工程应用显著，条件允许时宜优先选用.但其结点构造相对复杂，刚度不如混凝土支撑，多为直线杆件，无法适应曲线形支撑的需要.而且抗弯刚度小，易发生失稳破坏.
混合撑充分利用混凝土和钢材两种材料的特性，扬长避短.在实际工程中，结合基坑深度、基坑形状、周围环境保护要求和挖土方法，经比较后选用支撑.亦可在同一基坑中，既使用混凝土支撑(多在上部)，又使用钢支撑(多在下部)，各用其所长.
支撑结构不仅分类多样，平面布置形式也是多种多样的.主要的布置形式如表1-1所示.
1.3基坑围护结构设计方法
基坑工程设计与施工是岩土工程和基础工程中的一个传统课题，同时又是综合性岩土工程难题.既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，同时还涉及土与支护结构的共同作用问题.对这些问题的认识及对策研究，是随着土力学理论、测试技术、计算技术、施工机械及施工技术的发展而逐步完善的.
Terzaghi和Peck等早在20世纪40年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论原理一直沿用至今，但已有了许多改进和修正.Bjerrum和Eide在50年代给出了分析深基坑底板隆起的方法.60年代在奥斯陆和墨西哥城软黏土深基坑中，开始使用仪器进行监测，此后通过对大量实测资料的研究，提高了基坑稳定预测的准确性，并从20世纪70年代起，制定了相应的指导开挖的法规.我国自20世纪80年代末开始重视，至今深基坑工程技术已逐渐趋于成熟，地方和国家关于基坑工程的规范、规程已陆续编制并颁布实施，使基坑工程的设计与施工\有章可循，有法可依".深基坑工程在1998年被建设部列为今后推广的十项新技术的第一项.在基坑工程设计中，主要的研究内容为支护结构计算理论、变形理论、土压力理论，这三者相互联系、密不可分
.1.3.1支护结构计算理论
现有的基坑支护结构的内力变形计算的方法有很多，如等值梁法、连续介质有限元法以及弹性地基杆系有限元法等.等值梁法把围护结构简化为梁进行计算，这种简化显然不能准确计算围护结构的位移，是典型的强度控制设计方法，但由于其计算简单，所以在单支撑的基坑工程中仍然用到这一方法.随着计算机的普及，有限元法开始在基坑设计中得到广泛应用，有限元兼有广泛通用性和灵活性，可模拟复杂的施工过程，成为一种很有前途的基坑设计计算方法.但目前连续介质有限元法由于土的本构关系尚在发展中，缺乏真实反映土的应力{应变关系的本构模型，以及计算模型参数难以准确确定，也不能准确计算出支护结构及土体的位移.杆系有限元法作为一种计算方法具有概念清晰、计算简单、计算参数较少的特点，受到基坑工程设计人员的青睐，但现有的杆系有限元法的计算参数的取值因为众多复杂因素的影响尚没有较好的计算方法，取值多凭设计者本人的经验，因而计算结果与实际差别较大，计算结果不稳定且精度很低，不能满足对变形要求较严格的、大型复杂的基坑工程的设计的要求.总之，现有的基坑工程设计方法均从保护基坑工程的稳定出发，属于强度控制设计范畴.
在基坑支护设计中，确定了支护结构形式之后，选择正确的计算模型进行详细设计计算是至关重要的.基坑支护设计计算方法与基坑工程规模、挡土结构类型和性质、支撑形式等多种因素有关.表1-2列出了具有代表性的挡土结构内力分析方法.从表中可以看出，目前基坑支护设计计算方法大致可分为三类第一类是常规设计方法(极限分析法);第二类称为弹性抗力法;第三类是有限元法挡土墙和基坑围护结构土压力理论研究与工程应用
1.极限分析法
该法是最常用的方法，主要指极限平衡法，见表1-2.极限平衡法是当前我国工程界计算围护结构所受土压力的最常用方法.该方法不能够考虑结构的变形，国内采用较多的有等值梁法和静力平衡法
.静力平衡法适用于悬臂式或底端自由支承的单锚式挡土结构.当挡土结构的入土深度不太深时，亦即非嵌固的情况下，由于挡土结构后土压力的作用而形成极限平衡的单跨简支梁.等值梁法将在第4章中详细讨论.
常规设计方法的要点是：对悬臂式挡土墙选择一定的入土深度以满足整体稳定、抗隆起和抗渗要求的前提下，用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力(或对计算的土压力作某些经验修正).对重力式刚性挡墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性，安全系数沿用设计规范中对普通挡土墙的规定.计算柔性挡墙(悬臂式或有支锚结构)的内力，对墙身和支锚结构进行设计.这种方法对于普通挡土墙或开挖深度不深的钢板桩是比较合适的.但对深基坑，特别是软土中的深基
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