地下建筑结构-第十讲-深基坑支护工程

1、深基坑支护工程的基本知识 第十讲第十讲概 论1、概论 1.1 基坑围护体系的作用与要求： 1.1.1 作用： 为基坑工程土方开挖和地下室施工创造必要的作业条件：挡土、阻水。 1.1.2 要求：1) 保证基坑四周边坡的稳定性；2) 保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线在基坑工程施工期间不受损害；3) 保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。 基坑工程特点1.2 基坑工程特点基坑工程特点: : 1) 基坑围护体系是临时结构，不应有过大的安全储备，因此具有风险性。 2) 基坑工程具有很强的地区性：地质、水文地质条件的不同，土性指标的差异，自然条件的差别（如降雨）都影响到基坑的设计； 3) 基坑工程

2、具有很强的个性：除地区条件的不同外，与基坑相邻的建筑物、构筑物及地下管线的位置，重要性，抗变形的能力，基坑的深度，场地边界条件的制约等都影响到基坑支护体系的设计，使得每个基坑都需作出专门设计； 4) 基坑工程的设计与施工紧密相连，土方开挖的施工组织是否合理将对围护体系是否成功产生重要影响；放坡开挖 5) 基坑工程具有很强的时空效应。软粘土具有蠕变性，蠕变性将使土体强度降低，作用在围护结构上的土压力随时间变大。1.3 围护结构形式及适用范围 1.3.1 放坡开挖 图1.3-1放坡开挖需满足的条件：坡面自立性和边坡整体稳定性；适用条件：杂填土厚或土质相对较好，开挖深度不大（一般34米），场地较宽阔

3、；优点：一般费用较低；缺点：占用场地，挖土及回填量大；辅助措施：坡脚堆草袋挡土或用木桩加固。 图1.3-2 草袋装土或图1.3-3 短桩隔板围护干砌块石简易挡土悬臂式围护结构适用条件：对开挖深度敏感，开挖深度不宜超过4米，个别情况需达到6米时要采用门架式结构；优点：便于挖土；缺点：桩入土深度大，桩身弯距大，增加造价；土体位移大，对相邻建筑产生不良影响。 1.3.2 悬臂式围护结构 依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构安全，由钻孔灌注桩、沉管灌注桩、预制桩或钢板桩组成桩排挡墙。 图1.3-4 悬臂式围护结构示意图水泥土重力式围护结构适用条件：挖土深度不超过6米的软土基坑，场地条

4、件允许时，对有机物含量很高的土要慎用或采取专门措施。优点：坑内无支撑便于挖土，隔水性能好。缺点：位移量较大，养护期较长，杂填土厚度大且含大块石时施工困难。 1.3.3 水泥土重力式围护结构 图1.3-5 水泥土重力式围护结构示意图内撑式围护结构1.3.4 内撑式围护结构 内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑，分别如图1.3-6（a）（b）及（d）所示。(a)(b)(c)(d)图 1.3-6 内撑式围护结构示意图 当基坑平面面积很大，而

5、开挖深度不太大时，可采用单层斜支撑如图1.3-6（c）所示。 内撑式围护结构 内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管（或型钢）支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收，且加预压力方便。 内撑式围护结构适用范围广，可适用各种土层和基坑深度。p 优点：安全度较大，已具有丰富经验。p 缺点：内支撑给基坑挖土带来不便。 如基坑平面形状成近似正方形可采用拱圈作支撑，但需注意土压力的平衡。 拉锚式围护结构1.3.5 拉锚式围护结构 拉锚式围护结构由围护体系和锚固体系两部分组成，围护结构体系同于内撑式围护结构。 锚固体系: 锚杆式（单层、二层、多层）需地基土提供较大锚固力；

6、 地面拉锚式需有足够场地设置锚固物； 图 1.3-7 拉锚式围护结构示意图(b)(a)地面拉锚式双层锚杆式土钉墙围护结构1.3.6 土钉墙围护结构 土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入或射入方式设置土钉。边开挖基坑，边在土坡中设置土钉，在坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙围护结构。土钉墙围护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。土钉墙围护结构示意图如图1.3-8所示。图 1.3-8 土钉墙围护示意图门架式围护结构图 1.3-9 门架式围护结构示意图平面(a)剖面(b) 门架式围护结构属悬臂型，其变形

7、较大。门架式围护结构适用于开挖深度已超过悬臂式围护结构的合理围护深度的基坑工程。 1） 门架式围护结构 门架式围护结构示意图如1.3-9所示。目前在工程中常用钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和联系梁形成空间门架式围护结构体系。它的围护深度比悬臂式围护结构深。研究表明：前后排桩桩距B小于4d（d为桩径）时，刚架空间效应差；B8d时，联系梁只起拉杆作用，刚架空间效应也差。门架式围护结构2）沉井围护结构 采用沉井结构形成围护体系。3）SMW工法柱列式挡墙 将支承荷载与防渗结合起来，使之同时具有承力与防渗两种功能的支护形式，即是劲性水泥搅拌桩法，日本称为SMW工法，即在水泥土搅拌桩内插入H型钢或者其他种类的受

8、拉材料，形成承力和防水的复合结构（图1.3-10）。 通常认为：水土侧压力全部 由型钢单独承担；水泥土桩的作用在于抗渗止水。试验表明，水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的刚度，可起到减少位移的作用。此外，水泥土起到套箍作用，可以防止型钢失稳，对H型钢还可以防止翼缘失稳，这样可使翼缘厚度减小到很薄。图 1.3-10 劲性桩示意图 止水降水措施1.4 止水降水措施 对于渗透性很小的地基（如宁波许多工程中遇到的情况，k10-7cm/s），往往既不降低地下水也不设置止水帷幕，在基坑开挖过程中产生的少量积水采用明沟排水处理。在以下情况下需采取止水措施：1）杂填土厚度大，透水性强，地下水可能流入基坑时；2）

9、基坑临近河流特别是河道变迁不清时，需在围护桩排后设水泥搅拌桩止水帷幕；3）基坑深度大，紧靠基坑有需保护的浅基础建筑物时； 对于承压水应注意对排桩施工的影响及防止突涌问题。 基坑工程事故类型 基坑工程 事 故围护结构变形过大造成周围建筑物及地下管线破坏事故 围护体系 破 坏墙体折断整体失稳基坑隆起踢脚破坏流土破坏锚撑失稳1.5 1.5 基坑工程事故类型基坑工程事故类型 基坑工程事故类型墙体折短破坏(a)整体失稳破坏(b)基坑隆起破坏(c)(d)踢脚失稳破坏流土破坏(e)支撑体系失稳破坏(f)图 1.5-1 围护体系破坏基本形式基坑工程设计要点1.6 基坑工程设计要点 1.6.1 基坑工程的安全等

10、级 基坑工程的安全等级涉及工程安全及工程造价，合理确定一个工程的安全等级很重要但也比较困难。 基坑工程根据其重要性分为三个安全等级： 基坑工程设计要点 基坑工程根据其重要性分为三个安全等级： 1、符合下列条件之一时，属一级基坑工程： 1）软土地区基坑开挖大于8m时； 2）支护结构作为主体结构的一部分时； 3）在基坑开挖影响范围内有重要建（构）筑物或需严加保护 的管线时。2、开挖深度小于5m，且周围环境无特别要求时，属三级基坑工程；3、除一级和三级以外的均属二级基坑工程；4、对应于基坑工程安全等级的重要性系数为： 一级，0=1.1； 二级，0 =1.0； 三级，0 =0.9。 基坑工程设计要点

11、国家行业规范建筑基坑支护技术规程（JGJ12099）的规定：基坑侧壁安全等记及重要性系数 注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。 这本规范只考虑破坏后果，对基坑深度未作规定。 基坑工程设计要点 上海市标准基坑工程设计规程（DBJ08-16-97） 基坑工程根据其重要性分为以下三级：一级：1）支护结构作为主体结构的一部分时； 2）基坑开挖深度大于、等于10米时； 3）距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建 筑物，重要管线等需严加保护时；二级：除一级和三级以外的均属二级基坑工程；三级：开挖深度小于7米，且周围环境无特别要求时； 对于抗隆起，抗倾覆等稳定性验算，按不同

12、等级的坑基规定了不同的安全系数。 每个工程应根据自己的具体情况，侧重于破坏产生的后果，综合各种因素决定重要性等级及0取值。 设计原则围护体系设计要坚持安全、经济、方便施工的原则。1) 安全：不产生1.5中所列各种围护体系的破坏；邻近基坑的需保护的建筑物不致因基坑变形导致结构性破坏或改变其正常使用状况；并不致改变房屋危险性鉴定等级；不造成邻近管线的破坏；不危及工程桩的承载性能。2) 经济：在保证安全的前提下，经过多方案对比，使单位延米的造价降至最低。3) 方便施工：缩短工期既产生直接的经济效益，又对确保基坑的安全有利。 1.6.2 设计原则设计内容 1)1) 确定设计参数 a) 确定开挖深度：根

13、据基坑边承台密度确定以底板、地梁或承台底（均含垫层）为坑底设计标高。 b) 确定土性指标（、c、）取值，对勘测报告中提供的平均值，标准值或建议值进行分析，结合本地区经验及工程桩、维护桩对土体的破坏程度，选择设计指标。 c) 根据地质剖面的变化和基坑深度的变化以及地面荷载的不同，划分计算区段。 2)2) 选择支护结构类型 1.6.3 设计内容 设计内容抗倾覆验算抗隆起验算整体稳定验算抗滑移验算（重力式挡墙）桩身内力计算内支撑轴力计算支护桩及坑底位移计算起控制作用的指标: 3)3) 运用已有成熟应用经验的软件进行支护结构计划，包括：悬臂结构 抗倾覆 单支撑支护结构 嵌固深度，用等值梁法确定多支点支

14、护结构 整体稳定地下水位高的砂土地基 抗渗透性稳定 设计内容对土方工程施工的要求；监测内容和监测点布设，提出报警指标；应急措施；造价估算； 支护结构的侧压力2.1 基坑支护结构承受的侧向压力包括土压力、水压力、基坑周围 建筑物及施工荷载引起的侧向压力2.2 土压力应根据土体经受的侧向变形条件来确定。包括静止土压力、主动土压力、被动土压力。 2、支护结构的侧压力 支护结构的侧压力PaBABAPp外 力CpPP0Pa墙 向 后 移墙 向 前 移位 移土 压 力图 2.2-1k0 静止土压力 k0 = 1sin 土的有效内摩擦角达到主动极限平衡状态 位移小 15 墙高达到被动极限平衡状态 位移大 4

15、% 墙高主动和被动土压力计算 2.3 按朗肯土压力理论计算主动和被动土压力 主动与被动土压力h112h3h232c ka图 2.3-1水压力 水土合算：对淤泥、淤泥质土可采用水土合算方法计算出土压力，不单独计算水压力，采用饱和重度。宁波多采用此种算法。 对砂类土应采用水土分算。取有效重度（即饱和重度-1），另加水压力，土的指标取有效应力指标。 2.4 水压力 抗剪强度指标 直剪 三轴剪 固结块剪 cq 固结不排水剪 cu 快剪 q 不固结不排水剪 uu 慢剪 s 固结排水剪 d 快剪、固结块剪、慢剪均与剪切过程中的排水有关。 基坑支护设计值一般均取固快（直剪）或固结不排水剪指标（三轴）。固快取

16、峰值，（试验室一般按峰值提出。） 2.5 土压力计算中抗剪强度指标的取值 基坑工程勘察u一般均包含在主体建筑地基勘察中，不能满足时需补勘。u勘察范围：一般取基坑边线外相当于基坑深度1.02.0倍的范围。作出沿坑边的地质剖面。u勘探点间距：一般1030米，当地层水平方向上变化大时，应加点。u勘探点深度：不少于基坑深度的2.53.0倍。一般均应查明良好桩端持力层的深度。u取土试料：应保证在计算深度内每层土都可取得六件以上的物性及 抗剪强度指标（薄层除外）。u提供土的渗透指标。u查清地下水种类、深度，对于承压水要查清隔水层深度，厚度及压力水头。u对有机物含量高的土应提供有机质含量值为水泥搅料桩挡墙的

17、适宜 性提供依据。 3、基坑工程勘察 基坑工程支护设计提交内容方案设计说明工程概况工程地质条件基坑围护方案基坑排水基坑施工及开挖要求基坑监测应急措施经济技术分析 4、基坑工程支护设计应提交的图纸和说明 4.1 文字说明，包括：基坑工程支护设计提交内容周边环境及基坑计算分区图基坑支护总平面图支撑平面布置图基坑桩位平面布置图支护桩、环梁、支撑换撑详图节点详图坑中坑支护设计图 4.2 图纸 4.3 计算书及计算成果汇总表;4.4 支撑弯矩图，轴力图;4.5 地质剖面及土工试验资料。 基坑围护方案选型 按经济性递增排序的围护形式：自然放坡草包叠袋纯土钉墙（松木桩复合土钉墙）分级放坡+搅拌桩重力式挡墙搅

18、拌桩复合土钉墙拉森钢板桩钢支撑沉管灌注桩+内支撑（拉锚）管桩+内支撑（拉锚）钻孔灌注桩+内支撑（拉锚）排桩悬臂结构。 按施工工期递增排序的围护形式：自然放坡草包叠袋拉森钢板桩钢支撑纯土钉墙（松木桩复合土钉墙）以预制桩（包括松木桩）作为围护桩的排桩体系放坡+搅拌桩重力式挡墙搅拌桩复合土钉墙以沉管灌注桩和管桩作为围护桩的排桩体系以钻孔灌注桩作为围护桩的排桩体系。基坑围护方案选型之自然放坡 适用范围：适用范围：基坑计算开挖深度一般不超过3.5m（基坑计算开挖深度超过2m一般采用两级放坡），地表杂填土和硬壳层较厚，基坑周边场地开阔，有一定或较大的放坡条件，周边环境或自身工程桩对基坑围护变形要求不高。

19、优缺点：优缺点：这是所有围护方式中最经济的一种方案，是首选方案。该围护的优点是造价最便宜，施工进度最快；缺点是变形不易控制 ，容易发生滑坡现象。基坑围护方案选型之草包叠袋 适用范围：一般基坑计算开挖深度不超过适用范围：一般基坑计算开挖深度不超过4.0m，基坑周，基坑周边场地开阔，有一定或较大的放坡条件，周边环境或工程边场地开阔，有一定或较大的放坡条件，周边环境或工程桩对基坑围护变形要求不高。桩对基坑围护变形要求不高。 优缺点：该围护方式优点是造价便宜，因没有需养护的围优缺点：该围护方式优点是造价便宜，因没有需养护的围护桩，施工进度快；缺点是基坑围护变形较难控制。护桩，施工进度快；缺点是基坑围护

20、变形较难控制。 基坑围护方案选型之纯土钉墙 适用范围：一般基坑计算开挖深度不超过适用范围：一般基坑计算开挖深度不超过4.0m，开挖范，开挖范围内和坑底附近土性相对较好（含水量不大于围内和坑底附近土性相对较好（含水量不大于50），基），基坑周边场地比较开阔，有一定或较大的放坡条件，周边环坑周边场地比较开阔，有一定或较大的放坡条件，周边环境或工程桩对基坑围护变形要求不高。境或工程桩对基坑围护变形要求不高。 优缺点：该围护优点是造价比较便宜，土钉养护期较短，优缺点：该围护优点是造价比较便宜，土钉养护期较短，因此施工进度较快；缺点是基坑变形较大，容易发生整体因此施工进度较快；缺点是基坑变形较大，容易发

21、生整体稳定性问题。稳定性问题。 基坑围护方案选型之分级放坡+搅拌桩重力式挡墙 适用范围：适用范围：基坑计算开挖深度一般不超过6.0m，基坑周边场地比较开阔，有一定的放坡条件。放坡的台宽根据场地放坡条件和计算确定，该方案根据放坡级数分为单级放坡和多级放坡。 优缺点：优缺点：该方案在舟山、宁波地区有较成熟的施工经验，挖土施工方便，止水性能好，大面积卸土后基坑围护变形也能得到有效控制，没有支撑体系，施工速度快；它的缺点是基坑四周要有一定的放坡范围，土方开挖及回填量较大，大面积放坡后给施工单位带来很多不便。另外水泥搅拌桩施工质量不易控制给围护体系带来不少风险。基坑围护方案选型之复合土钉墙 适用范围：适

22、用范围：一般基坑计算开挖深度不超过6.0m，开挖范围内和坑底附近土性很差的淤泥慎用，基坑周边场地比较开阔，有一定或较大的放坡条件，周边环境或工程桩对基坑围护变形要求不高。采用水泥搅拌桩加固坑底主要目的是增加坑底地基土承载力、切断滑弧面防止纯土钉墙方案经常出现的整体失稳问题。 优缺点：优缺点：它的优缺点与分级放坡水泥搅拌桩方案类似，与后者相比它对基坑四周放坡条件限制更低，但它有超越红线和穿越工程桩的问题，对超越红线要求严格地区和附近工程桩密度较高的部位应严格控制土钉长度。基坑围护方案选型之拉森钢板桩钢支撑 适用范围：适用范围：基坑计算开挖深度一般在4.0m7.0m多之间，基坑形状呈有利于支撑设置

23、的狭长形。一般这种围护形式用在市政工程中：过街地道、共同沟、管沟等部位。 优缺点优缺点：由于拉森钢板桩不需要养护，在支撑体系形成后马上可以挖土，因此它的工期较短，可用于抢工期的工程中。缺点是由于受型钢截面尺寸影响，支撑跨度不能做得很大，导致支撑密度过高，不利土方开挖和结构施工。基坑围护方案选型之沉管灌注桩+内支撑 适用范围：适用范围：基坑计算开挖深度一般在47.0m之间，基坑周边场地一般不是很开阔，周边环境对沉管灌注桩的挤土效应反应不是很敏感。沉管灌注桩的桩径可选用426、500或530。 优缺点优缺点：有支撑围护的优点是基坑变形较小，缺点是工序多、挖土麻烦、工期较长。与钻孔灌注桩+支撑相比，该围护形式造价便宜，施工速度较快；但沉管灌注桩的垂直度控制以及挤土效应造成的桩间距难以控制，从而造成桩间漏水、漏土现象严重，对周边的建筑物、道路、管线等产生不利的影响，而且沉管灌注桩的桩径较小，本身就是挤土桩，它的变形较钻孔灌注桩大。基坑围护方案选型之预应力砼管桩 +内支撑 适用