深基坑分步开挖对支护结构的影响

1、国家开放大学（中央电 大）开放教育土木工程 专业本科毕业论文深基坑分步开挖对支护结构的影响学校名称内蒙古电大XXX教学点 TOC o 1-5 h z 指导教师 薛 梅.姓名吴章权.学号1515001262051.专 业土木工程.教育层次 本 科.入学时间 2015年09月01日 .论文提纲一、常见的深基坑支护体系基坑支护结构主要承受侧向土压力、水压力、地面超载、周边建筑物基 地压力等引起的附加压力，同时还需具备一定的抗渗能力。深基坑工程的支护 结构大体可分为无支撑围护结构和有支撑支护结构两大类，介绍了两大类支 护结构的做法及用途。二、深基坑土方开挖方法深基坑土方开挖是深基坑工程中的重要工序，土

2、方开挖的方法和步骤将 对深基坑支护结构的变形和受力产生重要的影响。对不同的支护形式和工程 要求应该采取不同的开挖方法，基坑工程的土方开挖形式是多种多样的，一般 而言可将其分为三种：放坡开挖、中心岛式开挖和中心岛盆式开挖。三、深基坑分步开挖对支护结构的影响在基坑开挖过程中，墙后侧土压力由静止土压力向主动土压力变化，土压 力的计算状态是处于变化之中的，开挖后放置时间会产生时空效应。深基坑支 护结构的受力和变形对深基坑的施工和周边环境的保护都有十分重要的影 响。影响深基坑支护结构变形的因素很多，一般可归纳为以下两类：设计因素 和施工因素。四、结论在基坑开挖整个过程中，内、外支护的各方影响特别大，总结

3、了各支护 及支护的受力情况，开挖时注意的事项。深基坑分步开挖对支护结构的影响【摘要】随着我国经济的快速发展，城市建设进入了一个高峰期，为了 缓解城市用地压力，提高城市的利用率，开发和利用地下空间已成为必然的 趋势，深基坑工程成为城市建设过程中必须面对的一大课题。深基坑开挖必 然会引起支护结构的变形，而大多数深基坑工程都位于城市繁华地段，必须 要保证深基坑的安全和周边环境的安全，因此，对深基坑开挖过程中支护体 系的安全稳定性进行讨论具有很大的意义。讨论了深基坑开挖过程中支护结 构受力及变形的变化规律。得出一些对深基坑工程设计和施工有实际意义的 结论，可为今后类似的工程提供一定的借鉴。【关键词】

4、深基坑工程；支护结构；分步开挖；支护影响深基坑支护体系是保证基坑施工正常进行 ，并使得基坑周围的建筑、地下管线、道路 等不受有害影响的临时结构。支护结构既要满足限制深基坑变形，对周围地层的扰动小的条件又要满足经济合理，技术上可行的条件目前的深基坑工程中，支护结构种类很多，各种 类型的支护结构都有具优缺点。如何选择经济代价最小且能满足工程要求的支护结构是设 计者们需要思考的难题。一、常见的深基坑支护体系基坑支护结构主要承受侧向土压力、水压力、地面超载、周边建筑物基地压力等引起 的附加压力，同时还需具备一定的抗渗能力。相似的基坑工程 ，采用不同的支护体系，可能会在安全性、经济性以及施工进度上产生巨

5、大的差异，因此选择合理的深基坑支护结构非常重要。深基坑工程的支护结构大体可分为无支撑围护结构和有支撑支护结构两大类。（一）无支撑维护结构1、柱列式围护结构柱列式围护结构依靠围护结构提供足够的抗弯刚度来保证基坑的稳定和变形。常见的柱列形式有：钻孔灌注桩、预制桩、钢板桩、木板桩及 SMW：法（型钢水泥土搅拌桩）等。柱列式围护结构的变形大致呈三角形分布，围护结构所受的弯矩是开挖深度的三次函 数,水平位移是开挖深度的五次函数，因此围护结构要有足够的入土深度和抗弯刚度。柱列式围护结构适用于开挖深度不大且坑底以下土质良好的工程，如果坑底被动土压力区土质不良，则可以考虑采用人工加固地基土的办法改善施工条件常

6、见围护结构排列方 式有间隔式排列、一字形相切排列、交错相切排列及一字形搭接排列。间隔排列适用于土 质较好，无地下水或地下水位较深的情况。相切式排列在施工中桩的垂直度以及扩径缩径 等缺陷难以保证，故它与间隔式排列方式一样，常常需要与其他防水措施结合使用。2、地下连续墙地下连续墙为在地表以下浇筑形成一道连续的挡土墙。这种围护结构施工时对周围环 境影响较小，对土层条件适用性强，且同时具有挡土和防渗止水的作用地下连续墙具有刚 度大、强度高和防渗性好的特点，但其造价较高，如能将地下连续墙作为主体地下结构的外 墙加以利用则可以在一定程度上减小资源的浪费，降低造价。3、拉锚式围护结构拉锚式围护体系由围护体系

7、和拉锚体系组成 ，拉锚体系锚固在稳定土层中并提供拉力 以保证支护结构的稳定。锚固体系常用的形式有锚杆式和地面拉锚式，围护体系常用钢筋混凝土排桩墙和地下连续墙。拉锚式围护结构最大的优点是其在施工时 ，土方开挖与支撑互不干扰，可以为地下结 构的施工提供宽阔的工作面。随着锚固法的不断改进以及监测技术的不断提高 ，拉锚式围 护结构的应用日益广泛。4、土钉墙式围护结构土钉墙是通过锚固于土体中的土钉群与土体和喷射混凝土面层共同工作，形成补强复合土体，达到稳定边坡的目的。土钉可分为：钻孔注浆土钉、打入土钉和打入注浆士钉。支12m的护面层可分为：临时性土钉支护面层和永久土钉支护面层土钉墙适用于深度不大于 12

8、m的土钉墙围护具有材料用量少，施工速度快，抗震性能良好和场地土层适用性强的特点， 而且造价比灌注桩节约三分之一到四分之一.但其变形较大，当对基坑开挖变形的要求严 格时不宜采用该方法。另外土钉墙法需要利用基坑以外的地下空间，将会对基坑周边地下空间的开发和利用造成影响。土钉墙与各种止水帷幕、预应力锚杆、微型桩等构件结合起来，根据工程实际条件选择其中一种或多种组合，可以形成复合土钉墙。复合土钉墙改善了土钉墙的工作性能 ，大大 拓宽了土钉墙的应用范围，得到了广泛的工程应用。（二）内支撑式支护结构当基坑开挖深度深，土质软弱或者对变形的控制较为严格时，常常在基坑内部设置支 撑体系。内支撑式支护结构施工质量

9、易于控制，能有效控制基坑变形而且适用范围广泛，特 别适合软土地区深基坑开挖。但内支撑式围护结构造价较高、不便于施工且施工工期较长。内支撑式支护结构由围护结构和内支撑结构两部分组成。在软土地区，围护结构通常由挡土结构和止水帷幕两部分组成，有些围护墙也同时具备挡土和防渗止水的功能。常见的围护结构有钢筋混凝土排桩墙和地下连续墙等。内支撑有单道支撑和多道支撑 常采用钢筋混凝土支撑或钢支撑。钢筋混凝土支撑刚度大、变形小而钢支撑可以回收再利 用且施加预应力方便。不同材料支撑体系的优缺点如下表所示分类支撑形式优点缺点适用范围支 撑 材 料钢支撑工期短，自重轻，拆 装方便，可重复利用， 可以施加预应力。节点构

10、造复杂，整体 刚度差，无法实现曲 线形支撑布置。开挖较深且基坑平面较 为狭长的基坑。钢筋混凝土支撑布置形式灵活，整体 性好，刚度大。工期长，施工工作量 大，材料回收率低。方形或圆形基坑，以及 对基坑父形要求较图的 基坑。钢和钢筋混综合了钢支撑和钢筋混凝土支撑的特点,扬长避短,充分利用了两种材-4 -凝土混合撑料的特性，是深基坑支撑体系发展的趋势。综合布置时一般将钢筋混凝土支撑布置在基坑上部，钢支撑布置在基坑的下吾深基坑的支撑须与围护结构形成稳定的结构体系，并有可靠的连接，满足承载力、变形 和稳定性的要求。支撑体系和围护体系的透型和布置需要考虑以下因素：(1)基坑的平面形状、尺寸及开挖深度：(2

11、)基坑的周边环境及环境保护要求(3)基坑的土方开挖方式和地下结构形式(4)支撑体系的材质和安装与拆除要求。内支撑体系可分为水平支撑和斜撑两大类。斜撑一般多用于中心岛式开挖，即先在基 坑的中部进行土方开挖，然后设置斜撑，最后开挖基坑周边的土体。水平支撑的开挖方式可 以采用先撑后挖，也可以先挖后撑，其平面布置形式众多，有井字式、角撑体式、边桁架式 和圆形环梁式布置等。常见的水平支撑平面布置方式有以下几种：(1)井字形布置井字形布置方式为沿基坑的两个方向布置正交的支撑。这种布置形式适用于基坑面积 较小，或者基坑形状不规则和对变形控制要求较高的情况呵。井字形布置方式具有支撑刚 度大、传力明确的特点，但

12、其预留的作业空间较小，不利于开挖和主体结构的施工。(2)角撑体系布置角撑体系布置为将水平支撑设置在基坑角部的布置形式。这种布置方式适用于基坑面 积较大，并且在支撑平面中需要留设较大作业面的基坑工程。角撑体系较之于井字形布置 形式更利于开挖和主体结构施工，但整体性稍差在实际工程中常常将角撑体系与井字形布 置形式相结合起来，这样在满足支撑承载力和变形要求的同时也增大作业空间。(3)圆形布置当基坑平面为圆形或者两个方形的尺寸大致相等的方形时可以选择圆形布置形式。圆 形支撑体系是一种受力合理的支撑体系，与长条形或矩形支撑体系相比，具有变形小、稳定 性高、开挖作业面大等优点。圆形支撑体系在土压力作用下形

13、成空间拱效应，使得作用在圆拱上的土压力大部分可 以在自身平衡。阈形支撑结构主要承受环向轴力 ，采用混凝土环形支撑能充分发挥混凝土 抗压强度高的优点。另外，圆形支撑体系能提供较大的作业面利于土方开挖和竖向结构的施工。各种支护结构体系都有具优缺点，比如地下连续墙具有很好的刚度和挡水效果，但其造价偏高；土钉墙虽然造价较低但其工艺相对复杂且难以应用于软土及松散土质地区；内支撑体系虽然不需要基坑以外的空间，而且有很好的挡土效果但其施工量较大且内支撑会 妨碍基坑土方开挖及地下结构的施工。在深基坑支护结构设计时应选择适合拟建场地特点 符合工程要求且较为经济的形式。二、深基坑土方开挖方法深基坑土方开挖是深基坑

14、工程中的重要工序 ,土方开挖的方法和步骤将对深基坑支护 结构的变形和受力产生重要的影响。对不同的支护形式和工程要求应该采取不同的开挖方 法，基坑工程的土方开挖形式是多种多样的，一般而言可将其分为三种：放坡开挖、中心岛 式开挖和中心岛盆式开挖。（一）放坡开挖放坡开挖一般适用于场地土质较好，开挖深度不大，对周边环境的保护要求不严格并 且现场有足够的场地的工程。放坡开挖的开挖深度较小，且边坡的稳定性难以保证，因此一 般情况下并不适用于深基坑开挖，但在大型深基坑工程中也有采用多级放坡开挖的成功实 例。放坡开挖工程量小造价较低，综合考虑土方开挖量和回填量，能采用放坡开挖应尽量 采用放坡开挖。但目前大多数

15、基坑开挖工程都位于由于城市市区 ，场地的限制和对环境影 响的要求，使得放坡开挖己不适应当前城市大规模建设的需求。（二）中心岛式开挖中心岛式开挖适用于采用带支撑支护结构且基坑中心能留有大面积无支撑空间的大 面积基坑工程。中心岛式开挖在开挖过程中预留中心岛土墩 ，首先开挖基坑周边围护结构A0的土体 ， 最后开挖基坑中心预留的中心岛土墩。中心岛式开挖具有土方开挖方便 ，并且有利于多机 接力转驳运土的优点，是深大基坑土方开挖中常用的方法。在中心岛式开挖中，中心岛土墩的高度、挖土层次与高差控制，以及留土边坡稳定性验 算和栈桥坡道的设置等必须在开挖前周密安排。目前的深基坑土方开挖中 ，多采用分层开 挖和中

16、心岛留土相结合的方法。但由于首先开挖基坑周边的土体 ，会造成支护结构受荷时 间长，在软土中的时间效应显著，会增大支护结构的变形量。（三）中心岛盆式开挖中心岛盆式开挖适用于基坑面积很大，且不宜设置整体水平内支撑的情况，采用中心 岛盆式开挖时，需要首先在基坑的中部进行局部放坡开挖 ，然后在中心盆式基坑完成底板 或者地下结构施工后设置水平支撑或斜支撑。等支撑体系对围护结构形成有效的约束后，最后挖去中心盆体以外的土体。在中心盆式开挖过程中，基坑周边的土体在开挖后期移除，支护结构受荷时间短，所以 中心盆式开挖有利于减小深基坑变形。在环境保护要求较高的情况下可优先考虑中心盆式 开挖。三、深基坑分步开挖对支

17、护结构的影响在土方开挖前，作用在挡土墙两侧的土压力为静止土压力，基坑开始分层开挖后作用 在挡墙两侧的士压力随之发生变化，分布开挖过程中挡土墙两侧土压力的变化形态不同。在基坑开挖过程中，墙后侧土压力由静止土压力向主动土压力变化 ，土压力的计算状 态是处于变化之中的。随着开挖深度的不断增加，挡墙上部的位移也不断增大，因此作用在 墙后的主动土压力逐步减小，对于设置有支撑的支护体系在基坑开挖后支护结构的变形将 受到限制，这时，墙后的土体不能完全进入主动极限状态 ，同样，墙前的被动极限状态也不 能充分发挥。在分步开挖过程中，墙后的主动土压力分步近似呈三角形分布。在土方开挖至支撑以下，即支撑发挥作用后，会

18、出现一个土压力减小的拐点。随着开挖侧土体的卸载，围护结构会发生挠曲变形在沿围护桩深度的方向土压力的分布呈波形变化，在支撑作用下，土压力发生了重分布现象，即产生了 “土拱效应”。目前软土地区的深基坑开挖大多采用内支撑加挡土墙的支护结构形式。在深基坑分步开挖过程中，每道支撑的架设和发挥作用存在一个滞后过程，支撑的变形和围护结构的变形是不同步的。在支撑开始发挥作用时围护桩已经发生了质的变形，而围护桩的刚度较大，因此围护桩的变形形态呈弓形。（一）深基坑分步开挖的时空效应早在60年代和70年代,很多学者就已经发现土的工程性质和时间、空间是有关系的 ， 随后关于考虑深基坑开挖时空效应的理论层出不穷。在软土

19、地区，土体具有强度低、含水率高、具有很大的流变性等特点，因此在软土地区深基坑工程中考虑时空效应对预测深基 坑变形，减少深基坑事故有很大的意义1、深基坑分步开挖时间效应在深基坑设计中，挡土墙后的土压力一般是按照主动土压力来计算的 ，开挖面以下土 体按照被动土压力来计算，在施工过程中如果开挖后的基坑搁置时间较长 ，由于土体的应 力松弛现象会造成墙后的主动土压力遂渐向静止土压力的方向发展 ，这会造成墙后土压力 大于主动土压力，相应的被动土压力区土压力也会小于被动土压力 .另外，土体具有蠕变的特性，在土体应力水平不变的情况下，其应变会随着时间的增长 而增大。当土体应力较小时会发生弹性蠕变，在应力达到一

20、定水平后不排水土体可能会发 生不收敛蠕变，这会使土体的应变急剧增大，深基坑围护结构将随时间的增长而产生很大 的变形。为了避免深基坑工程在搁置过程中产生较变形，应该做到减少暴露时间，并且在每 步土方开挖完成后及时的设置支撑。2、深基坑分步开挖空间效应深基坑开挖的过程是土体卸载的过程，卸载部分的土体是和周围土体密切相关的，深 基坑支护结构和周围土体组成了一个联系密切的空间体，不同的开挖深度和宽度会对深基坑的变形和稳定有很大的影响（二）开挖过程中支护结构受力及变形的影响因素深基坑支护结构的受力和变形对深基坑的施工和周边环境的保护都有十分重要的影 响。影响深基坑支护结构变形的因素很多，一般可归纳为以下

21、两类：设计因素和施工因素。1、设计因素的影响（1）支护结构刚度增加支护结构刚度可以有效的减少深基坑的变形，但这不意味着一味增加支护结构刚-8 -度是可取的。一般而言，当支护结构的刚度较小时增大围护墙刚度可以有效减小墙体位移，增大支撑体系刚度可以减小墙体最大弯矩。但是当刚度增加到一定程度之后其起到的改善 作用将很小，而工程的施工量和造价会相应提高。另一方面 ，增加围护墙刚度后，墙身的弯 矩也会相应增大(2)施加预应力对深基坑支撑结构施加预应力也能显著减小桩身的水平位移和地表沉降，但预应力对围护墙弯矩的影响不大。由于支撑预加力的存在，会使围护桩后土体的位移发生变化，反过 来围护桩位移的变化也会导致

22、桩身内力发生变化，因此，预应力的施加应该控制在合理的范围之内(3)桩长在深基坑开挖过程中，基坑外侧的土体有绕过围护桩桩底流向基坑内A0的趋势，因此增加围护桩桩长对减小坑底隆起和地表沉降都有一定的作用，另外增加桩长能使桩底更接近于嵌固端，这对保证深基坑的稳定和减少潦基坑的变形都有一定的帮助。桩长在一定的范围内增大能使支护结构更好的发挥作用，但超过这个范围后继续增加 桩长的作用很小，而且会增加造价。一般而言，桩长为深基坑开挖深度的1.7倍左右时较为 合理。(4)支撑道数及位置在深基坑设计中，设置合理的支撑道数及其布置位置是非常重要的。一般来说 ，增加支 撑道数可以减少深基坑围护结构的变形，有效保护

23、周边环境，但同时会增加工程造价，也会 给深基坑的开挖及地下结构的施工带来不便。对于基坑支撑的布置,Peck教授通过对大量工程实例进行监测和分析，认为为使围护 结构不出现较大的位移,第一道支撑应在开挖深度未达到 2Su/y(Su为土体的不排水抗剪强 度,y为土的容重)前架设。基坑的最后一道支撑应在不影响土方开挖和底板施工的情况下 ， 尽可能的靠近坑底。底部支撑的架设对于墙后地表的沉降影响不大，但对基坑坑底的隆起和围护桩的入土深度有较大影响。在基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，围护结构所受的土压力也越来越大，因此为 了使支撑体系受力更加合理、减少围护桩入土深度，降低成本，深基坑支撑体系的排列方式

24、 应采用上疏下密的方式。2、施工因素的影响(1)开挖顺序深基坑开挖有先挖后撑和先撑后挖两种次序。先挖后撑法在每一步土方开挖后围护结 构已经产生了变形，支撑只对下一步开挖起约束作用，对减小围护结构变形的作用有限。先 撑后挖法在开挖过程中，支撑体系始终能起到约束作用，因此在条件允许的情况下应优先 选用先撑后挖法。在深基坑土方开挖过程中，除了采用分层开挖的方式外，还要划分开挖区域采用分区 开挖。分层分区开挖能减小开挖土体的几何尺寸，也能通过调整开挖顺序，避免某一区域出 现过大的变形。(2) 土体加固较之于软土地区的流塑、软塑粘性土 ，深基坑在土质较好的地质条件下开挖时会有较 小的变形，也面临较小的风险，因此可以通过对开挖土