深基坑支护结构体系讲解

第2章深基坑支护结构体系2.1深基坑支护工程概述2.2支护结构设计荷载2.3悬臂式桩排支护结构2.4单层桩锚式支护结构2.5多层锚杆支护结构2.6内撑式支护结构体系2.7土层锚杆支护体系2.8土钉支护设计2.1深基坑支护工程概述基坑开挖是基础和高层地下室施工中的一个老的问题，同时又是一个综合性的工程难题，涉及到土力学中许多问题，涉及到土与支护结构的共同作用，涉及到周边环境的问题，还涉及到施工方法、施工技术、施工作业的程序、安排等。随着高层基础埋置深度加大，支护结构设计问题越来越显得重要。2.1.1基坑含义深基坑的“深”本难以明确的界定，是一个“模糊”的概念，相对于一定的地质，水文条件，一定的施工技术水平，形成一定的施工难度，大家对于达到一定施工难度的，地面以下一定尺寸的基坑谓之“深”，反之为“浅”。在目前的水平上，较为工程界大多数人所接受深基坑概念是指深度5～7m以上的基坑。如武汉市出于武汉特有的地质情况和管理操作方便，在《武汉地区深基坑工程技术指南》WBJ1-7-95中规定：“当基坑开挖深度≥6m，或有地下室时，应视为深基坑”。有地下室没有达到6m也视为深基坑，正是从施工难度增加考虑的。2.1.2基坑支护结构设计内容基坑支护结构极限状态可分为下列两类：1.承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或基坑底失稳、管涌导致土体或支护结构破坏，内支撑压屈失稳，支护桩墙锚杆抗拔失效等；2.正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已破坏基坑周边环境的平衡状态并产生了不良影响，如引起周边相邻的建筑物倾斜、开裂；道路沉降、开裂；周边的地下管线沉降变形开裂等。根据承载能力极限限状态和正常使用极限状态的要求，基坑支护设计应包括下列内容：（1）支护体系的方案技术经济比较和选型；（2）支护结构的强度，稳定和变形计算；（3）基坑内外土体的稳定性验算；（4）基坑降水或止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计；（5）基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形及其对基础桩、邻近建筑物和周边环境的影响；（6）基坑开挖施工方法的可行性及基坑施工过程中的监测要求。2.1.3支护结构安全等级建设部《建筑基坑支护技术规程》中对基坑侧壁安全等级规定见表2-1。表2-1建筑基坑侧壁安全等级及重要性系数安全等级破坏后果γ0一级支护结构破坏对基坑周边环境影响很严重。1.10二级支护结构破坏对基坑周边环境影响小，但对本工程地下结构施工影响一般。1.00三级支护结构破坏对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重。0.90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。《武汉地区深基坑工程技术指南》WBJ1-7-95对基坑安全等级规定更为详尽一些，见表2-2。表2-2深基坑工程的安全等级安全等级破坏后果深基坑工程的规模和环境一级很严重H＞10ma＜H邻房层数≥6层(浅基)或属重要建筑物二级严重7m≤H≤10mH≤a≤2H邻层为3、4、5层(浅基)的一般建筑物三级不严重H＜7ma＞2H注：H—坑深a—主干道、生命线工程及邻近重要建(构)筑物基础边缘离坑壁的距离，符合上表右项条件之一即可判定。对于安全等级为一级、二级的建筑基坑侧壁，尚应进行基坑支护结构水平位移计算。如武汉地区深基坑技术指南中，对支护结构的最大水平位移δ要求如下：对于安全等级一级的支护，应满足δ≤40mm，对于安全等级二级的支护，应满足δ≤100mm，对于安全等级三级的支护，应满足δ≤200mm。2.1.4支护结构设计对勘察工作的要求应根据基坑的开挖深度及场地岩土工程条件合理地确定勘察范围、勘探点的位置及数量，地层变化较大时，应增加勘探点，查明分布规律，为支护结构设计提供可靠的资料。主要要求如下：1.场地水文地质条件，水文地质勘察应达到以下要求：（1）查明开挖范围及邻近场地地下水特征，各含水层(包括上层滞水、潜水、承压水)及隔水层的层位、埋深和分布条件；（2）测量各含水层的水位及其变幅；（3）查明各地层的渗透系数及水压、流速、流向、补给来源和排泄方向；（4）查明施工过程中水位变化及支护结构和基坑周边环境的影响，提出应采取的措施。2.基坑周边环境勘察应包括以下内容：（1）查明基坑周围影响范围内的建(构)筑物的结构类型、层数、基础类型与埋深及结构现状；（2）查明基坑周边的各类地下设施(包括上、下水管线、电缆、煤气、管道、热力管道、地下箱分布和性状；（3）查明场地周围和邻近地区地表和地下水体的分布，水位标高，距基坑距离及补给、排泄关系，对基坑开挖的影响程度；（4）查明基坑四周道路、车流量及载重情况。3.在取得勘察资料的基础上，根据设计要求，针对基坑特点，应提出解决下列问题的建议：（1）分析场地的地层结构和岩土的物理力学性质，提出对计算参数取值及支护方式的建议；（2）提出地下水的控制方法及计算参数的建议；（3）提出施工中应进行的具体现场监测项目建议；（4）提出基坑开挖过程中应注意的问题及其防治措施的建议。4.提出支护结构设计所需的基坑工程岩土工程测试参数。宜包含下列内容：（1）含水量及密度试验，测试含水量w及重力密度γ；（2）直接剪切试验，测试固结快剪强度峰值指标c,φ；（3）三轴固结不排水试验，测试三轴不排水强度峰值指标Ccu、φcu；（4）室内或原位试验，测试渗透系数k；（5）测试水平与垂直变位计算所需的参数。2.1.5深基坑支护分类与选型深基坑边坡支护结构可根据周边环境条件，基坑开挖深度、工程地质、水文地质条件、施工季节、施工设备等条件，按表2-3选用。表2-3深基坑边坡支护分类及适用条件类型支护方式或结构支挡构件或护坡方法适用条件自稳边坡根据土质按有关规定放坡(缓坡)基坑周边开阔，相邻建(构)筑物距离较远，无地下管线，或地下管线不重要，可以迁移改道放坡加固土坡采用土钉、螺旋锚加固坡体，加挂钢（铁）丝网喷（抹）浆护面压力注浆加固坡体土工织物袋装砂包反压坡面基坑周边有一定的空余场地岩土条件较好，如岩石、可塑到坚硬的粘性土、地下水位以上的粉土、砂土挡墙加固土重力式挡墙旋喷、深层搅拌水泥土挡墙（壁式、格栅式）土钉，螺旋锚加筋土挡墙锚管压力注浆加固土挡墙适用填土、可塑～流塑粘性土、粉土及粉细砂，可兼作隔水帷幕必须有足够的厚度。因此要求一定范围的场地，否则应考虑加筋高度不宜超过6m悬臂式钻孔灌注桩，人工挖孔桩，预制桩(单排或双排)，板桩(钢板桩组合，异型钢组合，预制钢筋混凝土竖板组合)，锁口梁不可能采取放坡开挖的狭窄施工场地，悬臂高度不宜超过6m，双排桩高度可稍大对深度大于6m的基坑可结合放坡使用桩排锚固式(单层或多层)上列桩型加灌浆锚杆(预应力或非预应力)，螺旋锚或灌浆螺旋锚，锚定板，拉锚，锁口梁，围檩不可能采取放坡开挖的狭窄施工场地可用于不同深度的基坑支护体系不占用基坑范围内空间，但锚杆需伸入邻地，有障碍时不能设置，锚杆的锚固段不宜设在灵敏度高的淤泥层内，在软土中也要慎用桩排内支撑式(单层或多层)上列桩型加钢质支撑或钢筋混凝土支撑(水平撑、斜撑、角撑、环形撑)能承受支撑点集中力的锁口梁、围囹能限制水平支撑变位的立柱不可能采取放坡开挖的狭窄施工场地，基坑面积较小或为狭长形时尤为适用，可用于不同深度的基坑和不同土质条件，变形控制要求严格时宜选用支护体系需占用基坑范围内空间，其布置应考虑后续施工的方便自立式钢筋混凝土连续墙地下连续墙撑锚式钢筋混凝土连续墙加内支撑或锚杆可作为地下结构墙体，宜采用逆作法施工，利用地下梁板柱作为内支撑体系，可用于多层地下室的超深基坑围筒圆形、拱形复合形钢筋混凝土连续墙钻孔灌柱桩连续桩排(搭接水泥土桩)环形撑梁建筑物形状接近圆形或椭圆形，或局部有弧形拱段可充分利用结构受力的特点，径向位移小2.2支护结构设计荷载作用在支护结构上的荷载主要有：土压力、地下水水压力，坑口地面堆载，相邻房屋浅基基底传来的压力等。2.2.1土压力的极限状态土压力的大小是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切的关系。根据挡土结构变位方向与大小将存在有三种不同极限状态的土压力，如图2-1所示。图2-1三种不同极限状态的土压力1.静止土压力E0当挡土结构在土压力作用下，不可能产生侧向位移时，则作用于结构上的土压力称为静止土压力。如建筑物地下室的外墙，由于横墙与楼板的支撑作用，墙体变形很小，可以认为是静止土压力。对于有内支撑的支护结构的角撑附近，地下连续墙围护结构的四角的土压力也是大于主动土压力而接近静止土压力的。从理论上讲，土的静止侧压力系数，为土的泊松比。土的静止侧压力系数宜通过原位试验测定，无条件实测时，可按下式估算：/1oK正常固结土：超固结土：—土的有效内摩擦角。01sin'K0.50(1sin'),'K土的静止侧压力系数取植还可参考表2-4取值。表2-4静止土压力系数Ko参考值土类坚硬土可～硬塑粘性土粉土砂土可～软塑粘性土软塑粘性土流塑粘性土Ko0.2～0.40.4～0.50.5～0.60.6～0.750.75～0.802.主动土压力Ea挡土结构在土压力的作用下，将向基坑内移动或绕前趾向基坑内转动。随着位移的增加，土体中的应力差将随之加大，则作用于挡土结构的土压力就逐渐减小。当位移达到一定量值时，则其后土体开始形成滑裂面，应力到达极限平衡状态，这时土压力处于最小值，称为主动土压力，通常用Ea表示。进入主动土压力状态的位移量一般是比较小的，表2-5列出了位移的参考值。3.被动土压力Ep挡土结构在外荷作用下(如支承于其上的拱结构的推力等)，将向填土方向移动或转动。随着位移的增加，土体阻止其变位的抗力将增加，应力水平随之提高，使作用于结构上的土压力逐渐增加，当位移达到一定量值时，则土体中亦将形成一个滑裂面，应力到达极限平衡，这时土压力处于最大值，称为被动土压力，通常用Ep表示。进入被动土压力状态的位移量比主动状态要大得多。表2-5给出了砂土进入被动状态时位移的参考值。表2-5产生主动和被动土压力所需的位移量土类应力状态位移形式所需的位移量砂土主动被动主动被动平移平移绕前趾转动绕前趾转动(0.001～0.005)h＞0.05h(0.001～0.005)h＞0.1h粘土主动主动平移绕前趾转动(0.004～0.010)h(0.004～0.010)h注：表中h为墙高。上述三种土压力是随位移变化的三种极限情况。由图3-1可见，其间有如下关系：EP＞E0＞Ea对于基坑支护上的土压力，根据结构与土体情况、变位的状态一般是处于其间的某一状态。当结构允许产生较大的位移时，可按主动土压力来考虑。2.2.2土压力计算基坑支护结构承受的侧向压力包括土压力、水压力、基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力。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。作用于支护结构的土压力可采用朗肯理论公式分层计算。1.静止土压力强度，可接下式计算：00iipkrh(2-1)式中，p0—静止土压力强度，kPari—第i层土的重度，KN/m3;hi—第i层土的厚度,m；K0—静止土压力系数。2.主动与被动土压力按朗肯理论计算主动与被动土压力强度时，按下式计算：aiiaap(qrh)k2Ckpiippp(qrh)k2Ck(2-2)(2-3)式中pa，pp—朗肯主动与被动土压力强度，kPa；q—地面均布荷载，一般取10~20kPa；ri—第i层土的重度，KN/m3；hi—第i层土的厚度，m；ka、kp—朗肯主动与被动土压力系数；2a2pktan(45/2)ktan(45/2)C、—计算点土的抗剪强度指标，kPa（°）。3.土压力系数的调整当支护结构经受的侧向变形条件不符合主动，被动极限平衡状态条件时，ka、kp可调整为Kma、Kmp,按下式确定：ma0a1K(KK)2(2-4)mppKK/m对于一、二、三级安全等级的基坑m值分别取1.5、1.3、1.1。(2-5)4．地下水对土压力的影响（1）对于碎石土及砂土：当存在地下水时，宜按水压力与土压力分算的原则计算，作用于支护结构上的侧压力为有效土压力与水压力之和。有效土压力按土的浮重度（）及有