基坑开挖与支护

第十二章基坑开挖与支护工程主讲曹志军基础工程•第一节概述•第二节基坑支护结构的类型和特点•第三节基坑支护工程结构设计•第四节重力式水泥土挡墙设计•第五节基坑稳定性分析•第六节井点降水及土方开挖•第七节基坑监测与环境监护第十二章基坑开挖与支护工程•一、基坑工程的概念第一节概述•一、基坑工程的概念•基坑是为了修筑建筑物的基础或地下室、埋设市政工程的管道以及开发地下空间（如地铁车站、地下商场）等所开挖的地面以下的坑。•基坑支护（围护）工程是指在基坑开挖时，为了保证坑壁不致坍塌、保护主体地下结构的安全以及使周围环境不受损害所采取的工程措施的总称。•在基坑施工时，有的有支护措施，称之为有支护基坑工程；有的则没有支护措施，称之为无支护基坑工程。•对基坑支护体系的要求可以分为三个方面：•(1)保证基坑四周边坡的稳定性，满足地下室施工有足够空间的要求，也就是说基坑支护体系要能起到挡土的作用，这是土方开挖和地下室施工的必要条件；•(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。这要求在支护体系施工、土方开挖及地下室施工过程中控制土体的变形，使基坑周围地面沉降和水平位移控制在容许范围以内；•(3)保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。支护体系通过截水、降水、排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。•二、基坑围护工程设计的内容•（一）支护结构•支护结构是指基坑围护工程中采用的围护墙体（包括防渗帷幕）以及内支撑系统（或土层锚杆）等的总称。•1．围护墙体（包括防渗帷幕）•围护墙体是指承受坑内外水、土侧压力以及内支撑反力或锚杆拉力的墙体，是保证坑壁稳定的一种临时挡墙结构。防渗帷幕的作用是在防止坑外的水渗流入坑内，并控制由于坑内外水头差造成的流砂及管涌等现象（图6—1）。•2.内支撑系统•内支撑系统是由围檩、支撑杆件以及立柱等组成的结构体系，其作用是和坑底被动区土体共同平衡围护墙体外的主动区压力（包括土压力、水压力及地面荷载引起的侧压力）。围檩是一道或几道沿着围护墙体内侧设置，把围护墙体所受的力相对均匀地传递给内支撑杆件的水平向梁。支撑杆件承受着围檩传来的轴力和弯矩。立柱的作用一方面是承受支撑及施工荷载的重量，另一方面增加对支撑杆件的约束（图6—1）。•3.土层锚杆•土层锚杆是一种一端固定在开挖基坑外的稳定地层内，另一端与围护墙相连接的受拉杆件。其作用同上述的内支撑系统，它不是设置在基坑内，使基坑内有宽敞的工作环境。•（二）地基加固•为提高围护墙被动侧土体的强度及模量、减少主动侧土压力以及抵抗坑底承压水等而在围护墙内外侧对地基进行加固的措施。地基如固从施工工艺上分类往往有：(1)水泥土深层搅拌桩；(2)旋喷桩；（3)注浆。•从加固位置来分类有：•(1)围护墙体的被动侧：提高被动区土的抗力，减少围护墙侧向位移（见图6—1）。•(2)围护墙体的主动侧：减少主动区土的压力，同时还可起到增强防渗帷幕的作用。•（3)坑底以下：在开挖前于坑底以下与围护墙底平面以上之间某范围内做一不透水加固土层，并与周围墙体连成整体，利用加固土层以上土重来平衡和抵抗承压水。•（三）井点降水•在基坑开挖前，在坑内四周预先埋入深于坑底的一系列井管，利用抽水设备连续抽水，在井管周围形成降水漏斗，使地下水位低于坑底的降水方法。•（四）土方开挖•分层分块将坑底以上土体挖除，开挖顺序应根据整个基坑体系的稳定等计算确定。•（五）监测•监测是指在基坑工程施工过程中，对基坑围护结构及其周围地层、附近建筑物、地下管线等的受力和变形进行的量测。其目的主要在于确保基坑工程本身的安全；对基坑周围环境进行有效的保护；检验设计所采用参数及假定的正确性，并为改进设计、提高工程整体水平提供依据。三、基坑工程特点•（一）基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性•（二）基坑工程具有很强的区域性•（三）基坑工程具有很强的个性•（四）基坑工程综合性强•（五）土压力特点•（六）基坑工程具有较强的时空效应•（七）基坑工程是系统工程•（八）基坑工程的环境效应四、基坑工程发展概况•基坑工程在我国进行广泛的研究是始于20世纪80年代初，当时我国的改革开放方兴未艾，基本建设如火如荼，高层建筑不断涌现，相应地基础埋深不断增加，开挖度也就不断发展。•支护结构最早用木桩，现在常用钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通过地基处理方法采用水泥土挡墙、土钉墙等。钢筋混凝土桩设置方法有钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和预制桩等。第二节基坑支护结构的类型和特点一、常用支护结构形式•如前文所述，基坑支护结构体系一般包括挡土和止水两个部分。支护结构形式主要可以分为下述几类：•(1)放坡开挖及简易支护；•(2)悬臂式支护结构；•(3)重力式挡土墙；•(4)内撑式支护结构；•(5)拉锚式支护结构；•(6)土钉墙支护结构；•(7)其他形式支护结构，主要有门架式支护结构，拱式组合型支护结构；喷锚网支护结构；沉井支护结构；加筋水泥土墙支护结构；冻结法支护等。二、重力式挡土墙•重力式挡土墙是一种常用的挡土结构，它是依靠挡土墙本身的自重来平衡坑内外土压力差，目前在工程中用得较多的水泥土重力式支护结构，墙身材料通常采用水泥土搅拌桩、旋喷桩等（见图6一2），由于墙体抗拉抗剪强度较小，因此墙身需做成厚而重的刚性墙以确保其强度及稳定。•重力式挡土墙具有结构简单、施工方便、施工噪音低、振动小、速度快、止水效果好、造价经济等优点。缺点是宽度大，需占用基地红线内一定面积，而且墙身位移较大。重力式挡土墙主要适用于软土地区、环境要求不高、开挖深度≤7m的情况。•水泥土重力式支护结构示意图如图12-2(b)所示。采用水泥搅拌桩组成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格珊体系，如图12-3所示。三、排桩或地下连续墙式挡土结构•（一）排桩或地下连续墙式挡土结构的类型•(1)悬臂桩墙式挡土结构：•悬臂式支护结构示意图如图12-2(a)所示。不设置内支撑或土层锚杆等，基坑内施工方便。悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩及钢筋混凝土预制桩、木桩、钢板桩、地下连续墙等形式。悬臂式支护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯刚度来维持整体稳定和结构的安全。悬臂式结构由于墙身刚度小，所以内力和变形均较大，适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程，当环境要求较高时，不宜用于开挖较深的基坑。。•(2)单层或多层内支撑桩墙式挡土结构：设置的内支撑可有效地减少围护墙体的内力和变形，通过设置多道支撑可用于开挖很深的基坑。但设置的内支撑对土方的开挖以及地下结构的施工带来较大不便。内支撑可以是水平的，也可以是倾斜的。•内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。•支护结构体系常采用密排钢筋混凝土桩和地下连续墙。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又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12-4(a)、(b)及(d)所示。当基坑平面面积很大，而开挖深度不太大时，宜采用单层斜支撑如图12-4（c）所示。•内撑常采用钢筋混凝土梁、钢管、型钢格构式支撑等。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。•内撑式支护结构适用范围广，可适用各种土层和基坑深度•(3)单层或多层土层锚杆桩墙式挡土结构：通过固定于稳定土层内的锚杆来减少围护墙体的内力与变形，设置多层锚杆，可用于开挖深度较大的基坑。•拉锚式支护结构由挡土的支护桩和提供锚拉力的锚固部分组成。支护桩常采用钢筋混凝土密排桩、地下连续墙、钢板桩等，与内撑式支护结构相同。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式支护结构和双层锚杆式支护结构示意图，分别如图12-5(a)和（b）所示。地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩，或其他锚固物。锚杆式需要地基上能提供锚杆较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基，或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。•（二）组成部件类型及特点•1.围护桩墙的类型及特点•(1）钢板桩•钢板桩截面形式有多种，如：拉森U形、H形、Z形、钢管等。其优点是材料质量可靠，防水性能较好，软土中施工速度快、简单，可重复使用，占地小，结合多道支撑，可用于较深基坑。不足的是价格较贵，施工噪音及振动大，刚度小，变形大，需注意接头防水，拔桩时容易引起土体移动，导致周围环境发生较大沉降。有些钢板桩（如H形钢板桩、钢管）需另设咬合装置做到自防水，否则还需采取防渗措施。•(2)钢筋混凝土板桩•如图64所示，截面有矩形榫槽结合、工字形薄壁和方形薄壁三种形式。矩形榫槽结合的截面形式厚度可以做到50cm，长度可以做到20m，宽度一般为40^-70cm。板桩两侧设置阴阳榫槽，打桩后可灌浆，堵塞接头渗漏。工字形及方形薄壁截面在50cmX50cm左右，壁厚8-12cm，采用预制和现浇相结合的制作方式，此外在板桩中间需结合注浆来防渗。•钢筋混凝土板桩的优点是比钢板桩造价低。缺点是施工不便、工期长、施工噪音、振动大及挤土大，接头防水性能较差。不宜在建筑密集的市区内使用，也不适用于在硬土层中施工。•（3）钻孔灌注桩•钻孔灌注桩作为围护桩的几种平面布置如图6一5所示，桩径一般在600^-1200mm,当地下水位较低时，包括间隔排列在内都无须采取防水措施。当地下水位较高时，相切搭接排列往往因施工中桩的垂直度不能保证以及桩体缩颈等原因，达不到自防水效果，因此常采用间隔排列与防水措施相结合的形式，可以采用深层搅拌桩、旋喷桩或注浆等作为防水措施。•钻孔灌注桩的优点是施工噪音低，振动小，对环境影响小，自身刚度、强度较大。缺点是施工速度慢，质量难控制，需处理泥浆，自防水差，需结合防水措施，整体刚度较差。适用于软上地层，开挖深度可在5-12m，甚至更深，在砂砾层和卵石中施工慎用。•其他如树根桩、挖孔灌注桩等与其相似。•（4）SMW工法•在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其他种类的受拉材料，形成一种同时具有受力和防渗两种功能的复合结构形式，即劲性水泥土搅拌桩法，日本称为SMW工法。其平面布置形式有多种，如图6一6所示。SMW工法的优点是施工噪音低，对环境影响小，止水效果好，墙身强度高。缺点是应用经验不足，H型钢不易回收且其造价较高。凡适合应用水泥土搅拌桩的场合均可采用SMW工法，开挖深度可较大，应用前景较好。•（5)地下连续墙•在基坑工程中，其平面布置的几种形式如图6一7所示。连续墙壁厚通常有60cm,80cm及100em,深度可达数10m。地下连续墙的优点是施工噪音低，振动小，整体刚度大，能自防渗，占地少，强度大。缺点是施工工艺复杂，造价高，需处理泥浆。适用于软弱地层，在建筑密集的市区都可施工，常用于开挖l0m以上深度的基坑，还可同时作为主体结构的组成部分。•2.内支撑结构的类型和特点•（1）按材料分类•现浇钢筋混凝土截面一般为矩形。具有刚度大、强度易保证、施工方便、整体性好、节点可靠、平面布置形式可灵活多变等优点。但支撑浇筑及其养护时间长，导致围护结构暴露状态的时间长以及影响工期，此外自重大，拆除支撑有难度且对环境影响大。•钢结构截面一般为单股钢管、双股钢管；单根工字（或槽、H型）钢，组合工字（或槽、H型）钢等。安装、拆卸方便，施工速度快，可周转使用，可加预应力，自重小。缺点是施工工艺要求较高，构造及安装相对较复杂，节点质量不易保证，整体性较差。•此外，有的基坑支撑采用钢支撑及钢筋混凝土支撑相结合的形式，因此可各取所长。•（2)按布置形式分类•纵横对撑构成的井字形这种布置形式安全稳定，整体刚度大。缺点是土方开挖及主体结构施工困难，拆除困难，造价高。此种形式往往在环境要求很高、基坑范围较大时采用。•井字形集中式布置挖土及主体结构施工相对较容易。缺点是整体刚度及稳定性不及井字形布置。•角撑结合对撑挖土及主体结构施工较方便。缺点是整体刚度及稳定性不及井字形布置的支撑。基坑的范围较大以及坑角的钝角太大时不宜采用。•边桁架挖土及主体结构施工较方便，但整体刚度及稳定性相