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1、地 下 结 构 工 程,第04章,4 常见基坑支护形式4.1 大开挖基坑工程,定义:大开挖基坑工程是指不采用支撑而采用直立或放坡施工进行开挖的基坑工程；由于其费用低，工期短，是首先要考虑的开挖方式。,4.1.1 竖直开挖,适用于开挖深度不大、无地下水、基坑土质条件较好的场地。竖直开挖时坑壁自然稳定的最大临界深度可按下式估算：,无地下水时直立开挖的允许高度 表4-1,标准贯入锤击数,4.1.2 放坡开挖,1）放坡开挖分类（1） 无地下水的一般放坡开挖 适用于地下水在开挖深度以下 。对于坑底以下存在承压水时，应判明是否会产生基坑突涌破坏。（2） 明沟排水放坡开挖 适用于地下水为潜水型、涌水量较小、
2、坑壁土及坑底土不会产生流砂、管涌、基坑突涌的场地条件。（3） 井点降水放坡开挖 地下水埋深较浅、基坑开挖较深，可能产生流砂、管涌、基坑突涌等不良现象时，可采用井点降水放坡开挖。特别注意降水对附近建筑设施产生的不良影响。,2）放坡开挖坡度确定,（1）查表法表（2）Taylor法图（3）条分法图,（1）查表法exit,重型圆锥动力触探锤击数,（2） Taylor法exit,边坡的临界高度由下式确定：,（3）条分法,3）边坡失稳的防止措施,（1）边坡修坡图4-3 （2）设置边坡护面图4-4（3）边坡坡脚抗滑加固图4-5 设置抗滑桩、旋喷桩、分层注浆法、深层搅拌桩。,图4-4 设置边坡护面exit,图
3、4-5 基坑边坡坡脚抗滑加固 exit,4.2 排桩,适用条件：不能放坡开挖或受场地限制不能采用搅拌桩围护，开挖深度在610m排桩围护采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩,4.2.1 排桩支护分类,无支撑（悬臂）围护结构单支撑结构多支撑结构,4.2.2 排桩支护设计,计算水平荷载（基坑外侧）和水平抗力（基坑内侧），包括土压力和水压力确定计算简图，计算嵌固深度内力计算、支护结构截面设计、压顶梁设计等,1）悬臂式支护结构,根据建筑基坑支护技术规程分层计算水平荷载和水平抗力确定计算简图求出嵌固深度hd求最大弯矩截面位置及最大弯矩值进行截面设计、配筋或承载力计算计算支护结构顶端位移,
4、无支撑悬臂排桩,JGJ 120-2012,计算简图,嵌固深度hd建筑基坑支护技术规程JGJ 120-99,建筑地基基础设计规范,配筋和挠度计算,地质条件或其它影响因素较为复杂时，可按最大弯矩截面的配筋贯通全长。配筋应满足下式条件：支护结构顶端的水平位移值,假定剪力为0截面为固定端，上段按悬臂梁计算,D,2）单层支撑支护结构设计,计算方法是“等值梁法”。等值梁法的关键是如何确定反弯点的位置。对单锚或单支撑支护结构，水平荷载等于水平抗力的位置，与反弯点位置较接近 。,用等值梁法计算单锚、单支撑支护结构,图4-10 单层支点支护结构深度计算简图,（1）计算水平荷载和水平抗力（2）基坑底面以下支护结构
5、反弯点位置由下式确定：,（3）支点力Tc1 可按下式计算：,（4）嵌固深度hd 设计值可按下式确定：,建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012,（5）计算内力和配筋,单层支撑支护结构的最大弯矩：根据平衡条件，求得V=0的位置y，可得Mmax弯矩图可按静力平衡条件求得 可以分段配筋，也可以按最大弯矩截面通长配筋,3）多层支撑支护结构设计,（1）应根据分层挖土深度与每层支撑设置的实际施工情况分阶段分层计算，假定下层挖土不影响上层支撑计算的水平力（2）悬臂式支护结构嵌固深度设计值不宜小于0.8h；单支点支护结构嵌固深度设计值不宜小于0.3h；多支点支护结构嵌固深度设计值不宜小于0.2h,抗渗透稳
6、定性验算,当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足上述规定外，嵌固深度设计值尚应满足抗渗透稳定条件:,建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012平面杆系结构弹性支点法,建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012渗透稳定性验算,注意事项：,1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位为kN/m，计算宽度：排桩取中心距，地下连续墙取包含接头的单幅墙宽度；2）有支撑支护结构变形计算按弹性支点法计算，支点刚度系数kT及地基土水平抗力系数m应按地区经验取值；3）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同
7、分析方法，计算内力和变形。,4.3 水泥土重力式围护墙,水泥土重力式围护墙又称搅拌桩挡墙，利用一种特殊的搅拌头或钻头，钻进地基至一定深度后，喷出固化剂，与地基土强行拌和而形成水泥土桩，水泥土桩相互搭接形成格网状、壁状等形式的重力式挡土结构物。水泥土桩通常采用搅拌桩，亦可采用旋喷桩等，施工范围内地基土承载力不宜大于150kPa 固化剂采用水泥或石灰适用于加固淤泥质土、粘土，开挖深度不宜超过7m特点：施工无震动、噪音、无废水泥浆；坑内无需支撑拉锚，抗渗性好,4.3.1 水泥土重力式围护墙的类型,挡墙宽度为0.60.8开挖深度，桩长为开挖深度的1.8-2.2倍,4.3.4 水泥土墙的计算,1）水泥土
8、墙的嵌固深度2）墙体厚度3）正截面承载力验算,1）水泥土墙的嵌固深度,按圆弧滑动简单条分法确定当基坑底为碎石土及砂土，基坑内排水且作用有渗透水压力时，水泥土墙嵌固深度尚应满足抗渗透稳定条件：重力式水泥土墙的嵌固深度，对淤泥质土，不宜小于1.2h，对淤泥，不宜小于1.3h；重力式水泥土墙的宽度（B） ，对淤泥质土，不宜小于0.7h，对淤泥，不宜小于0.8h；h 为基坑深度。,圆弧滑动简单条分法,2）墙体厚度,建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012,3）正截面承载力验算,建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012,构造要求,水泥土墙宜采用水泥土搅拌桩相互搭接形成的格栅状结构形式，也可采用水
9、泥土搅拌桩相互搭接成实体的结构形式；格栅布置时，水泥土的置换率对于淤泥不宜小于0.8，淤泥质土不宜小于0.7，一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格栅长宽比不宜大于2；桩与桩之间的搭接宽度不宜小于150mm；水泥土墙顶面宜设置混凝土连接面板，面板厚度不宜小于 150mm，混凝土强度等级不宜低于C15。,4.4 土钉墙,土钉墙（Soil Nail Wall）是一种原位土体加筋技术。将基坑边坡通过由钢筋制成的土钉进行加固，边坡表面铺设一道钢筋网再喷射一层砼面层和土方边坡相结合的边坡加固型支护施工方法。土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成，形成一个以土挡土的重力式挡土墙。 土钉墙自上而
10、下施工，靠土钉的相互作用形成复合整体作用。,4.4.3 土钉墙的设计,土钉墙整体稳定性验算,s,4.4.4 构造要求,4.5 土层锚杆,土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中，通常对其施加预应力，以承受由土压力、水压力或活荷载产生的拉力，用以保证构筑物的稳定。,4.5.1 锚杆受力机理,分为锚固段和非锚固段承载力与受拉杆件的强度、拉杆与锚固体之间的握裹力、锚固体和孔壁间的摩阻力等因素有关,4.5.2 锚杆设计,锚杆抗拔试验：一般规定,1）试验锚杆的参数、材料、施工工艺及其所处的地质条件应与工程锚杆相同。 2）锚杆抗拔试验应在锚固段注浆固结体强度达到15MP
11、a或达到设计强度的75%后进行。 3）加载装置(千斤顶、油泵)的额定压力必须大于最大试验压力，且试验前应进行标定。 4）加载反力装置的承载力和刚度应满足最大试验荷载的要求，加载时千斤顶应与锚杆同轴。 5）测力计、位移计、压力表的精度应满足试验要求。 6）试验锚杆宜在自由段与锚固段之间设置消除自由段摩阻力的装置。 7）最大试验荷载下的锚杆杆体应力，不应超过其极限强度标准值的0.85倍。,一、基本试验,1）同一条件下的极限抗拔承载力试验的锚杆数量不应少于3 根。 2）确定锚杆极限抗拔承载力的试验，最大试验荷载应大于预估破坏荷载。 3）锚杆极限抗拔承载力试验宜采用循环加载法，其加载分级和锚头位移观测
12、时间应按下表确定。4）当锚杆极限抗拔承载力试验采用逐级加载法时，其加载分级和锚头位移观测时间应按表中每一循环的最大荷载及相应的观测时间逐级加载和卸载。,5） 终止加载依据：a）从第二级加载开始，后一级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量大于前一级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量的5倍；b）锚头位移不收敛；c）锚杆杆体破坏。 6）锚杆极限抗拔承载力确定方法： a）取终止加载的前一级荷载值；未出现时，应取最大试验荷载值。 b）参加统计的试验锚杆，当极限抗拔承载力的极差不超过其平均值的30%时，锚杆极限抗拔承载力标准值可取平均值；当级差超过其平均值的30%时，宜增加试验锚杆数量，并应根据级差过大的原
13、因，按实际情况重新进行统计后确定锚杆极限抗拔承载力标准值。,二、蠕变试验,1）蠕变试验的锚杆数量不应少于三根。 2）蠕变试验的加载分级和锚头位移观测时间应按下表确定。 在观测时间内荷载必须保持恒定。3）每级荷载按时间间隔1min、5min、10min、 15min、30min、45min、60min、90min、120min记录蠕变量。4）试验时应绘制每级荷载下锚杆的蠕变量时间对数曲线。蠕变率应按下列公式计算：5）锚杆的蠕变率不应大于 2.0mm。,三、验收试验,1）锚杆抗拔承载力检测试验可采用逐级加载法，其加载分级和锚头位移观测时间应按下表确定。2）锚杆合格判定依据：a）在最大试验荷载下，锚
14、杆位移稳定或收敛；b）对拉力型锚杆，在最大试验荷载下测得的总位移量应大于自由段长度理论弹性伸长量的80%。,建筑基坑支护技术规程 JGJ120-2012,锚杆自由段计算长度,0.750.9倍,建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012,基本要求,自由段宜取 1.5m2.0m；对锚固段宜取1.0m1.5m,不宜低于20MPa,不应小于10,结构形式不同 锚杆有锚固段，土钉没有。受力机理不同 土钉是被动受力，即：土体发生一定变形后，土钉才受力，从而阻止土体继续变形；锚杆是主动受力，即：通过对锚杆施加预应力，在开挖前就限制土体发生过大变形。用途不同 土钉与混凝土面层构成土钉墙以维持土体稳定，锚杆一
15、般与排桩等支护结构联合使用。,锚杆与土钉的区别,4.6 型钢水泥土搅拌墙（SMW）,型钢水泥土搅拌墙，即在水泥土桩内插入型钢（多数为H型钢，亦有插入钢板桩、钢管等），将承受荷载与防渗挡水结合起来，使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。止水好，刚度大，构造简单，型钢插入深度一般小于搅拌深度，型钢可回收重复使用，成本较低。SMW适宜的基坑深度为610m，国外开挖深度已达20m。型钢间距不能过大，水泥土的强度由受剪，受压控制。,优点,（1）在现代城市修建的深基坑工程，经常靠近建筑物红线施工，SMW工法在这方面具有相当优势，其中心线离建筑物的墙面80厘米即可施工。（2）地下连续墙由自身
16、特性决定，施工时形成大量泥浆需外运处理，而SMW工法仅在开槽时有少量土方外运。（3）SMW工法构造简单，施工速度快，可大幅缩短工期。,关键技术问题,1、搅拌桩制作：与常规搅拌桩比较，要特别注重桩的间距和垂直度。施工垂直度偏差应小于1%，以保证型钢插入起拔顺利，保证墙体的防渗性能。2、保证加固体强度均匀性3、型钢的制作与插入起拔：型钢应在水泥土初凝前插入；型钢表面应进行除锈，并在干燥条件下涂抹减摩剂，以利起拔,4.6.3 型钢水泥土搅拌桩的布置形式,（a）全位“满堂”；（b）全位“1隔1”（c）全位“1隔2”；（d）半位“满堂”；（e）半位“1隔1”,4.6.4 型钢水泥土搅拌墙的设计与计算,型
17、钢是主要受力构件，水泥土搅拌桩起截水帷幕的作用H型钢的入土深度 满足整体稳定性、抗隆起稳定性、抗滑移稳定性，同时满足内力变形要求及施工完后型钢能顺利拔出水泥土搅拌桩入土深度 水泥土搅拌桩入土深度应大于H型钢的入土深度,2）型钢水泥土搅拌墙截面设计,（1）型钢截面抗弯验算：抗剪验算：（2）型钢的间距型钢与水泥土之间的错动剪切承载力验算：最薄弱断面的局部抗剪验算：,4.7 地下连续墙,地下连续墙：利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注适当的材料而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。地下连续墙技术起源于欧洲，它是根据凿井和石油钻井所用膨润土泥
18、浆护壁和浇灌水下混凝土工艺应用于工程而发展起来的。1950年正式在意大利米兰工程中应用，1959年日本引进，同一时期我国应用于水利工程大坝防渗墙中，70年代起用于建筑工程，近几年在地下工程应用已十分普遍。,优点,1. 施工时振动小，噪音低，非常适于在城市施工。2. 墙体刚度大，用于基坑开挖时，可承受很大的土压力，极少发生地基沉降或塌方事故。3. 防渗性能好，由于墙体接头形式和施工方法的改进，使地下连续墙几乎不透水。4. 可以紧贴原有建筑物建造地下连续墙。5. 可用于逆作法施工。地下连续墙刚度大，易于设置埋设件，很适合于逆作法施工。6. 适用于多种地基条件。地下连续墙对地基的适用范围很广，从软弱
19、的冲积地层到中硬的地层、密实的砂砾层，各种软岩和硬岩等所有的地基都可以建造地下连续墙。7. 可用作刚性基础。目前地下连续墙不再单纯作为防渗防水、深基坑围护墙，而且越来越多地用地下连续墙代替桩基础、沉井或沉箱基础，承受更大荷载。8. 用地下连续墙作为土坝、尾矿坝和水闸等水工建筑物的垂直防渗结构，是非常安全和经济的。9. 占地少，可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间，充分发挥投资效益。10. 工效高、工期短、质量可靠、经济效益高。,缺点,1. 在一些特殊的地质条件下（如很软的淤泥质土，含漂石的冲积层和超硬岩石等），施工难度很大。2. 如果施工方法不当或施工地质条件特殊，可能出现相邻墙段不能对齐
20、和漏水的问题。3. 地下连续墙如果用作临时的挡土结构，比其它方法所用的费用要高些。4. 在城市施工时，废泥浆的处理比较麻烦。,成槽机械,挖斗式蚌式抓斗,蚌式挖斗施工过程 钻抓结合,冲击式,多头钻成槽机,回旋式,铣削钻成槽机,施工工艺图解,接头管,导沟、导墙,施工工艺流程,导墙作用,导向作用：作为地下连续墙成槽的导向标准容蓄泥浆：在成槽施工中稳定泥浆液位，以维护槽壁稳定维持表层土体的稳定，防止槽口塌方支承槽面施工机械等设备荷载,导墙施工,导墙一般采用C20混凝土，配筋较少，多为12200导墙应高出地面100mm左右，以防止地面水流入槽内导墙的几何尺寸及允许偏差应满足规范要求,泥浆作用,护壁作用：
21、液体压力，相当于一种液体支撑；槽壁形成泥皮，可以防止槽壁倒坍和剥落，并防止地下水渗入。携渣作用：泥浆具有一定的粘度，能使土渣悬浮起来，使土渣随同泥浆一同排出槽外。冷却和润滑作用：降低钻具温度，并具有润滑作用。,泥浆拌制,泥浆搅拌前先将水加至搅拌筒1/3后开动搅拌机。在定量水箱不断加水的同时，加入陶土粉、纯碱液、搅拌3min后，加入CMC液及硝腐碱液继续搅拌。一般情况下泥浆搅拌后应静置24h使用。泥浆质量指标,接头形式,接头管接头,预制块接头,水下混凝土浇筑导管法,TRD工法演示视频,TRD工法（TrenchCutting & Re-mixing Deep Wall Method）：最早叫“混合
22、搅拌壁式地下连续墙施工法”，后陆续有文献称其为：等厚度水泥土地下连续墙工法，水泥加固土地下连续墙浇筑施工法。,4.8 逆作拱墙,逆作拱墙结构是将基坑开挖成圆形、椭圆形等弧形平面，并沿基坑侧壁分层逆作钢筋混凝土拱墙，利用拱的作用将垂直于墙体的土压力转化为拱墙内的切向力，以充分利用墙体混凝土的受压强度。墙体内力主要为压应力，因此墙体可做得较薄，多数情况下不用锚杆或内支撑就可以满足强度和稳定的要求。拱圈支挡高度只需在坑底以上 适用条件：基坑四周场地都允许起拱；基坑侧壁安全等级宜为三级；淤泥和淤泥质土场地不宜采用；拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8；基坑深不宜大于12m；地下水位高于基坑地面时，应采取降水
23、或截水措施。,截面形状,挡土拱圈的特点,闭合拱圈可以由几条二次曲线围成的组合拱圈（曲率不连续），也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈（曲率连续）。每道拱圈分别承受该道拱圈高度内的压力，不相互影响。边开挖，边支护，节省工期，施工方便。节省挡土费用，用拱圈支护的费用仅为用挡土桩的40%60%。而且，基坑越深，经济效益越显著。,4.8.2 拱墙计算,逆作拱墙结构型式根据基坑平面形状可采用全封闭拱墙，也可采用局部拱墙，拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8，基坑开挖深度h不宜大于12m。当基坑开挖深度范围或基坑底土层为砂土时，应按抗渗透条件验算土层稳定性 。当基底土层为粘性土时，基坑开挖深度满足下列抗隆起验算条件
24、：,4.8.3 构造,混凝土强度等级不宜低于C25 ；拱墙截面宜为Z字型，拱壁的上、下端宜设置加肋梁，其竖向间距不宜大于2.5m；当基坑边坡较窄时，可不加肋梁但应加厚拱壁；当基坑较深且一道Z字型拱墙的支护高度不够时，可由数道拱墙叠合组成；拱墙结构水平方向应通长双面配筋，总配筋率不应小于0.7%；圆形拱墙壁厚不应小于400mm，其他拱墙壁厚不应小于500mm；拱墙结构不应作为防水体系使用。,4.9 逆作法施工top-down construction method,深地下室的常规施工是采用临时支护基坑坑壁，开挖至预定深度后，浇底板并由下而上施工各层地下室结构，待地下室完工后，再逐层进行地上结构的
25、施工。逆作法施工工艺是先沿建筑物外围施工地下连续墙，作为地下室的边墙或基坑的围护结构。在建筑物内部浇筑中间支承柱，开挖土方至第一层地下室底面标高，浇注梁及部分的板，该层楼盖即可作为地下连续墙刚度很大的支撑系统。然后在梁间没有浇板的空档内，向下逐层施工各层地下室结构。与此同时，在已完成底面梁板结构的基础上，做上部结构。地下室封底前，地面上允许施工的层数要通过计算确定。,逆作法施工流程,1. 边桩施工,2. 破路面挖土,3. 中间柱施工,5. 路面恢复通车,6. 挖地下一层土,7. 地下一层底板施工,8. 地下一层侧墙施工,9. 挖地下二层土,10. 地下二层底板施工,11. 地下二层侧墙施工,12. 地下二层地面,工程施工完成,4.顶板施工,逆作法在我国的应用,逆作法的优点：,地下主体结构的梁、板、柱作为挡土墙的横向支撑；大幅度缩短工期；逆作法只开挖有效范围内的土方量，减少了大量的土方量；基本上不受气候影响。,不足：,封闭状态下进行施工，作业环境较差；大型机械设备难于进场；敞开式逆作法侧向刚度比封闭式的小，施工中应采取措施，防止连续墙的过大变形； 地下结构中墙柱的混凝土接搭质量较难控制 ；控制立柱的垂直度和承载力较难。,本章要点,了解常见的基坑支护形式及施工工艺重点掌握排桩、土钉墙、锚杆的设计计算方法（弹性支点法）了解逆作法施工工艺,
