虽然在基坑支护结构设计和基坑开挖过程中，人们采取了一系列技术措施来保证基坑的安全，但在实际工程中仍有很多基坑发生事故。对坑边地面沉降、支护结构深部水平位移、锚杆拉力、支撑轴力、立柱沉降、支护结构沉降、挡土构件内力、地下水水位、土压力、孔隙水压力进行监测时，监测点应布设在邻近建筑物、基坑各边中部及地质条件较差的部位，监测点或监测面不宜少于3个。......
2023-08-29
高层建筑施工：基坑支护结构类型与分析
【摘要】：内支撑式支护结构由支护墙体和内支撑体系两部分组成。其支护深度比悬臂式支护结构大，适用于基坑开挖深度已超过悬臂式支护结构的合理支护深度的基坑工程。合理采用拱式组合型支护结构可取得较好的经济效益。冻结法支护结构对地基土适用范围广，但应考虑其冻融过程对周围的影响、电源以及工程费用等问题。要精确地确定支护结构所承受的土压力是有一定困难的。
基坑支护施工方案
（一）支护结构的分类与类型
1.支护结构的分类
支护结构的体系很多，工程上常用的典型的支护体系按其工作机理和围护墙的形式分为图1-20所示的几种类型。
2.支护结构的类型
（1）悬臂式支护结构。悬臂式支护结构示意如图1-21所示，悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、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支护墙体的抗弯能力来维护整体稳定和结构的安全，它对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，而对周围环境产生不利影响，因而适用于土质较好、开挖深度较小的基坑工程。
（2）水泥搅拌桩重力式支护结构。水泥搅拌桩重力式支护结构示意如图1-22所示。水泥搅拌桩在进行平面布置时常采用格构式重力式挡墙（图1-23）。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保证基坑边坡稳定。水泥搅拌桩重力式支护结构常应用于软黏土地区开挖深度6m左右的基坑工程。水泥土由于抗拉强度低，因此适用于较浅的基坑工程，其变形也较大。其优点是挖土方便、成本低。
图1-20 支护结构体系的分类
图1-21 悬臂式支护结构示意
图1-22 水泥搅拌桩重力式支护结构示意
图1-23 格构式重力式挡墙平面图
（3）内支撑式支护结构。内支撑式支护结构由支护墙体和内支撑体系两部分组成。支护墙体可采用钢筋混凝土排桩墙、地下连续墙或钢板桩等形式。内支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支撑、双层支撑和多层支撑，分别如图1-24（a）、（b）、（d）所示。当基坑面积较大而基坑开挖深度又不太大时，可采用单层斜支撑形式，如图1-24（c）所示。内支撑式支护结构适用范围广，可适用于各种基坑和基坑深度。
图1-24 内支撑式支护结构示意
（a）单层支撑；（b）双层支撑；（c）单层斜支撑；（d）多层支撑
图1-25 土钉墙支护结构示意
（4）拉锚式支护结构。拉锚式支护结构由支护墙体和锚固体系两部分组成。支护墙体同内支撑式支护结构。锚固体系可分为土层锚杆和拉锚式。土层锚杆式体系需要地基土才能提供较大的锚固力，因此，其较适用于砂土地基或黏土地基。由于软黏土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。
（5）土钉墙支护结构。土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称为砂浆锚杆，也可采用打入或射入的方式设置土钉。施工时边开挖基坑，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，形成土钉墙支护结构，如图1-25所示。土钉墙支护结构适用于地下水水位以上或人工降水后的黏性土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理地下水水位以下的土层地基中的基坑支护。
（6）门架式支护结构。门架式支护结构如图1-26所示。目前，在工程中常用钢筋混凝土灌注桩、冠梁及连系梁形成门架式支护结构体系。其支护深度比悬臂式支护结构大，适用于基坑开挖深度已超过悬臂式支护结构的合理支护深度的基坑工程。其合理支护深度可通过计算确定。
（7）拱式组合型支护结构。图1-27所示为钢筋混凝土灌注桩与深层水泥搅拌桩拱组合形成的支护结构示意。水泥土抗拉强度小，抗压强度大，形成的水泥土拱可有效利用材料性能。拱脚采用钢筋混凝土桩，承受水泥土传来的土压力，通过内支撑平衡土压力。合理采用拱式组合型支护结构可取得较好的经济效益。
图1-26 门架式支护结构示意
（a）剖面图；（b）平面图
图1-27 拱式组合型支护结构示意
（a）平面图；（b）剖面图
（8）喷锚网支护结构。喷锚网支护结构由锚杆（锚索），钢筋网喷射混凝土面层与边坡土体组成，如图1-28所示。其结构形式与土钉墙支护结构类似，受力机理类同土层锚杆，常用于土坡稳定加固，也有人将它归属于放坡开挖。分析计算主要考虑土坡稳定，不适用于含淤泥土和流砂的土层。
（9）加筋水泥土挡墙支护结构。由于水泥土抗拉强度低，水泥土重力式挡墙支护深度小，为克服这一缺点，在水泥土中插入型钢，形成加筋水泥土挡墙支护结构，如图1-29所示。在重力式支护结构中，为了提高深层搅拌桩水泥土墙的抗拉强度，人们常在水泥土挡墙中插入毛竹或钢筋。
图1-28 喷锚网支护结构示意
图1-29 加筋水泥土挡墙支护结构示意
（10）冻结法支护结构。冻结法支护结构是通过冻结基坑四周土体，利用冻结土抗剪强度高、挡水性能好的特性，保持基坑边坡稳定。冻结法支护结构对地基土适用范围广，但应考虑其冻融过程对周围的影响、电源以及工程费用等问题。
（二）非重力式支护结构计算分析
1.支护结构承受的荷载
支护结构承受的荷载一般包括土压力、水压力和墙后地面荷载引起的附加荷载。
（1）土压力。要精确地确定支护结构所承受的土压力是有一定困难的。这是因为土的性质比较复杂，而且土压力的计算还与支护结构的刚度和施工方法等有关。目前对土压力的计算，仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式进行，即假定土为砂砾，黏聚力c＝0，此时：
主动土压力
被动土压力
式中 γ——土的重力密度（kN/m3）；
H——基坑的深度（m）；
φ——土的内摩擦角（°）。
如果土不是纯砂砾，黏聚力c≠0，则此时的主动土压力和被动土压力为
式中 c——土的黏聚力（Pa）；
其余符号意义同前。
对于支点（或拉锚）为两个或多于两个的多支点（拉锚）挡土结构，由于其施工条件和引起的变形不完全符合库仑土压力产生的条件，所以，其土压力不同于库仑理论的土压力。
实际上，侧向土压力的分布是一个较复杂的问题，它与支护结构的刚度、变形、支撑的加设及顶紧力大小、土质、附近的环境条件等都有关系。
（2）水压力。作用于支护结构的水压力，一般按静水压力考虑，水的重力密度γw＝10kN/m3，有稳态渗流时则按图1-30（a）所示的三角形分布计算。在有残余水压力时，按图1-30（b）所示的梯形分布计算。
图1-30 水压力分布图
（a）三角形分布；（b）梯形分布
至于水压力与土压力是分算还是合算，目前两种情况均有采用。一般情况下，由于在黏性土中的水主要是结晶水和结合水，宜合算；在砂性土中，土颗粒之间的空隙中充满的是自由水，其运动受重力作用，能起静水压力作用，宜分算。合算时，地下水水位以下土的重力密度采用饱和重力密度；分算时，地下水水位以下土的重力密度采用浮重力密度，另外单独计算静水压力，按三角形分布考虑。
（3）墙后地面荷载引起的附加荷载。墙后地面荷载引起的附加荷载有以下三种情况：
1）墙后有均布荷载q。如墙后堆有土方、材料等，如图1-31（a）所示，地面均布荷载q对支护结构引起的附加荷载按下式计算：
2）距离支护结构一定距离有均布荷载q。如图1-31（b）所示，距离支护结构l1处有均布荷载q，此时压应力传到支护结构上有一空白距离h1，在h1之下产生了均布的附加应力。相关计算公式为
3）距离支护结构一定距离有集中荷载p。如图1-31（c）所示，如布置有塔式起重机、混凝土泵车等，由p引起的附加荷载分布在支护结构的一定范围h2上。其计算比较烦琐，有时可近似地折成平面均布荷载。
图1-31 墙后地面荷载引起的附加荷载
（a）墙后有均布荷载q；（b）距离支护结构一定距离有均布荷载q；（c）距离支护结构一定距离有集中荷载p
2.单锚（支撑）式板桩的常见破坏方式
单锚（支撑）式板桩的常见破坏方式如图1-32所示。
（1）锚碇系统破坏。锚碇系统破坏可能是拉杆断裂、锚碇失效、横梁破坏，也可能是拉杆端部配件和连接横梁与板桩的螺栓失效等。此外，无意地过多增加附加荷载，锚下面存在水平的软黏土层也有可能引起锚碇系统破坏，如图1-32（a）所示。
图1-32 单锚（支撑）式板桩的常见破坏方式
（a）锚碇系统破坏；（b）板桩底部向外移动；（c）板桩弯曲破坏；（d）整体圆弧滑动破坏；（e）墙后沉降
（2）板桩底部向外移动。板桩的入土深度不够，或挖土超深、水流的冲刷等原因都可能产生这种破坏，如图1-32（b）所示。
（3）板桩弯曲破坏。对土压力的估算不准确、所用的填土材料不适当、墙后无意地增加了大量附加荷载、挖土超深和水流的冲刷降低了挖土线等都可能产生这种破坏，如图1-32（c）所示。
（4）整体圆弧滑动破坏。软黏土发生圆弧滑动可能引起整个板桩墙的破坏，如图1-32（d）所示。
（5）墙后沉降。桩后填土本身发生固结，或原有的软黏土层在新加的填土质量作用下产生沉降，都会引起桩后填土产生过多沉降。这种沉降可能会把拉杆往下拉，从而在拉杆内产生过大的应力而使拉杆断裂或失效，从而引起板桩墙发生破坏，如图1-32（e）所示。
3.验算的相关内容
（1）支护结构的强度计算。计算的方法有很多，如等值梁法、弹性曲线法、竖向弹性地基梁法、有限元法。对刚度较小的钢板桩、钢筋混凝土板桩常用弹性曲线法或竖向弹性地基梁法；对刚度较大的灌注桩、地下连续墙，常用竖向弹性地基梁法等。
（2）支护结构的稳定验算。
1）整体滑动失稳验算。单锚式支护结构，如有足够强度的拉锚，且锚碇在滑动土体以外，可以认为不会发生整体滑动失稳。多层支撑（拉锚）式支护结构，如支撑不发生压曲，或拉锚长度在滑动面之外，一般也不会产生整体滑动失稳，但为慎重起见，仍需对墙底下土层的圆弧滑动进行验算。对于悬臂式支护结构，按边坡稳定进行整体滑动失稳验算。
2）坑底隆起验算。开挖较深的软黏土基坑时，如果桩背后的土层质量超过基坑底面以下地基的承载力，地基中的平衡状态受到破坏，就会出现坑底隆起现象。坑底隆起程度与支护结构挡墙的入土深度有关。入土深度减小虽可降低造价，但过小的入土深度会造成基底土体不稳定，存在产生坑底隆起的危险。为此，对于较深的基坑，须验算坑底抗隆起的能力。
3）管涌验算。基坑开挖后，地下水形成水头差h′，使地下水由高处向低处渗流。因此，坑底下的土浸在水中时，其有效质量为浮重力密度γ′。
基坑管涌的计算如图1-33所示。当地下水的向上渗流力（动水压力）j≥γ′时，土粒则处于浮动状态，于坑底产生管涌现象。要避免管涌现象的产生，则要求：
图1-33 基坑管涌的计算
式中 K——抗管涌安全系数，取值范围为1.5～2.0。
试验证明，管涌首先发生在离坑壁大约等于挡墙入土深度一半的范围内。为简化计算，近似地按紧贴挡墙的最短路线来计算最大渗流力：
式中 i——水头梯度；
t——挡墙的入土深度；
h′——地下水水位至坑底的距离；
γw——地下水的重力密度。
不发生管涌的条件应为
或
即挡墙入土深度如满足上述条件，则不会发生管涌。
如坑底以上的土层为松散填土层、多裂隙土层等透水性好的土层，则地下水流经此层的水头损失很小，可略去不计，此时不发生管涌的条件为
或
在确定挡墙入土深度时，也应符合上述条件。
（3）基坑周围土体变形的计算。在大、中城市的建筑物密集地区开挖深基坑，周围土体变形是不容忽视的问题。如周围土体变形（沉降）过大，必然引起附近的地下管线、道路和建筑物产生过大的或不均匀的沉降，从而带来危害，这在我国及其他国家已屡有发生。
基坑周围土体变形与支护结构横向变形、施工降低水位都有关。
（三）重力式支护结构计算分析
重力式支护结构主要是深层搅拌水泥土桩挡墙和旋喷桩帷幕墙，可按重力式挡土墙的设计方法进行计算（图1-34）。
（1）滑动稳定性验算。
图1-34 重力式支护结构计算简图
式中 Kh——抗滑动稳定安全系数，Kh≥1.2，当基坑边长小于20m时，可取Kh≥1.0；
W——墙体自重（kN/m）；
μ——基底墙体与土的摩擦系数；
Ep——被动土压力合力（kN/m）；
Ea——主动土压力合力（kN/m）。
（2）倾覆稳定性验算。
式中 Kq——抗倾覆稳定安全系数，Kq≥1.3，当基坑边长小于20m时，可取Kq≥1.0；
b，hp，hA——W，Ep，Ea对墙趾A点的力臂（m）；其他符号意义同前。
（3）墙身应力验算。
式中 σ，τ——所验算截面处的法向应力、剪应力（N/mm2）；
W1——验算截面以上部分的墙重（N）；
qu，φ，c——水泥土的抗压强度（N/mm2）、内摩擦角（°）、黏聚力（N/mm2）。
（4）土体整体滑动验算。水泥土桩挡墙由于水泥掺入量较少（通常为土重的12%～14%），需把它看作是提高了强度的一部分土体，进行土体整体滑动验算，如图1-35所示。
图1-35 土体整体滑动验算
有关高层建筑施工（第3版）的文章
- 详细阅读
-
建筑施工基坑支护与降水工程详细阅读
排水口宜设在远离建（构）筑物的低洼地点并应保证排水畅通。7）施工降水期间，应设专人对临近建（构）筑物、道路的沉降与变位进行监测，遇异常征兆，必须立即分析原因，采取防护、控制措施。8）对临近建（构）筑物的排降水方案必须进行安全论证，确认能保证建（构）筑物、道路和地下设施的正常使用和安全稳定，方可进行排降水施工。......
2023-08-23
-
基坑支护结构的作用及设计原则详细阅读
基坑支护是指为了保护地下结构施工和基坑周边环境安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支档、加固与保护措施。深基坑支护工程已成为当前工程建设的热点。目前深基坑支护工程建筑的发展趋势是高层化，基坑向更深层发展。基坑支护工程设计的总体原则为：严格贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。基坑支护工程的设计要满足安全性、经济性及适用性三方面的要求。......
2023-08-29
-
高层建筑施工第3版：高层钢结构构件和用钢量分详细阅读
图7-4柱子组合截面角钢组焊十字钢柱；夹焊钢板的十字钢柱；十字形柱；双槽钢柱；双H型钢柱；四槽钢柱；四角钢柱2.梁和桁架高层钢结构的梁的用钢量约占结构总用钢量的65%，其中主梁占35%～40%。把桁架用于高层钢结构楼盖水平构件，可做到大跨度、小净空，工程管线安装方便。......
2023-08-29
-
装配式大板结构构件类型-高层建筑施工（第3版详细阅读
装配式大板剪力墙结构，是我国发展较早的一种工业化建筑体系，这种结构体系的特点是：除基础工程外，结构的内、外墙和楼板全部采用整间大型板材进行预制装配，楼梯、阳台和通风道等，也都采用预制装配。图6-13装配式大板建筑示意大板结构的构件包括内墙板、外墙板、楼板、楼梯、隔断墙等。......
2023-08-29
-
高层建筑施工环境-高层建筑施工（第3版）详细阅读
另外，对浇筑后的混凝土进行二次振捣，能排除混凝土因泌水而在粗集料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减小内部微裂，增加混凝土密实度，使混凝土的抗压强度提高10%～20%，从而提高抗裂性。混凝土的收缩值和极限拉伸值，除与上述水泥用量、骨料品种级配、水胶比、骨料含泥量等有关外，还与施工工艺和施工质量密切相关。......
2023-08-29
-
高层建筑施工：高层钢结构构件的连接详细阅读
安装高强度螺栓时用尖头撬棒及冲钉对正上、下或前、后连接板的螺孔，将螺栓自由穿入。在同一连接面上，高强度螺栓应按同一方向穿入，并应顺畅穿入孔内，不得强行敲打入孔。高强度螺栓一经安装，应立即进行初拧，初拧值一般取终拧值的60%～80%，在一个螺栓群中进行初拧时应规定先后顺序。高强度螺栓的初拧、复拧、终拧应在同一天内完成。......
2023-08-29
-
土钉支护施工及验算要求高层建筑施工（第3版）详细阅读
土钉支护还必须验算施工各阶段，即开挖至各个不同深度时的稳定性。一般情况下，可在支护基坑内选用人工降水，以满足基坑工程、基础工程的施工。......
2023-08-29
相关推荐