石桥小区3-5号楼地下车库基坑支护设计文献综述

文献综述

从20世纪80年代以来，尤其是近些年以来大量的工程实践，我国的高层建筑施工技术得到很大的发展，已经达到了世界先进水平。

目前由于深基坑的增多，支护技术发展很快，多采用钻孔灌注桩，地下连续墙，深层搅拌水泥土墙、加筋水泥土墙和土钉墙等，计算理论相比较于从前都有很大的改进。支撑方式有传统的钢柱（或者型钢）和混凝土支撑，亦有在坑外采用土锚拉固。内部支撑形式也有多种，有对撑，角撑，桁架式边撑等。在地下连续墙用于深基坑支护的方面，还推广了两墙合一和逆作法施工技术，能有效的降低支护结构的费用和缩短工期。

1.1基坑支护的原则与依据

基坑支护的原则：安全可靠；经济合理；施工便利和工期保证。

基坑支护的依据：规范；岩土工程规范；基坑支护工程勘察报告；基坑支护结构设计资料；周边环境；基坑的深度。[1]

1.2基坑主要支挡方法、技术类型

基坑工程中采用的围护墙、支撑（或土层锚杆）、围檩、防渗帷幕等结构体系总称为支护结构。

挡土系统：常用的有钢板桩、钢筋混凝土板桩、深层水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、地下连续墙。其功能是形成支护排桩或支护挡土墙阻挡坑外土压力。

挡水系统：常用的有深层水泥搅拌桩、旋喷桩、压密注浆、地下连续墙、锁口钢板桩。其功能是阻挡抗外渗水。

支撑系统：常用的有钢管与型钢内支撑、钢筋混凝土内支撑、钢与钢筋混凝土组合支撑。其功能是支承围护结构侧力与限制围护结构位移。[10]

目前经常采用的主要基坑支护类型有：

（1）放坡开挖：它使用于基坑侧壁安全等级为三级，基坑较浅，周围无紧邻的重要建筑及地下管线，地基土质较好。放坡只要求稳定，位移控制无严格要求，价钱最便宜，但回填土方较大，当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施。放坡可以独立或与其他支护结构结合使用。

采用放坡开挖时，应该考虑到边坡稳定性，边坡稳定验算方法有极限平横法、极限分析法和有限元法。在工程实践中，稳定性分析较多采用极限平衡法，将土坡稳定问题视作平面应变问题。极限平衡法修定边坡的失稳是土体内部产生某一滑裂面，根据滑动土体的静力平衡条件和摩尔库仑破坏准则计算滑动土体沿滑裂面滑动的可能性，即安全系数的大小，然后采用同样的方法选取多个可能的滑裂面，分别计算相应的稳定安全系数。安全系数最低的滑裂面即可能性最大的滑裂面，为稳定性设计控制滑裂面，取最危险滑裂面的安全系数K≥1.35~1.5。常用的方法有圆弧滑动法和条分法。

（2）水泥土搅拌桩围护：它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。一般用于开挖深度不超过6m的基坑，适合于软土地区，环境保护要求不高，施工低噪声、低振动，结构止水性较好，造价经济，但围护较宽，一般取基坑开挖深度的0.7～0.8倍。

深层搅拌法最适宜于各种成因的饱和软土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等，加固深度从数米至30～40m。一般认为含有高岭石、多水高岭石与蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；含有伊利石、氯化物等粘性土以及有机质含量高、酸碱度（pH）较低的粘性土的加固效果较差。当地表杂填土层为厚度大于100mm的石块时，一般不宜使用搅拌桩。

搅拌桩的平面布置可视地质条件和基坑围护要求，结合施工设备条件，分别选用桩式、块式、壁式、格栅式或拱式，它在深度方向可采取长短结合形式。

搅拌桩是一种具有一定刚性的脆性材料所构成，其抗拉强度比抗压强度小得多，在工程中要充分利用抗压强度高的特点，重力坝式挡墙就是利用结构本身自重和抗压不抗拉的一种结构形式。

水泥土围护结构的计算包括抗倾覆、抗滑动验算、整体稳定、抗渗计算及墙体应力计算。

（3）钢板桩：用槽钢正反扣搭接而组成，或用U型、H型和Z型截面的锁口钢板桩。用打入法打入土中，相互连接形成钢板桩墙，既用于挡土又用于挡水。钢板桩具有较高的可靠性和耐久性，在完成支挡任务后，可以回收重复利用；于多道钢支撑结合，可适合软土地区的较深基坑，施工方便，工期短。钢板桩的施工可能会引起相邻地基的变形和产生噪声振动，对周围环境影响很大，因此在人口密集、建筑密度很大的地区，其使用常常会受到限制。而且钢板桩本身柔性较大，如支撑或锚拉系统设置不当，其变形会很大，所以当基坑支护深度大于7m时，不宜采用。同时由于钢板桩在地下室施工结束后需要拔出，因此应考虑拔出时对周围地基土和地表土的影响。

钢板桩支护结构，有永久性结构和临时性结构两类。永久性结构在海港码头中应用较多，如：码头岸墙，护墙等；临时性结构多用于高层建筑的深基础。

（4）排桩支护：排桩支护是指柱列式间隔布置钢筋混凝土挖孔、钻（冲）孔灌注桩作为主要挡土结构的一种支护形式。柱列式间隔布置包括桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度，但各桩之间的联系差必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠联接。为了防止地下水并夹带土体颗粒从桩间孔隙流入（渗入）坑内，应同时在桩间或桩背采用高压注浆，设置深层搅拌桩、旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。

灌注桩施工简便，可用机械钻（冲）孔或人工挖孔，施工中不需要大型机械，且无打入桩的噪声、振动和挤压周围土体带来的危害，成本较地下连续墙低。同时，灌注桩围护结构在建筑主体结构外墙设计时也可视为外墙中的一部分参与受力（承受侧压），这时在桩与主体之间通常不设拉结筋，并用防水层隔开。

排桩支护可分为悬臂式和支锚式，而支锚式又分单点支锚和多点支锚。大多数情况下，悬臂式柱列桩适用于三级基坑，支锚式柱列桩适合于一、二级基坑工程。一般来说，当基坑深h=8m～14m，周围环境要求不十分严格时，多考虑采用排桩支护。柱列式灌注桩的工作比较可靠，但要重视帽梁的整体拉结作用，在基坑边角处，帽梁应连续交圈。当要求灌注桩围护结构起到抗水防渗作用时，必须做好桩间和桩背的深层防水搅拌桩或旋喷桩。当周围环境保护要求严格时，为减少排桩的变形，在软土地区有时对基坑底沿灌注桩周边或部分区域，用水泥搅拌桩或注浆进行被动区加固，以提高被动区的抗力，减少支护结构的变形。

悬臂式排桩围护在坑底以上外侧主动土压力作用下，桩将向基坑内侧倾移，而下部则反方向变位，可根据静力平衡条件计算桩的入土深度和内力。通常用静力平衡法和布鲁姆（Blum）法。

单支点排桩围护是顶端支撑的围护结构，由于顶端有支撑而不致移动而形成一铰接的简支点。通常用图解分析法（弹性线法）和等值梁法。

多支点排桩围护，为了减少支护桩的弯矩可以设置多层支撑。支撑层数及位置要根据土质、坑深、桩径、支撑结构的材料强度，以及施工要求等因素拟定。目前对多支撑围护结构的计算方法一般有等值梁法（连续梁法）；支撑荷载的1/2分担法；逐层开挖支撑力不变法；有限元法等。

（5）土钉墙支护：它是在基坑开挖过程中将较密排列的细长杆件土钉置于原位土体中，并在坡面上喷射钢筋网混凝土面层，通常土钉、土体和喷射混凝土面层的共同工作，形成复合土体。土钉墙支护充分利用土层介质的自承力，形成自稳结构，承担较小的变形压力，土钉承受主要压力，喷射混凝土面层调节表明应力分布，体现整体作用；同时，由于土钉排列较密，通过高压注浆扩散后使土体性能提高。土钉墙施工快捷简便，经济可靠，土钉墙适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土和卵石土等。

土钉墙支护设计应满足规范的强度、稳定性、变形和耐久性等要求。土钉墙支护的土钉设计和稳定性计算采用总安全系数法。其中以荷载和材料性能的标准值作为计算值，并根据此确定土压力。层面设计计算采用以概率理论为基础的结构极限状态计算方法，此时作用于层面的土压力乘以分项系数1.2后作为计算值。

（6）复合型土钉墙支护：它是以水泥土搅拌桩等超前支护组成防渗帷幕，解决土体的自立性、隔水性及喷射面层与土体的粘结问题。对于淤泥质土、饱和软土，应采用复合型土钉墙支护。

复合土钉墙支护设计包括：土钉设计；稳定分析；层面设计；防渗设计。

（7）劲性水泥土搅拌连续墙（SMW工法）：它是以水泥土搅拌桩法为基础，在水泥土搅拌桩中插入型钢或其它芯材料形成的同时具有承力和防渗两种功能的支护形式。凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可以使用SMW工法，特别是适合于以粘土和粉性土为主的软土地区。

SMW工法具有占用场地小、施工速度快、环境污染小，无废弃泥浆、施工方法简单、造价低等优点。

SMW工法适宜的基坑深度与施工机械有关，国内目前一般以基坑开挖深度6～10m，国外尤其是日本由于施工钻孔机械先进，基坑深度达到20m以上时也采用SMW工法，取得较好的环境和经济效果，它极有可能逐步代替钻孔灌注桩围护，在某些工程中有可能代替地下连续墙。

劲性水泥土搅拌桩是在水泥土搅拌桩中插入受拉材料构成的，常插入H型钢。通常认为：水土侧压力全部由型钢单独承担，水泥土桩的作用在于抗渗止水。

SMW挂墙内力计算模式与壁式地下连续墙类似。

（8）地下连续墙：它是利用特制的成槽机械在泥浆（又称稳定浆）护壁的情况下进行开挖，形成一定槽段长度的沟槽；再将地面上制作好的钢筋笼放入槽段内，采用导管法进行水下混凝土浇筑，完成一个单元的墙段，各墙段之间的特定的接头方式相互联结，形成一道连续的地下钢筋混凝土墙。

地下连续墙具有墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基变形都较小，既可用于超深围护结构，也可用于主体结构；适用于各种地层；可以减少工程施工时对环境的影响；可进行逆筑法施工。逆筑法施工一般用在城市建筑高层时，周围施工环境比较恶劣，场地四周邻近建筑物、道路和地下管线不能因任何施工原因而遭到破坏，为此，在基坑施工时，通过发挥地下结构本身对坑壁产生支护作用的能力（即利用地下结构自身的桩、柱、梁、板作为支撑，同时可省去内部支撑体系），减少支护结构变形，降低造价并缩短工期的有效方法。

但是，地下连续墙施工法也有不足之处：对废泥浆的处理；槽壁坍塌；地下连续墙如作临时挡土结构，则造价高，不够经济。

排桩围护的一般计算方法，包括悬臂式排桩围护、单支点排桩围护、多支点排桩围护的各种计算方法以及杆系有限元法，都适用于地下连续墙的静力计算。同时，还有其他一些方法可以计算，如假定支撑轴力、山肩邦男法和弹性法，以及考虑土与结构作用的有限元法。[10]

1.3基坑主要支撑方法、技术类型

深基坑的支护体系由两部分组成，一是围护壁，还有是内支撑或者土层锚杆。作用在挡墙上的水、土压力可以由内支撑有效地传递和平衡，也可以由坑外设置的土锚维持平衡，它们可以减少支护结构位移。为施工需要而构筑的深基坑各类支撑系统，既要轻巧又需有足够的强度、刚度和稳定性，以保证施工的安全、经济和方便，因此支撑结构的设计是目前施工方案设计的一项十分重要的内容。

内支撑可以直接平衡两端围护墙上所受到的侧压力，结构简单，受力明确。土锚设置在围护墙的背后，为挖土、结构施工创造了空间，有利于提高施工效率。在软土地区，特别是在建筑密集的城市中，应用比较多的还是支撑。

在深基坑的支护结构中，常用的支撑系统按其材料分可以有钢管支撑、型钢支撑，钢筋混凝土支撑，钢和钢筋混凝土组合支撑等种类；按其受力形式分可以有单跨压杆式支撑，多跨压杆式支撑，双向多跨压杆支撑，水平桁架相结合的支撑，斜撑等类型。

这些支撑系统在实践中有各自的特点和不足之处，以其材料种类分析。

钢支撑便于安装和拆除，材料消耗量小，可以施加预紧力以合理控制基坑变形，钢支撑架设速度较快，有利于缩短工期。但是钢支撑系统的整体刚度较弱，由于要在两个方向上施加预紧力，所以纵横杆之间的联结始终处于铰接状态。

钢筋混凝土支撑结构的整体刚度好，变形小，安全可靠，施工制作时间长于钢支撑，但拆除工作比较繁重，材料回收利用率低，钢筋混凝土支撑因其现场浇筑的可行性和高可靠度而在目前国内被广泛的使用。

土层锚杆是一种新型的受拉杆件，它的一端与结构物或挡土墙联结，另一端锚固在地基的土层或岩层中，以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力、水压力，是利用地层的锚固力维持结构物的稳定。拉锚的优点是在基坑内部施工时，开挖土方与支撑互不干扰，便于施工，施工时噪音和振动均小，锚杆可采用预应力，以控制结构的变形。

锚固方法以钻孔灌浆为主，受拉杆件有粗钢筋、高强钢丝束和钢绞线等不同类型。锚杆支护体系由挡土构筑物，腰粱及托架、锚杆三个部分所组成，以保证施工期间边坡的稳定与安全。

锚杆长度应为锚固段、自由段的长度之和，并应满足下列要求：

（1）锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑裂面的长度计算，预应力锚杆自由段长度应不小于5m，且应超过潜在滑裂面1.5m。

（2）锚杆锚固段长度应按规定进行计算，并取其中大值，同时，土层锚杆的锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m；岩石锚杆的锚固段长度不应小于3m，且不宜大于和6.5m或8m（对预应力锚索）；位于软质岩中的预应力锚索，可根据地区经验确定最大锚固长度。当计算锚固段长度超过上述数值时，应采取改善锚固段岩体质量、改变锚头构造或扩大锚固段直径等技术措施，提高锚固力。[9]

1.4基坑主要止（降）水方法、技术类型

在沿海软土地区，一般地下水位都比较高，当地层中有厚层饱和淤泥质土、粘质粉土、砂质粉土或粉砂等，基坑开挖时，坑内地下水位必然产生大大低于四周，周围的地下水向坑内渗流，产生渗透力。为了防止由此产生的渗流破坏，基坑必须有止（降）水方案。

地下水控制的设计和施工应满足支护结构设计要求应根据场地及周边工程地质条件水文地质条件和环境条件并结合基坑支护和基础施工方案综合分析确定，地下水控制方法可分为集水明排、降水、截水、和回灌等型式，单独或组合使用。[2]

1.4.1降水

工程降水是基坑工程的一个难点。由于土质和地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法大不相同。在地下水位以下开挖基坑时，采用降水的作用是：

（1）截住基坑边坡面及基底的渗水；

（2）增加边坡的稳定性，并防止基坑从边坡或基底的土粒流失；

（3）减少板桩和支撑的压力，减少隧道内的空气压力；

（4）改善基坑和填土的砂土特性；

（5）防止基底的隆起和破坏。

降水有各种不同的方法，应视工程性质、开挖深度、土质特性及经济等因素进行考虑。在选择和设计基坑降水前，必须由甲方提供工程地质勘察资料，建筑物平面图和立面图，建筑物场地附近房屋平面图等，对于重大工程，设计人员除掌握相应资料外，必须在设计前到工程现场亲自了解，最好能目测各土层的土样，对将来降水工程的布置及其与邻近建筑物的影响。

降水方法按降水机理不同，可分为明沟排水和井点降水。明沟排水是在基坑的周围，有时在基坑中心，设置排水沟，每隔30~40cm设一个集水井，使地下水汇流于集水井内，用水泵将水排出基坑外。明沟排水由于其制约条件较多，尚不能得到广泛的应用，而井点降水的适用条件较广，并经过二十多年来的应用、发展和改进，已形成了多种井点降水的方法。目前常用的井点降水方法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、深井井点、管井点、辐射井点等。这些有效的降水方法现已被广泛用于各种降水工程中，但由于降低地下水位以后，可能带来一些不良影响，如地面沉降，邻近已有建筑物或构筑物的安全稳定及残留滞水的处理等。

表1-1各类井点的使用范围

明沟排水是在基坑内设置排水明沟或渗渠和集水井，使进入基坑内的地下水沿排水沟渠流入井中，然后用水泵将水抽出基坑外的降水方法。明沟排水一般适用于土层较密实，坑壁较稳定，基坑较浅，降水深度不大，坑底不会产生流砂和管涌等的降水工程。

在地下水位以下施工基坑工程时，通常采用井点（垂直和水平井点）降水法来降低地下水位。垂直井点常沿基坑四周外围布设，水平井点则可穿越基坑四周和底部，井点深度大于要求的降水深度，通过井点抽水或引渗来降低地下水位，实现基坑外的暗降，保证基坑工程的施工。经井点降水后，能有效地截住地下渗流，降低地下水位，克服基坑的流砂和管涌现象，防止边坡和基坑底面的破坏；减少侧土压力，增加挖掘边坡的稳定性，有利于边坡的支护和施工；防止基底隆起和破坏，加速地基土的固结作用；有利于提高工程质量，加快施工进度及保证施工安全。[8]

1.4.2止水帷幕

采用防水帷幕，用来阻止或限制地下水渗流到基坑中去。采用防水帷幕后，有时还需要在帷幕内或外面降水。常用的防渗帷幕有以下三种：

(1)水泥土搅拌桩连续搭接的水泥土搅拌桩，是一种最常用的防渗止水结构。水泥土挡墙可以同时起到挡土和止水作用。在钻孔桩排桩挡土时，可以用水泥土搅拌桩止水。

(2)地下连续墙地下连续墙一般能达到自防渗，不会产生渗漏情况。地下连续墙的防渗薄弱点是墙段间的接头部位，在防渗要求较高时，可在墙段接头处的坑外增设注浆防渗。

(3)水泥和化学灌浆帷幕在透水的土层内，沿基坑喷射水泥化学浆以填充土的孔隙，灌浆孔一个紧靠以形成连续防水帷幕。[8]

1.4.3降水时的注意事项

在城市中由于深基坑降水，使邻近建筑物下的水位也降低，若其下是软弱土层，则将因水位降低而减少土中地下水的浮托力，从而使软弱土层压缩而沉降，影响邻近建筑物和管线，降水的时候应该注意：（1）井点降水应减缓降水速度，均匀出水；（2）井点应连续运转，尽量避免间歇和反复抽水；（3）降水场地外侧设置挡水帷幕，减小降水影响范围；（4）设置回灌井系统。

采用止水帷幕，将坑外地下水位保持原状，仅在坑内降水。目前，采用钻孔压浆成桩法、地下连续墙、板桩、深层搅拌桩墙等止水结构形式，效果均较好。其入土深度，取决于土层的透水性，要防止出现管涌、流砂等问题。

当因降水而危及基坑及周边环境安全时，宜采用截水或回灌方法，截水后，基坑中的水量或水压较大时，宜采用基坑内降水；当基坑底为隔水层且层底作用有承压水时，应进行坑底突涌验算，必要时可采取水平封底隔渗或钻孔减压措施保证坑底土稳定。[8]

1.5基坑开挖

为了确保工程的顺利进行和周围建筑物的安全，基坑开挖时的注意事项：

（1）基坑开挖应根据支护结构设计降排水要求确定开挖方案；

（2）基坑边界周围地面应设排水沟且应避免漏水渗水进入；

（3）坑内放坡开挖时应对坡顶坡面坡脚采取降排水措施；

（4）基坑周边严禁超堆荷载；

（5）软土基坑必须分层均衡开挖层高不宜超过1m；

（6）基坑开挖过程中应采取措施防止碰撞支护结构工程桩或扰动基底原状土；

（7）发生异常情况时应立即停止挖土并应立即查清原因和采取措施方能继续挖土；

（8）开挖至坑底标高后坑底应及时满封闭并进行基础工程施工；

（9）地下结构工程施工过程中应及时进行夯实回填土施工。[3]

1.6基坑工程监测

为正确指导施工，确保工程的顺利进行和周围建筑物的安全，应加强施工期间的监测工作，实施信息化施工，随时预报，及时处理，并根据监测数据及时调整施工进度和施工方法。

基坑监测的内容大致有：

（1）围护结构的竖向位移与水平位移；

（2）坑周土体位移

（3）支撑结构轴力

（4）邻近建（构）筑物、道路及地下管网等的变形；

（5）地下水位及孔隙水压力

（6）坑底隆起量[5]

参考文献

[1]JGJ120-99建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1999

[2]GB50021-2001岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001

[3]GB50202-2002建筑地基与基础工程施工质量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002

[4]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008

[5]GB50497-2009建筑基坑工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009

[6]DB32/J-12-2005南京地区地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[7]陈忠汉,黄书秩,程丽萍.深基坑工程[M].北京:机械工业出版社,2002

[8]余志成,施文华.深基坑支护设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1999

[9]熊智彪,陈振富,段仲沅.建筑基坑支护[M]北京:中国建筑工业出版社,2008

[10]陈国兴,樊良本,等.基础工程学[M].北京:中国水利水电出版社,2002

[11]应惠清,赵志缙.简明深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版

社,2000