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1、第一节概述第二节支护结构上的土压力计算第三节水泥土墙支护结构设计第四节排桩、地下连续墙支护结构设计第五节土钉墙支护结构设计,第六章基坑支挡结构,第一节、概述,一、几个概念,1、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所开挖的地面以下的坑。,2、基坑工程,是一个复杂的系统工程，构成要素较多，包括支护结构、土体加固、基坑降水、土方开挖和基坑监测等。,随着大量土建工程在地形、地质条件复杂地区的兴建，特别是大、中城市高层建筑施工中深、大基坑工程的大量出现，基坑支护结构显得越来越重要，基坑支护结构的设计计算也将直接影响到工程的安全稳定和经济效益。,2020/7/3,6,2
2、020/7/3,7,深圳某基坑,2020/7/3,8,山西某基坑,2020/7/3,9,三门核电站一期工程泵房基坑,2004年10月25日晚8点40分左右，正在开挖作业的上海中环线3.5标北虹路地道工地发生基坑坍塌事故，坍塌范围长近40米，深约10米，由于发现及时，未造成人员伤亡。,2007年8月23日，焦作一地基坑壁突然坍塌1名工人被埋,2009年3月19日下午1时35分左右，正在西宁市商业巷南市场佳豪广场工程基坑内地坪下12米左右做支护的8名工人被埋在突然坍塌的边坡下，经过救援人员4个多小时的挖掘，8名工人被发现全部死亡。事故发生当晚，西宁市立即成立由市安全生产监督管理局牵头的事故调查组，
3、对事故原因展开全面调查。初步认为，施工单位未按设计要求施工是发生此次坍塌事故的主要原因。,2010年12月7日上午8时30分，郑州市沙口路与兴隆铺路交叉口的一基坑内，4名工人正在施工，突然基坑侧面发生塌方，一名工人被泥土掩埋，不幸身亡。,支挡结构一般由挡土（挡水）和支撑拉锚两部分组成。前者称为挡土结构（或围护结构），后者称为支锚结构。支挡结构类型的划分方法：可按挡土结构的刚度、平衡方式分类也可按支锚结构形式分类还可按组成支挡结构的建筑材料以及施工方法和所处环境条件等进行分类。,一、基坑支护结构的分类,1、按挡土结构的刚度分类可分为刚性支挡结构和柔性支挡结构。所谓刚性支挡结构是指挡土结构的刚度很
4、大，在外荷作用下主要产生刚体位移的支挡结构，如重力式挡土墙、基坑工程中使用的水泥土桩墙等。刚性支挡结构一般以重力作为其主要的平衡力。所谓柔性支挡结构是指具有一定抗弯能力，在外荷作用下的变形以弹性变形为主的支挡结构，常见的柔性支挡结构有板桩墙、钻孔灌注桩柱列式挡土墙和地下连续墙等。,2、按挡土结构的力平衡方式分类在支挡结构中常见的力平衡方式有重力式、悬臂式（图6-1a）及支锚式（图6-lb）。,（a）悬臂式（b）支锚式图6-1支挡结构的力平衡方式分类,3、按支锚结构的形式分类支挡结构的支锚形式有外支撑和内支撑之分。内支撑方式又可分为水平撑（图6-2a）、斜撑（图6-2b）及其组合形式,(a)水平
5、撑(b)斜撑图6-2常见内支撑型式,(a)锚杆式（b）锚定板式(c)土钉式图6-3常见外支撑型式,外支撑方式中常见的有锚杆式（图6-3a）、锚定板式（图6-3b）和土钉式（图6-3c）。,在基坑施工时，有的有支护措施，称为有支护基坑工程；有的则没有支护措施，称为无支护基坑工程。无支护基坑工程一般是在场地空旷、基坑开挖深度较浅、环境要求不高的情况下才能采用，如放坡开挖，这时主要应考虑边坡稳定和排水问题。但随着城市的发展，建筑物基础的深度越来越大，建筑物与地下管线越来越密集，可施工的操作空间越来越小，而且周边环境要求也越来越高，因此相应的基坑工程一般均需要采用支护结构。常见的支护结构类型有：水泥土
6、墙、排桩或地下连续墙、土钉墙。,二、基坑支护结构的形式,图64水泥土墙,属重力式挡土墙，它是依靠挡土墙本身的自重来平衡坑内外土压力差。墙身材料通常采用水泥土搅拌桩、旋喷桩等(见图64)，由于墙体抗拉和抗剪强度较小，因此墙身需做成厚而重的刚性墙，以确保其强度及稳定。优点：水泥土墙具有结构简单、施工方便、施工噪音低、振动小、速度快、截水效果好、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。水泥土墙主要适用于软土地区、环境要求不高、开挖深度不大于6m的情况。,(一)水泥土墙,排桩或地下连续墙式挡土结构又称板式支护结构，由围护桩墙和支锚结构组成。其材料一般为型钢或钢筋混凝
7、土，能承受较大的内力。属柔性支挡结构。1、板式支护结构的类型根据有无支锚结构可分成以下三种类型：(1)悬臂桩墙式挡土结构：不设置内支撑或土层锚杆等，基坑内施工方便。由于墙身刚度小，所以内力和变形均较大，当环境要求较高时，不宜用于开挖较深基坑(软土场地中不宜大于5m)。(2)内支撑桩墙式挡土结构：设置单层或多层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。(3)土层锚杆桩墙式挡土结构：通过固定于稳定土层内的单层或多层土层锚杆来减少围护墙体的内力与变形，设置多层锚杆，可用于
8、开挖深度较大基坑。,(二)排桩、地下连续墙式挡土结构,(1)钢板桩：如图6-5所示，钢板桩截面形式有多种，如：拉森U形、H形、Z形、钢管等。优点：是材料质量可靠，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。缺点：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，拔桩容易引起土体移动，导致周围环境发生较大沉降。,图6-5钢板桩,2、围护桩墙的类型及特点,(2)钢筋混凝土板桩：如图6-6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采用预制和现浇相结合的制作方式，此
9、外在板桩中间需结合注浆来防渗。优点：是造价比钢板桩低。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。,图6-6钢筋混凝土板桩,(3)钻孔灌注桩：作为围护桩的几种平面布置如图6-7所示，桩径一般在6001200mm。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。,图6-7钻孔灌注桩,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。钻孔灌注桩作为围护桩在软土地区可用于开挖深度在
10、512m（甚至更深）的基坑，但在砂砾层和卵石中施工应慎用。其它如树根桩、挖孔灌注桩等与钻孔灌注桩相似。,(4)SMW工法：在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其它种类的受拉材料，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6-8。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。,图6-8SMW工法,(5)地下连续墙：在基坑工程中，地下连续墙平面布置的几种形式如图6-9所示。地下连续墙壁厚通常有60cm、80cm
11、及100cm，深度可达数10m。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。可以在建筑密集的市区施工，常用于开挖10m以上的深基坑，还可同时作为主体结构的组成部分。,图6-9地下连续墙,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。,1.按材料分类现浇钢砼：截面一般为矩形。刚度大，强度易保证，施工方便，整体性好，节点可靠，平面布置形式灵活多变。但浇筑及养护
12、时间长，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影响环境大。,(三)内支撑结构,布置方式有多种，如图6-10所示。纵横对撑构成井字形：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。往往在环境要求很高，基坑范围较大时采用。井字型集中式布置：挖土及主体结构施工相对较容易。,2.按布置形式分类,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。但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对较差。适用的基坑范围不
13、宜太大。圆形环梁：较经济，受力较合理，可节省钢筋混凝土用量，挖土及主体结构施工较方便。但坑周荷载不均匀，土性软硬差异大时慎用。竖直向斜撑：优点是节省立柱及支撑材料。缺点：不易控,制基坑稳定及变形，与底板及地下结构外墙连接处结构难处理。适用于开挖面积大而挖深小的基坑。逆筑法节省材料，基坑变形较小。缺点是对土方开挖及地下整个工程施工组织提出较高的技术要求。在施工场地受限制，或地下结构上方为重要交通道路时采用。,2020/7/3,28,2020/7/3,29,2020/7/3,30,2020/7/3,31,2020/7/3,32,2020/7/3,33,2020/7/3,34,如图6-11所示，土层
14、锚杆体系由围檩、托架及锚杆三部分组成。锚杆头部将拉杆与围护墙牢固地联结起来，使支护结构承受的土侧向压力可靠地传递到拉杆上去并将其传递给锚固体，锚固体将来自拉杆的力通过摩阻力传递给地基稳固的地层中去。,(四)土层锚杆的类型及特点,土层锚杆优点是基坑开敞，坑内挖土及地下主体结构施工方便，造价经济。适用于基坑周围有较好土层，锚杆施工范围内无障碍物，周围环境允许打设锚杆等条件。缺点是稳定性及变形依赖于锚固的效果。,图6-11土层锚杆结构,土钉是用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件。通常采用土中钻孔、放入变形钢筋(即带肋钢筋)并沿孔全长注浆的方法做成。土钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力，在土体发
15、生变形的条件下被动受力，并主要承受拉力作用。土钉也可采用钢管、角钢等作为钉体，采用直接击入的方法置入土中。,（五）土钉墙支护结构,土钉墙是以土钉为主要受力构件的边坡支护技术，它由密集的土钉群、被加固的原位土体、喷射混凝土面层和必要的防水系统组成。如图6-12。,图612土钉支护截面构造示意图,三、支护结构上的土压力与特点,作用于基坑挡土结构上的土压力大小及分布与许多因素有关，这也是难以确定土压力的主要原因。主要有：土的类别及其计算指标、计算理论、支护结构的刚度及位移、有无支点及支点的位置和反力大小、基坑大小及几何尺寸、地下水位、施工方法、施工工序和施工过程、外界荷载与温度变化等。,四、基坑支护
16、结构的施工,（一）井点降水是在基坑开挖前，在坑内四周预先埋设深于基坑坑底的一系列井管，利用抽水设施连续抽水，在井管周围形成降水漏斗，使基坑内的地下水位低于坑底的降水方法。,（二）土方开挖,五、基坑支护监测及环境保护,监测是指在基坑工程施工过程中，对基坑围护结构及周围地层、附近建筑物、地下管线等的受力和变形进行的量测。目的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。,第二节支护结构上的土压力计算,由该表可以看出，经典土压力理论计算得到的土压力不能简单地直接用于计算支护结构上，应根据具体情况做必要的调整。,库仑、朗肯理论计算均采用极限平衡原理，属于静态设计。基坑开挖后土体动态平衡状态，开挖后土体松弛，且随时间增长，坑内环境会随开挖进程有所变化。下表给出了经典土压力与支护结构上土压力的区别。,一、作用在支护结构上的土压力,如前所述，用经典土压力理论计算土压力与作用于支护结构上的土压力有一定差异，其差异大小与很多因素有关。下图为不同支点及不同变位时支护结
