基坑开挖与支护

• 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。
• 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。
• （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。
• (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
基础工程
第十二章
基坑开挖与支护工程
主讲 曹志军
Biblioteka Baidu
第十二章
基坑开挖与支护工程
• • • • • • • 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
• 一、基坑工程的概念
• 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）。
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。
• (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。
• （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^-1200 mm, 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5-12 m，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。
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。
• 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。
• 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。。
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。
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
• (2)钢筋混凝土板桩 • 如图6 4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50 cm，长度可以做到20m，宽度 一般为40^-70 cm。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50 cm X 50 cm左右，壁厚8-12 cm，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。
• （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60 cm,80 cm及100 em, 深度可达数10 m。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l0 m以上深度的基坑，还可同 时作为主体结构的组成部分。
• （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。
• （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。
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。