深基坑支护设计浅探——某综合楼工程为实例
作者：温茨华
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上传时间：2005-01-24
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简介： 深基坑支护的设计、施工、监测技术是近10多年来在我国逐渐涉及的技术难题。深基坑的护 壁，不仅要求保证基坑内正常作业安全，而且要防止基坑及坑外土体移动，保证基坑附近建 筑物、道路、管线的正常运行。各地通过工程实践与科研，在基坑支护理论与技术上都有了 进一步的发展，取得了可喜的成绩。
关键字：基坑 地基基础
1.深基坑支护类型选择
深基坑支护不仅要求确保边坡的稳定，而且要满足变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物 、地下管线、道路等的安全。如今支护结构日臻完善，出现了许多新的支护结构形式与稳定边坡的方法。
根据本地区实际情况，经比较采用钻孔灌注桩作为挡土结构，由于基坑开采区主要为粘性土 ，它具有一定自稳定结构的特性，因此护坡桩采用间隔式钢筋混凝土钻孔灌注桩挡土，土层锚杆支护的方案，挡土支护结构布置如下：(1)护坡桩桩径600mm，桩净距1000mm；(2)土层 锚杆一排作单支撑，端部在地面以下2.00mm，下倾18°，间距1.6m；(3)腰梁一道，位于坡顶下2.00m处，通过腰梁，锚杆对护坡桩进行拉结；(4)桩间为粘性土不作处理。
2.深基坑支护土压力
深基坑支护是近些年来才发展起来的工程运用学科，新的完善的支护结构上的土压力理论还 没有正式提出，要精确地加以确定是不可能的。而且由于土的土质比较复杂，土压力的计算还与支护结构的刚度和施工方法等有关，要精确地确定也是比较困难的。目前，土压力的计 算，仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式进行。常用的公式为：
主动土压力：
Eα=1/2γH2tg2(45°-Φ/2)-2CHtg(45°-Φ/2)+2C2/γ
工中：Eα——主动土压力(KN)，γ——土的容重，采用加权平均值。H——挡土桩长(m) 。Φ——土的内摩擦角(°)。C——土的内聚力(KN)。
被动土压力：EP=1/2γt2KPCt
式中：EP——被动土压力(KN)，t——挡土桩的入土深度(m)，KP——被动土压力系数，一般取K2=tg2(45°-Φ/2)。
由于传统理论存在达些不足，在工程运用时就必须作经验修正，以便在一定程度上能够满足 工程上的使用要求，这也就是从以下几个方面具体考虑：
2.1.土压力参数：尤其抗剪强度C/Φ的取值问题。抗剪强度指标的测定方法有总应力法和有 效应办法，前者采用总应力C、Φ值和天然重度γ(或饱和容量)计算土压力，并认为水压力包括在内，后者采用有效应力C、Φ及浮容量γ计算土压力，另解水压力，即是水土分算。 总应办法应用方便，适用于不透水或弱透水的粘土层。有效应力法应用于砂层。
2.2.朗肯理论假定墙背与填土之间无摩擦力。这种假设造成计算主动土压力偏大，而被动土 压力偏小。主动土压力偏大则是偏安全的，而被动土压力偏小则是偏危险的。针对这一情况，在计算被动土压力时，采用修正后的被动土压力系数KP，因为库仑理论计算被动土压力 偏大。因此采用库仑理论中的被动土压力系数擦角δ，克服了朗肯理论在此方面的假定。可以求得修正后的KP是：KP=〔CosΨDCosδ[KF)]-Sin(Ψo+ δ)SinΨo〕2
式中是按等值内摩擦角计算，对粘性土取ΦD=Φ是根据经验取值，δ一般为1/3Φ-2/3Φ 。
2.3.用等值内摩擦角计算主动土压力。在实践中，对于抗深在10m内的支护计算，把有粘聚 力的主动土压力Eα，计算式为：E=1/2CHtg2(45°-Φ/2)+2C2/γ。
用等值内摩擦角时，按无粘性土三角形土压力并入Φo，E=1/2γH2tg(45°-Φ/ 2)，而E=E由此可得：tg(45°-[SX(]Φo2= rH2tg2(45°-Ψ/2)-4CHtg(45°-Ψ/2)+4C2/r2rH2
2.4.深基坑开挖的空间效应。基坑的滑动面受到相邻边的制约影响，在中线的土压力最大， 而造近两边的压力则小，利用这种空间效应，可以在两边折减桩数或减少配筋量。
2.5.重视场内外水的问题。注意降排水，因为土中含水量增加，抗剪强度降低，水分在较大 土粒表面形成润滑剂，使摩擦力降低，而较小颗粒结合水膜变厚，降低了土的内聚力。
综上所述，结合本场地地质资料以及所选择的基抗支护形成，水压力和土压力分别按以下方 式计算：
2.5.1.水压力：因支护桩所处地层主要为粘性土层，且为硬塑中密状态，另开挖前已作降水 处理，故认为此压力采用水土合算是可行的。
2.5.2.土压力：桩后主动土压力，采用朗肯主动土压力计算，即：Eα=1/2γH2tg2(4 5°-Φ/2)-2CHtg(45°-Φ/2)+2C2/γ
桩前被动土压力，采用修正后的朗肯被动土压力计算，即：EP＝1/2γt2KP+2KP Ct。
式中：KP＝〔CosΨCosδ-Sin(Ψ+δ)SinΨ 〕2
3.护坡桩的设计
该工程支护结构主要采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加斜土锚的设计方案，桩的直径为600mm， 桩间净距为1000mm。考虑基坑附近建筑屋的影响，还有环城南路上机车等动截荷的影响，支 护设计时，笔者参照部分支护结构设计的相关情形取地面均布载荷q=40KN/m。
3.1.桩上侧土压力：①桩后侧主动土压力，因为桩后土为三层(杂添土、粘土、粉粘土)所以 计算时采用加权平均值的C、Φ、γ，Φ=21.32，得：Eα=4.7H2-2.76H+108.49；②桩前侧被动土压力：因为桩前侧土为两层(粘土层、粉质粘土层)，所以计算时应采用加权平均 值的C′、Φ′、γ′，得：EP＝33.89676t2+104.5t；③均布载荷对桩的侧压力：由公式Eq＝qKaH，得：Eq=18.672H。
3.2.桩插入深度确定：计算前须作如下假设：(1)锚固点A无移动；(2)灌注桩埋在地下无移动；(3)自由端因较浅不作固定端，按地下简支计算。
3.2.1.建立方程：对铰点(锚固点)A求矩，则必须满足：ΣMA=0
所以有：1KEP(23t+h-a)=Eq〔23 (h+t)-a〕+Ep(h+t2-α)q
式中：K为安全系数，取2，得：8.31t3+82.97t2-138.75t=114.12
3.2.2.插入深度及柱长计算：根据实际情况t取最小正解；t=1.99m。
根据《建筑结构设计手册》及综合地质资料，取安全系数为1.2，所以桩的总长度为：L=h+1 .5t=8.5+1.2♀1.99=12.4(m)
3.3.锚拉力的计算：由于桩长已求出，对整个桩而言，由于力平衡原理可以求出A点的锚拉 力，ΣFA=0，即：Eα+Eq=Ep+TA，取t=1.99解得：TA=194.35(KN)
4.土层锚定设计
锚固点埋深α=2m，锚杆水平间距1.6m，锚杆倾角18°，这是因为考虑到：(1)基坑附近有环城南路和建筑物的存在，倾角小，锚杆的握裹力易满足；(2)支护所在粘土层较厚，并且均 一，可作为锚定区；(3)粘土层的下履层(粉质粘土层、粉砂层、圆砾层)都是饱水且较薄。
4.1.土层锚杆抗拔计算：土层锚杆锚固端所在的粘土层：c=47.7kpΨ=20.72°r=20 .13kN/m2
4.1.1.土层锚杆锚非固端段长度的确定。
由三角关系有：BF=sin(45°-Φ/2)/sin(45°-Φ/2+a)•(H-a-d)代入数据计算得：BF=5.06 m
4.1.2.土层锚杆锚段长度的确定：该土层锚杆采用非高压灌浆，则主体抗压强度按下面公式 计算：r=C+(1/2)rhtgΨ。式中：r——埋深h处的抗剪强度，K——安全系数1.5，d——锚杆孔径，取0.12m，锚固段长度L=17.98m
5.结论
深基坑支护工程是近二十年来随着城市高层建筑发展而发展的一门新的实践工程学，它还有 待于理论上的完善，如何取一种在经济技术上都合理的支护类型就必须充分考虑现场环境、工程地质条件以及工程要求。
北京北护城河松林闸深基坑工程支护方案优化探讨（刘纪峰 张会芝 张永红）
http://www.hwcc.com.cn2007年8月24日 《施工技术》2006年7月 编辑：宋金凤
[摘要] 北京市北护城河新建松林闸深基坑工程,受周边复杂环境限制,原设计放坡开挖方案难以实施,本文结合工程实际,提出了支护优化方案,并从各方面对原方案和优化方案进行了对比,结果表明优化方案的合理性。
[关键词] 深基坑; 支护方案; 优化
[中图分类号] TU746.5 [文献标识码] A [文章编号] 1002-8498 (2006) 07-0036-03
北京市北护城河新建松林闸深基坑支护工程,原设计采用了理论上比较经济的放坡开挖方案,但是受周边复杂环境条件的制约,放坡开挖并非最合理的。本文结合现场实际情况,提出了更为合理的优化设计方案。
1 工程概况
北京市护城河与北二环路平行,西起西直门暗涵出口,东到东北城角,全长5 820m ,新建松林闸位于0 + 825～0 + 939 段,开挖深度6.0～9.1m ,结构外边线距北侧滨河路1.5～6.0m ,距南侧北二环路边的公交车站1.5～5.5m ,计划在公交车站出口处留7m 的施工道路。如图1 所示。
据地质勘察报告,松林闸区现地面高程47.80m ,地下水位29.25～29.45m。各土层厚度及其性状如表1 所示。
2 支护优化途径及方案选择
加上无支护或简单护面的放坡方案,目前国内常用的支护方案主要可归纳为5 类,按造价高低,其选择流程为:放坡→坑壁土体加固类→排桩板桩类→地下连续墙→沉井、沉箱类。各类主要形式及其适用深度如下: ①水泥土搅拌桩 适用于基坑深度小于10m 或地下室不超过2 层的基坑工程。②土钉墙(插筋补强) 适用于基坑深度小于10m 或地下室不超过2 层的基坑工程;当基坑深度大于10m 而小于14m 时,此种方法只适用于北方地区及西南土质较好的地区情况。③排桩板桩类(造孔桩、沉管桩、钢板桩等) 适用于基坑深度不超过14m 的各种情况;当基坑深度超过14m 或有4 层以上地下室或特种结构的基坑工程,此种方法只适用于北方地区及西南土质较好的地区情况。④地下连续墙 开槽灌注式施工方法适用于各种情况;SMW工法适用于沿海及南方软土地区情况。⑤沉井、沉箱类 适用于沿海及南方软土地区各种情况。
无支护或简单护面的放坡方案最为经济,如果场地空间允许且无深厚软土,应优先考虑。但是,本工程周边环境复杂,若采用大放坡开挖,北侧滨河路和南岸的公交车站都要挖断。且施工经验表明,基坑开挖深度> 5m时,考虑到放坡增加的土方开挖、外运和回填等项费用,放坡开挖并不比其它支护经济。
本基坑开挖深度在6.0～9.1m,根据前面分析,可采取的深基坑支护结构形式主要有土钉墙、排桩板桩或地下连续墙,悬臂桩和水泥搅拌桩支护方案一般只适用于开挖深度在6.0～7.0m 以下的深基坑工程,普通悬臂桩的嵌固深度,须达到悬臂高度的1～2 倍,由于悬臂桩承受的弯矩很大,其侧向位移也很大。因此,当采用悬臂桩支护形式时,应考虑到基坑周边环境对基坑位移的敏感程度。当悬臂桩支护方案不可行时,可采用喷锚支护与排桩联合应用,即基坑边坡上部采用喷锚支护,下部采用护坡桩(或加锚杆、内支撑) ,以降低基坑工程造价;或者直接采用桩+ 锚杆(内支撑)支护结构。当地下连续墙作为外墙时,采用地下连续墙方案也能起到节约资金的作用。
深基坑工程的优化设计主要从以下4个方面进行: ①技术的可靠性、先进性以及施工的可行性; ②经济效益; ③环境影响; ④工期。按其阶段不同,深基坑工程的优化设计可分为三级优化:系统优化、设计计算优化和反演分析优化(见图2) 。
结合现场实际情况,施工单位考虑了土钉墙+ 桩锚联合支护方式,使用理正4.03基坑支护软件计算,各支护方式参数如下。
2.1 土钉墙支护参数
该部分基坑开挖深度8.30m,坑边荷载取q = 10kNPm2 ,坡度δ= 63.4°,放坡比例1∶0.5 , 土钉间距Sx ×Sy = 1.5m ×1.4m,梅花形布置,孔径10cm,倾角10°。根据内部稳定性及土钉抗拉强度验算,结合施工经验进行局部调整,土钉护坡设计数据如表2 所示。布钉及结构剖面、节点作法如图3 、4 所示。
2.2 排桩+ 锚杆支护参数
基坑开挖深度9.10m,坑边荷载q =10kNPm2 。排桩:桩径1.1m,桩距1.7m,桩长15.40m, 桩顶标高47.80m,嵌固长度6.50m,配筋主筋15Ф22 钢筋, 箍筋<8 @200 ,加强筋Ф14 @2 000 ,桩身C25 混凝土;锚杆: 标高23.80m, 孔径15cm, 孔距1.7m, 长度16.0m,自由端长4.0m, 2根ф22 钢筋,锁定在2 根I22B 上,锁定预应力180kN;桩顶联系梁: 截面1 100mm ×600mm,C25 混凝土, 主筋16Ф16 钢筋,箍筋Ф6.5 @200 ; 桩间土: 挂Ф6.5 @250 ×250 钢筋网片,布设长2.0m、间距1.0m、1Ф18 土钉,用1Ф14 钢筋和护坡桩相连,表面喷射5cm 厚C20 碎石混凝土,限于篇幅,此处不再给出详图。
3 优化方案与原方案对比
下面从几个方面对优化方案与原方案对比: ①技术的可靠性、先进性 原方案可靠,无先进性;优化方案可靠,较先进。②施工的可行性 原方案施工无可行性;优化方案可行。③经济效益 原方案破坏道路及公交站且需拆迁31 棵树木和1 条过河污水管线,总费用逾700 万元;优化方案仅有7 棵树木需要迁移,初步概算费用487 万元,节省200 余万元。④环境影响 原方案需要开挖土方4 万m3 ,回填2 万m3 ,扬尘和噪声污染严重,挖断滨河路和公交车站,严重影响交通状况,树木迁移影响景观,管线破坏影响居民用水;优化方案采取人工挖孔桩,无扬尘和噪声污染等问题,较好地保护了环境。⑤工期 原方案需要同交通、电力、园林、市政等多部门交涉,工期无保证;优化方案工程进展顺利,工期有保证。⑥其它 原方案机械开挖无法及时探明未知地下管线,可能造成事故;优化方案人工挖孔,及时探明地下情况。
4 结语
针对本工程的周边环境条件,对比原设计采用的大放坡开挖方案,采用土钉墙+ 桩锚联合支护,技术上更可靠,施工更可行,节省资金,保护环境,保证了工期,实践证明,联合支护是本工程的优化方案。
参考文献:
[1]李纯,潘秀艳. 福建晋江某基坑支护方案设计[J ] . 施工技术,2005 ,34 (1) :21 - 22.
[2]徐杨青. 深基坑工程设计的优化原理与途径[J ] . 岩石力学与工程学报,2001 ,20(2) :248 - 251.
[作者简介] 刘纪峰(1979 —) ,男,河南沈丘人,中国矿业大学(北京) 博士研究生,北京中国矿大力建博0522 班。
来源：《施工技术》2006年7月
