1、第四章 基坑支护技术4.1 无支护开挖设计4.2 土钉墙支护4.3 锚杆支护4.4 重力式水泥土挡墙4.5 桩墙式围护结构4.6 内支撑体系4.7 逆作法工程板桩墙桩板墙4.5 桩墙式围护结构地下连续墙排桩墙拱圈墙4.5.1 桩墙式围护结构的组成与特点桩墙式支护体系与重力式支护体系相比，不仅有支护墙体，还有维持墙体稳定的支撑体系，其受力特点并不相同：桩墙式围护结构主要由支护墙体起到挡土、挡水的作用，由支撑反力和墙体入土部分所受到的被动区土压力抵抗主动土压力等外荷载，从而维持支护体系的平衡。不同的支护墙体形式具有不同的特点，也有不同的使用范围，在进行支护体系的设计之前，熟悉各种支护结构形式的特点
2、，可以在设计选型和布置时根据工程实际条件和特点选择最合理的支护形式，取得最佳的支护效果。1.板桩墙1）.槽钢钢板桩：槽钢钢板桩：槽钢钢板桩是一种简易的钢板桩支护墙体，由槽钢并排或正反扣搭接而成。优点耐久性良好可回收利用施工方便工期短不足不能挡水和细小土颗粒抗弯能力弱支护刚度小2）.热轧锁口钢板桩：热轧锁口钢板桩：热轧锁口钢板桩的形式有U型、Z型、一字型、H型和钢管组合型。常用U型和Z型钢板桩，基坑开挖深度较大时可以H型或组合型钢板桩。优点质量有保证，可靠性高具有良好耐久性可回收利用施工方便，速度快，工期短不足具有一定挡水能力，高水位下注意锁口防渗打桩时有震动和噪声，拔桩时易带土土质坚硬密实、漂
3、石地区，打桩困难可同多道钢支撑配合使用3）.钢筋混凝土板桩钢筋混凝土板桩钢筋混凝土板桩是一种传统的支护结构，截面带企口有一定挡水作用。优点施工方便，速度快，工期短造价低，经济效果显著强度高，刚度大，变形小可做浇筑混凝土外模板不足打桩对周围环境有影响高水位下企口应做防渗处理硬土层中打设困难2.排桩墙1）.钻孔灌注桩钻孔灌注桩 近年来，随着防渗技术的提高和利用钻孔灌注桩作为主要受力构件的组合支护形式的推出和发展，其适用范围逐渐扩大，已成为应用非常广发的一种支护墙体形式。适用于软黏土质和砂土地区。优点施工时无振动、无噪声、无挤土，对环境影响小强度高、刚度大、支护稳定性好，变形小不足需解决桩间土的防水
4、问题砂砾层和卵石层中施工困难桩与桩之间通过桩顶冠梁和围檩连成整体，整体性相对较差工程桩也为灌注桩时，工期短2）.SMW支护结构支护结构 在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其他种类的受拉材料（钢管、拉伸钢板桩等），形成支护和防水的复合结构，成为SMW工法。SMW支护结构同时具有受力和防渗两种功能。特点施工时噪声小，对环境影响小结构强度可靠挡水、防渗性能好可配合多道支撑用于较深基坑一定条件下可以代替地下连续墙3）.钻孔灌注桩钻孔灌注桩+水泥土搅拌桩组合墙水泥土搅拌桩组合墙 1.排桩 2.水泥土搅拌桩 3.内支撑 5.围檩4）.连拱式排桩连拱式排桩将灌注桩以一定距离布置，桩间再施工12排拱形水泥土搅拌桩，
5、拱脚位于灌注桩上，形成拱形水泥土搅拌桩+灌注桩支护体系。特点：特点：拱形水泥土搅拌桩挡土又挡水，并将土压力传递到拱脚处的灌注桩上，最后传至支撑，充分发挥水泥土搅拌桩和灌注桩两者的特点。3.桩板组合墙 H型钢木挡板作为支护墙体是沿基坑周围先间隔一定距离打下H型钢，然后在土体开挖过程中，随挖随将木板插入护壁。适用于土质较好，地下水位较低的地区。优点施工方便，速度快，工期短H型钢强度高，可减少支撑道数不足一次性投资大打桩和拔桩对周围土体影响大对水土流失封闭作用差，需采取隔水或降水措施4 地下连续墙 地下连续墙是指分槽段用专用机械成槽、浇筑钢筋混凝土所形成的连续地下墙体。1.地下连续墙在基坑支护实践中
6、具有以下明显的优点：1）结构刚度大，整体性好，结构变形较小，开挖过程具有较高安全性；2）墙体具有良好的抗渗性能，坑内降水对坑外的影响较小；3）墙体具有良好的耐久性，配合逆作法施工，墙体可作为地下室外墙；4）施工时基本上无噪声、低振动，对周边环境的影响较小。2.地下连续墙一般适用于以下情况：1）软土地区基坑开挖深度较大，在其他支挡结构无法满足要求时；2）周边环境要求严格，对基坑的变形和防水要求较高时；3）地下室与规划红线距离很小，采用其他支护结构不能满足作用空间要求时；4）采用逆作法施工，且支护结构与主体结构相结合的工程。4.5.2 桩墙式支护结构设计 求得板桩墙系统的受力情况后，需要进行板桩墙
7、系统的构建设计，根据求得的构建内力计算值，按下列规定求出构建设计时的结构内力设计值。截面弯矩设计值截面剪力设计值0FcMM 0FcVV 1.钢板桩设计钢板桩选型应满足下式要求 maxmaxMfW2.H型钢木挡板支护结构设计 H型钢木挡板支护适用于土质较好、不需抗渗止水伙食地下水位较低的基坑。木挡板是直接承受侧向荷载的构件，厚度通过计算确定，以6cm左右为宜，木板的长度随H型钢的间距而定，一般采用0.8m、1.0m、1.2m、1.5m、1.6m等；H型钢及木挡板在条件许可情况下，基坑回填时可回收利用。maxmaxMfWH型钢选型时，应满足下式要求2max18MqlB木板按承受均布荷载的简支梁进行
8、设计，满足 22maxmax22138146ql BMqlfWtBt3.灌注桩挡墙设计灌注桩作为挡土结构受力时，可按钢筋混凝土圆形截面受弯构件进行配筋计算。33sin()sin()2sin()3tccmys sMf rf A r1.圆形截面均匀配筋sin(2)(1)()02cmtysfAfA2.圆形截面局部均匀配筋3sin()sin()2sin()3sscmysr syscscysr syscscssMfArf A rf A yf A rf A ysin(2)(1)()02cmysrscsrscfAfAAAAcos()cos()scssscssyryrcos()1(1cos()ssbrr 当不
9、符合上述的条件时，其正截面受弯承载力可按下式计算sin()(0.78)(0.78)sysrsyscscsMf Arrf Ary其中受压区圆心半角余弦应符合下式要求3.等效矩形截面配筋12()cysMf A yy 灌注桩以圆形截面受弯而采用的沿周边均匀配筋的计算公式，是考虑了任何方向都要具有相同的抗弯能力，而挡土桩的受拉则是一定的，钢筋的布置则应是具有方位性的，布置在非受拉侧的钢筋，实际上是没有起到受拉作用的。设想将受拉主筋配置在桩体受拉一侧，而不是沿周边均匀配筋，这就是等效矩形截面配筋。主筋受拉，其它为构造筋。根据惯性矩相等原则，可以得到等效矩形边长为0.876d。然后按矩形钢筋混凝土梁的截面
10、进行配筋计算，求出受拉侧主筋的截面积。或者31sin()1.50.75sin(2)ry22 2/syr 灌注桩最小配筋率为0.42%，主筋保护层厚度不应小于50mm。箍筋宜采用?6?8螺旋筋，间距一般为200300mm，每隔15002000mm应布置一根直径不小于12mm的焊接加强箍筋，以增加钢筋笼的整体刚度，有利于钢筋笼贷方和浇灌水下混凝土的整体性。钢筋笼的配筋量由计算确定，钢筋笼一般离孔底200500mm。构造配筋4 地下连续墙设计 地下连续墙具有刚度大、强度高、整体性好、以及耐久性和抗渗性好的特点，同时施工时振动小、噪声低，能适合于各种土层条件，还可以作为主体结构或主体结构的一部分并结合
11、逆作法工艺进行施工，因此，其支护性能十分优越。但是相对于灌注桩、钢板桩或水泥土搅拌桩等支护形式而言，它的造价比较昂贵，因此选用时必须经过技术经济比较，确认经济合理时才可采用。地下连续墙的适用条件1.基坑开挖深度在10m以上，或软土质地区基坑周围变形需要严格控制时，土质条件比较软弱或土层性质比较复杂的地基；2.基坑周围建筑物、地下管线十分密集时；3.围护墙体作为主体结构的一部分，且对抗渗性有严格要求时；4.基坑施工采用逆做法时。地下连续墙的形式一字型地下连续墙异形地下连续墙地下连续墙设计1.混凝土工程 混凝土设计强度等级不应低于C20，并按结构设计强度提高一级进行配合比设计；对于重要工程，在配筋
12、设计时，混凝土各种强度指标应乘以0.70.75的折减系数。2.钢筋工程 地下连续梁的配筋可按一般现浇钢筋混凝土构件进行计算。应满足相应构造要求。4.5.3 桩墙式支护结构设计计算悬臂式单支点式多支点式1.悬臂式桩墙设计计算 对于有多层土的情况，应根据朗肯-库伦土压力理论分层计算主动土压力，在此基础上确定计算简图，根据计算简图分别求出嵌固深度、最大弯矩截面位置及最大弯矩值，进行配筋设计或承载力计算，并计算支护结构顶端位移。极限平衡法布鲁姆（Blum）法基床系数法设计计算方法极限平衡法 当单位宽度桩墙量测所受的净土压力相平衡时，桩墙处于稳定状态，相应地桩墙入土深度即为保证其稳定所需的最小入土深度，
13、可根据静力平衡条件求出。1）计算桩前主动土压力及桩后被动土压力，求出第一个土压力为零的点O距离基坑地面的距离u；2）计算O点以上土压力合力E，求出E作用点至O点的距离y；3）计算桩墙底端前侧主动土压力强度ea2及后侧被动土压力强度ep2；4）计算O点处桩墙前侧主动土压力强度ea1及后侧被动土压力强度ep2；5）根据作用在支护结构上的全部水平作用力平衡条件x=0和绕墙底端力矩平衡条件M=0求得z与t；6）根据最大弯矩点处剪力为零，求出最大弯矩点及最大弯矩值Mmax。布鲁姆（Blum）法 布鲁姆简化计算法的计算简图如右图所示，桩墙底部后侧出现的被动土压力以一个集中力Ep代替，由桩墙底部C点的力矩平
14、衡条件M=0，有：()03apthuthEE 21()2ppaEKK t将 代入上式得到：366()0()()apapaEh u hEttKKKK 0(1.1 1.4)tut由此可求得最大弯矩点距土压力为零点O的距离xm：2()mpaExKK此处最大弯矩为3max()()6pamamKKMhuxhEx 排桩在水平荷载作用下，桩身内力及位移的计算，目前较普遍采用将桩作为弹性地基上的梁，按文克尔假定-梁身任一点的土抗力和该点的位移成比例，这种解法简称为弹性地基梁法。其具体的解法大致有三种：基床系数法 直接用数学的方法解桩（即弹性地基梁）在受荷后的弹性挠曲微分方程，求出桩各部分的内力和位移，即数解法
15、；将桩分成有限段，用差分式近似代替桩的弹性挠曲微分方程中的各阶导数式而求解的有限差分法；将桩身划分为有限单元的离散体，然后根据力的平衡和位移协调条件，解得桩的各部分内力和位移，即有限元法。桩在水平荷载作用下，其水平位移（x）愈大时，侧压力（即土的弹性抗力）（）也愈大，侧压力大小还取决于：土体的性质，桩身的刚度大小，桩的截面形状，桩的入土深度等。侧压力的大小可用如下公式表示：C土的水平向基床系数（或简称基床系数），地基系数等。它是反映地基土“弹性”的一个指标，表示单位面积土在弹性限度内产生单位变形时所需施加的力，其大小与地基土的类别、物理力学性质有关。它的单位为KN/m3。C x 大量试验表明，
16、基床系数C值的大小不仅与土的类别及其性质有关，而且也随着深度而变化。目前采用的基床系数分布规律的几种不同图式如下图所示。1）基床系数C随深度成正比例增加。即：M：比例系数。按此图式来计算桩在外荷作用下各截面内力的方法通常简称为“m”法。Cm z2）基床系数C在第一个零变位点以下（Zt时）：C=K=常量当0Zt时，C沿深度成曲线变化（可近似地假定为按直线增加）。K值可按实测确定。按此图式计算桩在外荷作用下的各面截内力的方法，通常简称为“K”法。3）基床系数C随深度成抛物线规律增加，即：C=cZ0.5c比例系数，其值可根据实测确定。2.单支点式桩墙设计计算 顶端支撑（或锚拉）的排桩围护结构与顶端（
17、悬臂）的排桩二者是有区别的。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，对于桩埋入土内部分，入土浅时为简支，深时则为嵌固。1.支护桩入土深度较浅。支护桩前的被动土压力全部发挥，对支撑点的主动土压力力矩和被动土压力力矩相等；这时，墙的底端可能有少许向左位移的现象发生。2.支护桩入土深度增加。桩前被动土压力得不到 充分发挥与利用，这时桩底端仅在原位置转动一 角度而不致有位移现象发生，桩底的土压力便等 于零。3.支护桩入土深度继续增加。墙前墙后都出现被动土压力，支护桩在土中处于嵌固状态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。4.支护桩入土深度进一步增加。这时桩的入土 深度已嫌过深，
18、墙前墙后的被动土压力都不能 充分发挥和利用。设计计算方法浅埋单层支点板桩墙的设计计算（平衡法）等值梁计算法浅埋单层支点板桩墙的设计计算（平衡法）支护桩入土深度较浅时，在土体内未形成嵌固作用，板桩墙受到土体的自由支撑，同时上端承受支撑作用。取支护单位长度，对A点取矩，并令MA=0，F=0；可确定桩的最小入土深度x和支点处支撑反力TA。0apqMMMAapqTEEEapqMMM、：分别为主动土压力、被动土压力和上部堆载对A点产生的力矩。apqEEE、：分别为主动土压力、被动土压力和上部堆载的水平作用力。等值梁计算法 支护桩入土深度较深时，桩、墙的底端向后倾斜，墙前墙后均出现被动土压力，支护桩在途中
19、处于弹性嵌固状态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。图a为一端嵌固、一端简支的梁；图b为在均布荷载作用下梁的弯矩图；图c为将梁ab在反弯点c处切断，并于c点设置简单支座，则ac梁的弯矩在同样分布的荷载作用下保持不变，即ac梁为ab梁上ac段的等值梁。这样可以把支护墙体划分为两段假想梁：上部简支梁和下段一次超静定梁。因此，等值梁法的关键是如何确定反弯点的位置。对于单支撑支护结构，地面以下土压力为零的位置（即主动土压力等于被动土压力的位置）与反弯点位置较接近，为简化计算，假定土压力为零的位置即反弯点的位置。1）求出土压力为零点B的位置，计算B点至坑底的距离u。2）由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反
20、力Ra及B点剪力QB。3）由等值梁BG求算板桩的入土深度x，取MG=0，求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得：4）由等值梁求算最大弯矩Mmax值。000()()aaaBE huaRhuhE ahQhuh6()BpaQxKK0tux()apaEuKK3.多支点式桩墙设计计算 当基坑比较深时，为了减少支护桩的弯矩，可以设置多道支撑。支撑层数及位置要根据土质、坑深、桩的直径（墙的厚度）、支撑结构的材料强度，以及施工要求等因素拟定。等值梁法逐层开挖支撑力不变法分担法等弯矩法弹性支点法等值梁法 多支点排桩按等值梁法计算时，应根据分层挖土深度与每层支撑设置的实际施工情况分阶段分层计算。这时假定下层挖土不
21、影响上层支撑计算的水平力。第k层支撑力Tck为：第k层支撑设置后，该图层开挖所需嵌入深度hTk，由反弯点一下力矩平衡求得hTk为：11kkpjajTkjckTkckE aT aTah1kpjpjTkjckE bhVBpj为反弯点一下基坑内侧各土层水平抗力至该层嵌入深度底端的距离；多支点支护结构嵌固深度设计值小于0.2h时，宜取hTk=0.2h，当基坑底为碎石土或砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足上述规定外，嵌固深度设计值尚应满足抗渗透稳定条件：01.2()wahh h支撑荷载的1/2分担法1）简单地认为每道支撑或拉杆所受的力是相应于相邻两个半跨的土压力荷载
22、值；2）土压力强度为q，对于按连续梁计算，最大支座弯矩（三跨以上）为：最大跨中弯矩为：210qlM 220qlM 这种方法具有一定的实用性，特别对于估算支撑轴力有一定的参考价值。弹性支点法ddhakaakas0.s0.悬臂式支挡结构锚拉(支撑)式支挡结构1-挡土构件；挡土构件；2-由锚杆或支撑简化而成的弹性支座；由锚杆或支撑简化而成的弹性支座；3-计算土反力的弹性支座计算土反力的弹性支座1）支挡结构分布土反力计算0ssspk vpspPE且且式中：ps分布土反力(kPa)；ks土的水平反力系数(kN/m3)；v 挡土构件在分布土反力计算点的水平位移值(m)；ps0初始土反力强度(kPa)；作用
23、在支挡结构嵌固段上的基坑内侧初始主动土压力强度，且不计黏聚力项；Ep作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力(kN);当Ps Ep时，应增加挡土构件的嵌固长度或取Ps Ep时的分布土反力。土的水平反力系数可按下列公式计算：hzmks式中：m土的水平反力系数的比例系数(kN/m4)；z计算点距地面的深度(m)；h计算工况下的基坑开挖深度(m)。土的水平反力系数的比例系数m可按下列经验公式计算：bvcm22.0式中：m土的水平反力系数的比例系数(MN/m4)c、土的粘聚力(kPa)、内摩擦角()，对多层土，按不同土层分别取值；vb挡土构件在坑底处的水平位移量(mm)，当此处的水平位移不大于10mm时
24、，可取vb 10mm。2）锚杆或内支撑对支挡结构作用力的计算hRRRhPvvkF0式中：Fh挡土构件计算宽度内的弹性支点水平反力(kN)；kR计算宽度内弹性支点刚度系数(kN/m)；vR挡土构件在支点处的水平位移值(m)；vR0设置支点时，支点的初始水平位移值(m)；Ph挡土构件计算宽度内的法向预加力(kN)；采用锚杆或竖向斜撑时，取PhPcosba/s；采用水平对撑时，取PhPba/s；对不预加轴向压力的支撑，取Ph0；锚杆的预加轴向拉力（P）宜取（0.75 Nk0.9 Nk），支撑的预加轴向压力（P）宜取（0.5 Nk0.8 Nk），此处，P为锚杆的预加轴向拉力值或支撑的预加轴向压力值，为
25、锚杆倾角或支撑仰角，ba为结构计算宽度，s为锚杆或支撑的水平间距，Nk为锚杆轴向拉力标准值或支撑轴向压力标准值。锚拉式支挡结构的弹性支点刚度系数宜通过锚杆抗拔试验按下式计算：式中：Q1、Q2锚杆循环加荷或逐级加荷试验中（Qs）曲线上对应锚杆锁定值与轴向拉力标准值的荷载值(kN)；s1、s2（Qs）曲线上对应于荷载为Q1、Q2的锚头位移值(m)；ba结构计算宽度(m)；s锚杆水平间距(m)。sssbQQkaR1212在缺少试验时，弹性支点刚度系数也可按下列公式计算：slAEAlEAbAEEkapsfcapcsR)3(3AAAEAEEpmpsc式中：Es锚杆杆体的弹性模量(kPa)；Ec锚杆的复合
26、弹性模量(kPa)；Ap锚杆杆体的截面面积(m2)；A锚杆固结体的截面面积(m2)；lf锚杆的自由段长度(m)；la锚杆的锚固段长度(m)；Em锚杆固结体的弹性模量(kPa)。支撑式支挡结构的弹性支点刚度系数可按下式计算：slEAbkaRR0式中：支撑不动点调整系数；R支撑松弛系数，对混凝土支撑和预加轴向压力的钢支撑，取R1.0，对不预加支撑轴向压力的钢支撑，取R0.81.0；E支撑材料的弹性模量(kPa)；A支撑的截面面积(m2)；l0受压支撑构件的长度(m)；s支撑水平间距(m)。等弯矩法多层支点板桩墙等弯矩布置方法是充分利用板桩墙的抗弯强度出发，将支撑布置成使墙体各跨度的最大弯矩相等，且
27、等于墙身的允许抵抗弯矩，以使墙身材料最经济。分析步骤为：1）确定板桩墙类型，求得墙身截面模量W;2）根据其允许抵抗弯矩计算墙顶部分的最大允许悬臂长度h;3）支撑布置确定后，每延米长度上的支点反力，即围檩承受的均布荷载，可假定为承受相邻两跨各半跨的土压力，则：11()2akkTK D hh逐层开挖支撑力不变法多层支点板桩墙等反力布置是使各层围檩和支撑所承受的力都相等，不考虑充分利用墙体的抗弯强度，从而简化支撑系统。设顶部第一层支点承受0.15T的反力，其它支点反力皆等于T，因此反力T的大小可按下式计算：22(1 0.15)aK HTn 桩的截面按最上面悬臂跨的最大弯矩进行验算。4.5.4 支护桩
28、墙稳定验算 板桩墙式支护体系的稳定性验算是基坑工程设计计算的重要环节。在分析中所需地质资料要能反映基坑顶面以下至少23倍基坑开挖深度的工程地质和水文地质条件。稳定性分析整体稳定性分析抗倾覆稳定性分析基底抗隆起稳定性分析基坑渗流稳定性分析4.5.5 桩墙式支护结构的施工与检测钻孔灌注桩的施工与检测人工挖孔桩的施工钢筋混凝土板桩的施工研究内容钢板桩的施工1.钻孔灌注桩的施工与检测 钻孔灌注桩是在施工现场就地钻孔灌注混凝土，施工时无振动、无挤土、噪声小，适合在城市建筑密集地区使用。施工方法干作业成孔泥浆护壁成孔旋挖成孔螺旋钻孔泥浆正循环施工法泥浆反循环施工法 钻孔灌注桩施工质量检测包括：成孔质量检测
29、、钢筋笼检测、及浇筑混凝土质量检测。旋挖钻孔灌注桩施工动画冲击钻孔灌注桩施工动画2.人工挖孔桩的施工人工挖孔桩是用人力挖土、现场浇筑的钢筋混凝土桩。人工挖孔桩施工测量放线，挖首节土方安装护壁模板，进行下节挖土；依次进行，直至桩底现场制作钢筋笼，分段下放安装浇筑混凝土施工要点严格控制桩体垂直度-吊锤上节护壁混凝土强度达到要求后，才能进行下节开挖保证浇筑混凝土密实度，避免离析钢板桩施工视频钢板桩施工方法锤击打入法振动打入法静力压入法振动锤击打入法3.钢板桩的施工施工前准备钢板桩检验钢板桩吊运及堆放钢板桩的矫正打桩桩帽的选择钢板桩的施工钢板桩的施工顺序钢板桩的打设打桩方法钢板桩的拔除4.钢筋混凝土板桩的施工钢筋混凝土板桩截面的形式有四种：矩形、T型、工字型、口字型。施工方法锤击打入法静力压桩法射水钻孔沉桩法钢筋混凝土板桩的施工准备工作打桩导向架的设置转角与封闭打桩施工
