1、基坑支护工程讲座（一）王曙光中国建筑科学研究院地基所2019年8月内容 一、基坑支护设计 二、基坑支护施工 三、基坑支护监测基坑支护设计 1、概念及现状 2、分类与选型 3、设计之前应考虑的影响因素及应具备的条件 4、设计内容 5、土钉墙设计 6、排桩的设计 7、设计文件的编制 概念与现状建筑基坑：为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。基坑支护：为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。近十年来，我国建筑业以惊人的速度发展，每年城镇竣工的建筑面积达5亿平方米。随着人们对建筑的工程质量、环境和功能需求的不断增长，以及我国人
2、口持续增长，可耕地面积因人类活动而逐渐减少，用地紧张、交通拥挤的矛盾在大城市和特大城市日趋突出。科学、合理和持续利用地下空间，这是我国城市化发展的客观要求。充分利用土地资源，在建筑工程中节能省地、建设节约型社会，高层建筑越来越多，高层建筑的基础向超大、超深、大跨、大底盘方向发展。基坑也向超大、超深发展，北京最深的基坑26m。（财源中心26m，国瑞城21-24m，北京饭店21m，中银大厦20m）支护结构分类与选型建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）规定：结构型式 适 用 条 件 排桩或地下连续墙 1.适于基坑侧壁安全等级一、二、三级 2.悬臂式结构在软土场地中不宜大于 5m 3.当地下水位
3、高于基坑底面时，宜采用降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙 水泥土墙 1.基坑侧壁安全等级宜为二、三级 2.水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于 150kPa 3.基坑深度不宜大于 6m 土钉墙 1.基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地 2.基坑深度不宜大于 12m 3.当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施 逆作拱墙 1.基坑侧壁安全等级宜为二、三级 2.淤泥和淤泥质土场地不宜采用 3.拱墙轴线的矢跨比不宜小于 1/8 4.基坑深度不宜大于 12m 5.地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施 放坡 1.基坑侧壁安全等级宜为三级 2.施工场地应满足放坡条件 3.可独立或与上述其
4、他结构结合使用 4.当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施 北京地区基坑支护常用方法及适用范围 1、土钉墙支护结构 普通土钉墙、复合式土钉墙(指加带预应力锚杆+梁、柱或微型桩)特点：工期短、节省造价，但引起边坡水平位移，及周边变形较大 2、排桩加预应力锚杆支护结构（简称护坡桩支护结构）特点：可有效控制边坡水平位移及周边变形，但相应工期长、造价高 3、组合支护结构（护坡桩支护结构+土钉墙支护结构）特点：可一定程度地控制边坡水平位移及周边变形，比较全护坡桩支护工期短、节省造价。4、适用范围 上述支护结构的适用范围主要由下列因素决定 1）、周边建筑物 基坑支护的影响范围主要是距离基坑1.0H（H为基坑
5、深度）的范围之内，对于对变形敏感的重要建筑物（如古建、精密仪器制造建筑）要考虑到 1.5H2.0H（H为基坑深度）的范围。土钉墙支护变形较大，对基坑影响范围内存在建筑物的情况下不宜采用。采用护坡桩支护结构要根据相邻建筑物对变形的要求采用变形控制的设计方法。2）、地质情况 对于软弱的淤泥质土、不易成孔的卵砾石层、回填土层较厚时，不宜采用土钉墙支护结构。3）、基坑深度 10m 可考虑普通土钉支护结构 1015m 复合式土钉墙结构 15m以上 护坡桩或组合式支护结构设计之前应考虑的影响因素及应具备的条件 建筑地基基础设计规范（GB50007-2019）第9.1.4条 基坑开挖与支护设计应具备下列资料
6、：1.岩土工程勘察报告；2.建筑总平面图，地下管线图，地下结构的平面图和剖面图；3.邻近建筑物和地下设施的类型，分布情况和结构质量的检测评价。建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）规定：3.1.4 支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。3.1.5 当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下水控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泻
7、或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。主要影响因素 基坑周边环境：基坑开挖影响范围内包括既有建（构）筑基坑周边环境：基坑开挖影响范围内包括既有建（构）筑物、道路、地下设施、地下管线、岩土体及地下水体等的物、道路、地下设施、地下管线、岩土体及地下水体等的统称。统称。周边建（构）筑物的影响周边建（构）筑物的影响 重点考虑的地下管线类型重点考虑的地下管线类型 施工材料、车辆荷载的影响施工材料、车辆荷载的影响 应重点考虑的土类应重点考虑的土类 地下水条件地下水条件周边建筑物与支护结构相互影响应考虑的主要因素 基础与基坑的距离基础与基坑的距离 建筑物层数建筑物层数 基础型式基础型式 基础埋深基础埋深
8、周边建筑物荷载对支护结构的作用周边建筑物荷载对支护结构的作用 基坑开挖对周边建筑物的影响基坑开挖对周边建筑物的影响JGJ12099GB503302019支护结构附加荷载支护结构附加荷载支护结构的选型与安全度取值原则支护结构的选型与安全度取值原则一旦基坑坍塌造成的后果基坑变形过大造成的后果安全系数取值原则重点考虑的地下管线类型及影响按破坏后果按破坏后果燃气、供水、电力、通讯、热力等管线按对支护结构影响程度按对支护结构影响程度污水、雨水、有渗漏的供水等管线施工及道路车辆荷载的影响 施工荷载应合理取值（材料堆载、施工荷载、临建荷施工荷载应合理取值（材料堆载、施工荷载、临建荷载等）载等）车辆荷载的作用
9、范围车辆荷载的作用范围2.9550kN车辆荷载产生的附加压力表3.0附加压力q(kPa)距离b(m)2.01.023.85.8b4.01.8北京地区应重点考虑的土类 软弱土：软弱土：淤泥、淤泥质土、杂填土、堆填土、高压缩性土 砂土：砂土：标贯、含水量 卵石：卵石：最大粒径及含量、级配、密实度几种特殊的地下水条件 地下管线漏水地下管线漏水 层间水的渗流特性层间水的渗流特性 分层水分层水 降水对沉降的影响降水对沉降的影响 承压水引起的基底突涌承压水引起的基底突涌层间水的渗透特性层间水的渗透特性降水井自渗井的应用自渗井的应用降水井降水井自渗井基坑底面设计内容 建筑地基基础设计规范（GB50007-2
10、019）第第9.1.3条条基坑开挖与支护设计应包括下列内容：基坑开挖与支护设计应包括下列内容：1.支护体系的方案技术经济比较和选型；支护体系的方案技术经济比较和选型；2.支护结构的强度，稳定和变形计算；支护结构的强度，稳定和变形计算；3.基坑内外土体的稳定性验算；基坑内外土体的稳定性验算；4.基坑降水或止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计；基坑降水或止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计；5.基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形及基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形及其对基础桩，邻近建筑物和周边环境的影响；其对基础桩，邻近建筑物和周边环境的影响；6.基坑开挖施工方法的可行性及基坑施工过程
11、中的监测基坑开挖施工方法的可行性及基坑施工过程中的监测要求。要求。建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）规定：3.1.2 基坑支护结构极限状态可分为下列两类：1 承载能力极限状态:对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏；2 正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。3.1.6 根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定进行计算和验算：1 基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容应包括：1）根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算；2）基坑支护结构的受压、受
12、弯、受剪承载力计算；3）当有锚杆或支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。2 对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。3 地下水控制计算和验算：1）抗渗透稳定性验算；2）基坑底突涌稳定性验算；3）根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。土钉墙的设计 概念及发展概念及发展 土钉墙支护结构三类破坏形式土钉墙支护结构三类破坏形式 土钉的三个破坏部位和抗拔力控制条件土钉的三个破坏部位和抗拔力控制条件 如何认识计算与设计的关系如何认识计算与设计的关系 土钉墙的概念设计土钉墙的概念设计 不合理的土钉分布形式不合理的土钉分布形式 土钉墙中预应
13、力锚杆的合理设计土钉墙中预应力锚杆的合理设计概念及发展概念及发展 土钉墙：由土钉加固的基坑侧壁土体与护面等组成的支护结构。土钉支护属于土体加筋技术（Soil Reinforcement）的一种，其发展始于上世纪70年代，德国、法国较早地对其进行研究和应用，80年代引入我国，主要用于治理滑坡、隧道支护等大型土木工程中，90年代逐渐应用于高层建筑的深基坑工程的支护，并得到越来越广泛的应用。它具有设备简单，易于推广、成本低、速度快、对场地土层的适应性强等特点。实践表明实践表明,一般粘性土和粉土一般粘性土和粉土,较密实的较密实的人工填土人工填土,非松散的砂土、碎石土对土钉墙非松散的砂土、碎石土对土钉墙
14、稳定有利稳定有利,而淤泥质土、饱和软土等对土钉而淤泥质土、饱和软土等对土钉墙稳定不利。墙稳定不利。适用的土类土土钉钉锚锚杆杆被动受力 主动受力全长受力 滑裂面外锚固段的锚固力密布,形成重力式挡土墙 数量少面层不是主要受力部分 墙受力很大长3-10m 15-45m浆体直径100(150200)mm单根受力100kN 400-3000kN(设计荷载)土钉与锚杆的比较土钉与锚杆的比较土钉与锚杆的比较土钉与锚杆的比较沉 降 后 的 基 底 面地 基 承 载 力 破 坏 形 式沉 降 过 大q结 构 强 度 破 坏 形 式结 点 脱 焊冲 切 破 坏剪 切 破 坏整 体 失 稳 破 坏 形 式杆 体 拉
15、 断原 基 底 面土钉墙支护结构的破坏形式土钉墙支护结构的破坏形式需要强调的几个观点：需要强调的几个观点：满足整体稳定条件只是土钉墙的破坏控制条件之一结构计算和结构强度控制条件是土钉墙计算的弱点规程中某些构造要求是针对一些无法用计算手段解决的控制条件而规定的应按照有所有可能实际发生的破坏形式建立计算模型和计算控制条件进行设计焊 接土 钉加 强 筋三 角 钢 板焊 接焊 接土 钉 锚 头 连 接 大 样 图土 钉加 强 筋加 强 筋焊 接土 钉加 强 筋土 钉面 层 或 连 接 破 坏锚 固 力 不 足强 度 破 坏土钉的三个破坏部位和抗拔力控制条件土钉的三个破坏部位和抗拔力控制条件LmLfT=
16、T+d q LT=minT，T，T T=f A33y2ss12T=d q L1msf3QRT3T32T1T钉抗拔力的三个控制条件钉抗拔力的三个控制条件如何认识计算与设计的关系如何认识计算与设计的关系计算只是对实际受力状况的近似模拟计算只是对实际受力状况的近似模拟任何计算方法都有假定条件和适用条件任何计算方法都有假定条件和适用条件引起偏差的二种因素引起偏差的二种因素模型模型参数参数计算模型的影响参数的影响 稳定性分析方法中还有土体抗剪强度参数 c、值的确定问题。尽管 c、值可以根据标准试验方法测定，而实际地质勘察报告上所提供的数据往往经过经验修正，在不同地区又有不同的做法。即使采用了用标准试验方
17、法得出的 c、值，从理论上说也不一定符合分析方法所需，因为不少土体的抗剪强度与其受力途径有很大关系，标准试验给出的往往是加载过程下的强度指标，而支护滑移面上的土体却是卸载过程下的破坏。土钉支护分步施工过程中的及时快速支护对于工程的稳定性有极其重要的影响，任何拖延支护过程都会损害土体抗剪能力，这在极限平衡分析方法中也往往得不到反映。土钉墙的概念设计 相对于土钉墙支护技术的广泛应用，对土钉墙的受力机理和计算方法的研究不是很成熟，土钉墙设计应采用概念设计与计算相结合的方法，概念设计方法是建立在已有工程经验和工程现场测试结果基础上的。根据已有的土钉支护工程现场测试结果：1.基坑最大位移发生在基坑顶部；
18、2.沿基坑深度范围受力最大的土钉在中部；3.单根土钉最大拉力作用点在其长度的中部，沿基坑深度方向土钉最大拉力作用点的连线形成的曲线是潜在最危险滑动面的位置。由于基坑最大位移发生在基坑顶部，设计中应增加第一道土钉的长度，但是第一道土钉往往位于填土中，土质松散或含杂物，施工成孔困难，并且各种市政、通讯等管线往往也埋置在这个深度，因此实际设计中应根据实际情况及施工能力选择受力合理且施工可行的第一道土钉长度。由于第一道土钉的长度往往受到限制，施工中可以在地面上设置一道地锚加以弥补，地锚钢筋和面层钢筋有效连接使其成为整体，在基坑发生向坑内的水平位移时，面层带动地锚和土钉共同抵抗水平位移。地锚的设置应跨越
19、最危险滑动面，否则就失去了地锚存在的意义。当设置的地锚跨越最危险滑动面时，地锚不仅能减小基坑顶部位移，而且能加大基坑的整体稳定安全系数。实测表明沿基坑深度范围受力最大的土钉在中部，因此中部土钉往往决定整体滑动面是否能够形成，实际设计中在施工可行的情况下应加长基坑中部的土钉，中部土钉的长度通常取大于基坑深度，以防止最终滑动面的形成。至今尚没有较好的理论能较好地预估土钉支护的位移，有限元法能模拟分步开挖的施工过程、预测边坡变形并计算出土钉内力，但由于计算过程中需要确定较多关于岩土本构模型的参数，并且有限元程序相当复杂，一般工程应用不够方便，在实际工程中减小基坑变形的措施除了上述设置地锚外，还可以采
20、用以下两种措施：1.减少分层、分段作业的深度和长度，尽量缩短从开挖到支护的施工时间间隔；2.采用预应力土钉，通过拧紧土钉端部的高强螺栓，对土钉施加一定的预应力，预应力土钉在面层处设置一道混凝土腰梁，加强该排土钉的横向联系。通常在进行计算时不考虑对预应力土钉施加的预应力，只把它看作普通土钉，所施加的预应力作为安全储备和减小基坑变形的构造措施。合 理 的 土 钉 长 度 分 布 形 式不 合 理 的 土 钉 长 度 分 布 形 式 不合理的土钉长度分布形式不合理的土钉长度分布形式复合土钉墙 复合土钉支护就是把土钉与其他支护形式或施工措施联合应用,在保证支护体系安全 稳定的同时满足某种特殊的工程需要
21、,如限制基坑上部的变形、阻止边坡士体内水的渗出、解决开挖面的自立性或阻止基坑地面隆起等。常用的复合土钉支护有三种基本形式:土钉与预应力锚杆、土钉与微型钢管桩、土钉与搅拌桩(止水帷幕)联合应用。土钉与预应力锚杆联合 当对基坑顶面的水平位移和沉降有严格要求时,可在土钉支护中配合使用预应力锚杆。预应力锚杆一般施作在基坑顶部的第一、二排,对主动区土体施加初始拉力。适用于一般的地层条件,可满足不同实际工程的需要。土钉墙中预应力锚杆的合理长度土钉墙中预应力锚杆的合理长度预应力锚杆的作用预应力锚杆的作用加强土钉墙的抗滑能力加强土钉墙的抗滑能力减小土钉墙位移（通常用在土钉墙的上部）减小土钉墙位移（通常用在土钉
22、墙的上部）增强面层整体性和强度（腰梁）增强面层整体性和强度（腰梁）To普 通 土 钉预 应 力 土 钉L预应力锚杆长度计算预应力锚杆长度计算举例举例锁定值锁定值T0=100kN锚杆直径锚杆直径d=150mm极限摩阻力极限摩阻力qs=90kPa安全系数安全系数K=1.6则则mkdqTLs8.3/0土钉与微型钢管桩联合 基坑开挖前,在开挖线外侧垂直打入钢管,在钢管内高压注入水泥浆,形成沿基坑开挖线以一定间距分布的一排微型桩。在基坑开挖过程中,仍按照土钉支护的施作方法,分 层开挖,分步设置土钉和喷射混凝土面层,并与微型桩连接成整体。一般钢管直径为48-108,常用的为48,直径较小,施工时极易打入土
23、中,施工较 方便、速度快。这种形式适用于土质松散、自立性较差的地层情况,对于限制基坑的变形、增加边坡的稳定性是十分有利的,但不能起到止水隔水的作用。土钉与搅拌桩(止水帷幕)联合 基坑开挖前,沿基坑开挖线用水泥浆与土体充分搅拌形成一定强度的水泥土桩,对于 软土较深的软弱地层,搅拌桩入土深度为基坑底面以下 35m 或一倍开挖深度。在基坑开 挖过程中,同样采用分层开挖 J 分步设置土钉和喷射混凝土面层的施工方法。搅拌桩作为隔水帷幕和临时挡墙,阻止开挖后土体渗水,保证开挖面土体局部的自立 性,减少基坑底部隆起。这种形式适用于软弱地层,当搅拌桩有足够的人土深度时,也适 用于软土层较深的情况。根据上海的工程经验,这种复合土钉支护形式仅适用于 7m 以内的 软土基坑围护工程。谢谢大家！谢谢大家！
