深基坑工程常見支護(hù)形式的選擇探討

楊 一 希

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132)

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深基坑工程常見支護(hù)形式的選擇探討

楊 一 希

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132)

分析了深基坑工程的主要特點(diǎn)，闡述了基坑工程支護(hù)的原則，并從放坡開挖、樁錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)等方面，介紹了現(xiàn)階段常見的基坑支護(hù)形式，并總結(jié)了各種支護(hù)形式的特點(diǎn)，有助于支護(hù)方案的合理選擇，從而保證基坑工程的安全施工。

深基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑工程

隨著城市和路橋建設(shè)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量大型的基坑工程。而基坑工程是一項(xiàng)復(fù)雜程度高的系統(tǒng)性工程，有其自身的特點(diǎn)。對(duì)于基坑工程的施工，支護(hù)措施的合理選取是決定其安全、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。每種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式都有其自身的特點(diǎn)及相應(yīng)的適用范圍，了解不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過其特點(diǎn)針對(duì)不同的工程選擇不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)有利于基坑工程的穩(wěn)定，對(duì)基坑工程設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 深基坑工程的特點(diǎn)

1)基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)基本上都是臨時(shí)性的，不具有相應(yīng)的安全儲(chǔ)備，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。2)基坑工程區(qū)域性較強(qiáng)。不同地區(qū)由于其地質(zhì)條件與水文條件存在一定的差異，所能適應(yīng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)不同，在對(duì)基坑進(jìn)行施工的過程中所采取的開挖方案也會(huì)有差異。3)基坑工程擁有很強(qiáng)的個(gè)體性。基坑工程所處的地質(zhì)條件復(fù)雜，其開挖方案以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)充分考慮施工場(chǎng)地的水文條件與地質(zhì)條件，同時(shí)周圍環(huán)境的因素也是不可忽視的，尤其是相鄰建筑物與相關(guān)市政工程的影響。4)基坑工程具有時(shí)空效應(yīng)。基坑工程的設(shè)計(jì)開挖深度、設(shè)計(jì)尺寸對(duì)所采用的支護(hù)形式影響非常明顯。在設(shè)計(jì)階段，支護(hù)形式的選取應(yīng)充分考慮時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑工程穩(wěn)定性的影響。土體的蠕變性是其非常明顯的特征之一，施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的土壓力是隨施工的進(jìn)程而不斷改變的。土體的蠕變作用可以使土體的強(qiáng)度迅速逐漸減小，由此造成基坑的穩(wěn)定性也隨之降低。5)基坑工程具有系統(tǒng)性。合理的土石方開挖方案對(duì)支護(hù)體系與整個(gè)基坑工程的穩(wěn)定性具有非常重要的意義。若所設(shè)計(jì)的開挖方案不合理，會(huì)造成基坑產(chǎn)生相應(yīng)的形變，嚴(yán)重影響基坑所采用支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。6)基坑工程具備環(huán)境效應(yīng)。基坑的開挖過程對(duì)其周圍土體地下水的影響是不可避免的，開挖土體卸荷同時(shí)也會(huì)引起土體的應(yīng)力重分布，造成基坑周圍的地基土體產(chǎn)生不同程度的沉降，會(huì)影響周圍建筑物的安全。

2 深基坑工程支護(hù)的原則

2.1 設(shè)計(jì)狀態(tài)

1)承載能力極限狀態(tài)。支擋結(jié)構(gòu)即將破壞時(shí)的狀態(tài)即為承載能力極限狀態(tài),該狀態(tài)主要由于以下情況造成：主要指支護(hù)結(jié)構(gòu)和被支護(hù)土體的破壞及管涌、基坑底失穩(wěn)等導(dǎo)致的土體或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。主要包括以下幾種情況:a.基坑支擋結(jié)構(gòu)由于自身彎曲導(dǎo)致破壞；b.由于嵌入深度較短,支擋結(jié)構(gòu)趾部嵌固被動(dòng)抗力不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)支擋能力喪失；c.現(xiàn)象a.與b.共同發(fā)生；d.由于錨固力較大，導(dǎo)致錨桿自身斷裂，邊坡失穩(wěn)；e.由于阻水效果未充分發(fā)揮，導(dǎo)致基坑底部隆起或者形成管涌。

2)正常使用極限狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)是指支護(hù)過程中結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大變形，并有可能對(duì)基坑周圍的環(huán)境造成一定影響的一種極限狀態(tài)。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)其正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于安全等級(jí)較高，或者對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形有特殊要求的基坑工程，需要考察其對(duì)周圍環(huán)境的影響程度，并計(jì)算其支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

2.2 基坑安全等級(jí)

基坑側(cè)壁的安全等級(jí)根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性、土體穩(wěn)定性對(duì)施工影響程度的差異分為三級(jí),不同等級(jí)的基坑側(cè)壁有其相應(yīng)的重要性系數(shù)。基坑側(cè)壁的安全等級(jí)如表1所示。

表1 基坑側(cè)壁安全等級(jí)及重要性系數(shù)

2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1)根據(jù)所用支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)基坑進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定性驗(yàn)算；2)對(duì)基坑的止水進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效果；3)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受彎、受壓、受剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算，確保支護(hù)效果；4)當(dāng)采用內(nèi)支撐或者錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的承載能力與穩(wěn)定性驗(yàn)算；5)對(duì)于表1所示的一級(jí)基坑工程，在滿足上述四點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上還應(yīng)確保其產(chǎn)生的水平位移滿足相應(yīng)的要求。

3 基坑主要支護(hù)形式

3.1 放坡開挖

放坡開挖主要適用于安全等級(jí)較高、土質(zhì)較好、深度較淺，且基坑周圍有大面積土地用于放坡的基坑工程。放坡開挖的整個(gè)過程中并不需要采取相應(yīng)的支護(hù)措施，只需按照安全的坡度直接對(duì)基坑進(jìn)行開挖，同時(shí)對(duì)坡面采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施即可。該方法造價(jià)低，能夠節(jié)約大量的施工成本，對(duì)基坑進(jìn)行開挖設(shè)計(jì)時(shí)，放坡開挖是優(yōu)先被考慮的方法。該方法的缺陷主要是：開挖過程中所涉及的開挖面積較大，產(chǎn)生的土方工程量較大，同時(shí)大量土方需要外運(yùn)至其他地方，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境產(chǎn)生不利的影響，尤其在多雨季節(jié)更加容易引發(fā)自然災(zāi)害。

3.2 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

將特制的型鋼板樁對(duì)基坑工程進(jìn)行支護(hù)的結(jié)構(gòu)稱為鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在施工過程中采用相應(yīng)的施工機(jī)械，每隔一定的距離打入鋼板樁，使其形成一道連續(xù)的板墻，從而達(dá)到施工過程中阻擋基坑周圍土體與地下水的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用較少，且較適用于基坑等級(jí)較高的基坑工程；在軟土地區(qū)，鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑深度小于7 m的基坑支護(hù)效果最佳，對(duì)于更深的基坑，應(yīng)設(shè)置多層錨拉桿或內(nèi)支撐。使用過程中應(yīng)充分考慮工程完工后將鋼板樁拔出對(duì)基坑土體的影響。雖然該方法在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，但是其具有較好的整體性，較高的強(qiáng)度與剛度，對(duì)于不同的基坑開挖形狀與不同的土質(zhì)均能適應(yīng)，在經(jīng)濟(jì)方面所投入的成本也較低，施工過程簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。綜上所述，鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)階段也是一種可選的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.3 水泥土重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)

水泥土重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)通常是采用機(jī)械鉆進(jìn)，用高壓噴射注漿并對(duì)其與土強(qiáng)制攪拌，使其發(fā)生相應(yīng)的物理化學(xué)反應(yīng)，將基坑壁土體與漿混合凝結(jié)成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的混合體。水泥重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)能夠充分的利用基坑土體，與單純的水泥混凝土樁相比，節(jié)約了大量施工成本；2)對(duì)基坑工程所要求的擋土與擋水的效果較好；3)施工簡(jiǎn)便，施工階段對(duì)基坑周圍環(huán)境影響較小；4)施工所需的時(shí)間也較短。同時(shí)該結(jié)構(gòu)也具有如下缺點(diǎn)：1)對(duì)于深度較深的基坑工程并不適用；2)該結(jié)構(gòu)抗拉剛度較小，施工過程中結(jié)構(gòu)頂部會(huì)產(chǎn)生較大的位移，給施工帶來了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。基于以上的優(yōu)缺點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)主要的適用范圍如下：1)適用于開挖深度小于6 m的基坑工程；2)淤泥與含水率比較大的軟粘土的基坑工程；3)擁有較大施工場(chǎng)地，且施工作業(yè)面積較大的基坑工程；4)對(duì)于建筑密度較大的施工場(chǎng)地也能夠取得很好的效果。

3.4 樁錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)

樁錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用較為廣泛，是一種利用巖土體自身進(jìn)行主動(dòng)加固的支護(hù)技術(shù)，錨桿是該結(jié)構(gòu)在支護(hù)過程中的主體，錨桿的一端深入土體，另一端與設(shè)置在基坑壁的各類支護(hù)結(jié)構(gòu)固定，同時(shí)對(duì)錨桿施加設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力，通過對(duì)錨桿的拉力，從而控制錨桿周圍土體的變形，充分調(diào)動(dòng)深層土體的潛能，使基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。該方法適用性強(qiáng)，特別對(duì)于深基坑，甚至是超深基坑均能取得很好的支護(hù)效果，同時(shí)改變支護(hù)措施還可與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用，如墻體支護(hù)結(jié)構(gòu)、樁體支護(hù)結(jié)構(gòu)等。但是并不適用于密實(shí)度較小的土體。其中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)理論是朗肯土壓力理論，具體介紹如下：

朗肯土壓力理論是根據(jù)半空間的應(yīng)力狀態(tài)和土單元體(土中一點(diǎn))的極限平衡條件出發(fā)，假設(shè)以墻背光滑、直立、填土面水平推導(dǎo)出主動(dòng)以及被動(dòng)土壓力計(jì)算理論的公式為：

(1)

其中，ea，ep分別為朗肯主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力強(qiáng)度，kPa；γ為土的重度，kN/m3，地下水位以下采用有效重度；C為土的粘聚力，kPa；h為計(jì)算土層的深度，m；Ka，Kp分別為朗肯被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力系數(shù)，表達(dá)式如下：

(2)

其中，φ為土的內(nèi)摩擦角。

此外該支護(hù)結(jié)構(gòu)還具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：該結(jié)構(gòu)的自身尺寸較小，而整體剛度大，支護(hù)過程中，能夠很好的控制形變，能夠滿足基坑的形變要求；自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)基坑內(nèi)部施工影響較小，縮短工期。

缺點(diǎn)：施工過程中需要穩(wěn)定土層用來設(shè)置錨固體；對(duì)場(chǎng)地環(huán)境與地下空間要求較高；不良的地質(zhì)條件與過大的土壓力，容易影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。

3.5 地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

地下連續(xù)墻的支護(hù)形式有多種，主要有內(nèi)撐式、土層錨桿結(jié)合式、懸臂式、逆作法等。每種支護(hù)形式對(duì)所施工的方法的要求不同，內(nèi)撐式主要是通過設(shè)置內(nèi)支撐在相應(yīng)的設(shè)計(jì)部位，再對(duì)基坑進(jìn)行開挖，對(duì)于開挖深度較深的基坑則需設(shè)置多層內(nèi)支撐，直至設(shè)計(jì)開挖深度；土層錨桿結(jié)合式主要是通過開挖機(jī)械對(duì)基坑進(jìn)行開挖至錨桿設(shè)置深度，再按錨桿的設(shè)置要求進(jìn)行相應(yīng)的施工；懸臂式主要適用于軟土層小于5 m的基坑工程；逆作法是在地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度要求后，對(duì)基坑進(jìn)行開挖，然后用混凝土對(duì)頂層的梁、板、柱進(jìn)行澆筑，通過一段時(shí)間的養(yǎng)生，使其達(dá)到預(yù)定的強(qiáng)度后，再對(duì)基坑下一層土體進(jìn)行開挖，在每一層開挖之前，必須完成對(duì)下一層梁、板、柱的施工，以此作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐，不斷循環(huán)上述方法，直至基坑土層開挖完畢。

該結(jié)構(gòu)的墻厚主要有0.4 m，0.6 m，0.8 m三種，且施工過程中插入基坑的深度一般是基坑開挖總深度的0.3倍～0.8倍。對(duì)于地下連續(xù)墻而言，其防滲與防土的效果毋庸置疑，但是其投資費(fèi)用較高，在基坑設(shè)計(jì)階段，如能將基坑圍護(hù)墻與地下室的外墻兩墻合一，其經(jīng)濟(jì)效果是非常顯著的，這一發(fā)展思路是未來地下連續(xù)墻新的發(fā)展方向。采用逆作法對(duì)兩墻合一的連續(xù)墻進(jìn)行施工，在縮短施工工期的前提下，還能夠取得很好的支撐效果，在今后的基坑工程設(shè)計(jì)中這一思路值得推廣。

3.6 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)又稱為錨釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，是20世紀(jì)中后期發(fā)展起來的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)。它主要由細(xì)長(zhǎng)金屬桿、被加固體與混凝土面板組成，將細(xì)長(zhǎng)金屬桿放置于需要被加固的土體中，然后用坡面的混凝土面板將其固定，從而達(dá)到加固的效果，確保施工過程中基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性，該支護(hù)結(jié)構(gòu)與重力式擋土墻類似。

該支護(hù)結(jié)構(gòu)并不適用于基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)的基坑工程；此外，還具有如下特點(diǎn)：施工過程簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、對(duì)施工場(chǎng)地環(huán)境影響較小、具有較高的承載力。基于以上特點(diǎn)，土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大量的基坑工程中。同時(shí)，也具有如下缺點(diǎn)：在施工過程中所需的空間較大；容易產(chǎn)生較大的變形，對(duì)于變形要求較高的基坑工程并不適用；不適用于軟土和松散砂土地基；開挖深度較深，地下水位較高的基坑工程也不宜采用。

從現(xiàn)階段已有的工程使用來看，當(dāng)單獨(dú)采用該結(jié)構(gòu)時(shí)，基坑的開挖深度必須小于10 m，以確保施工安全，若將土釘墻與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)混合使用，基坑工程的開挖深度則可以適當(dāng)放寬。對(duì)于成孔較困難的土層，會(huì)影響土釘墻的施工，所以不宜采用該方法，對(duì)于自身穩(wěn)定性較差的軟土層，使用土釘墻支護(hù)也無法取得很好的效果。

3.7 復(fù)合型支護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑工程是一項(xiàng)復(fù)雜程度較高的系統(tǒng)性工程，該工程所涉及的專業(yè)面廣，施工工序復(fù)雜，并與許多學(xué)科聯(lián)系密切，相互滲透。基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)是將很多個(gè)具有獨(dú)立功能的部分組成，每個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)都能很好的發(fā)揮其自身的功能，確保基坑施工安全。在設(shè)計(jì)過程中支護(hù)方案的選擇也是非常重要的，應(yīng)考慮整個(gè)工程的系統(tǒng)性。復(fù)合型支護(hù)結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中心思想是將不同支護(hù)結(jié)構(gòu)在同一基坑工程中同時(shí)使用，使其在功能上相互補(bǔ)充，共同發(fā)揮其自身的優(yōu)勢(shì)，脫離了傳統(tǒng)的單一支護(hù)形式的理念。鑒于基坑工程的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)階段對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇時(shí)，應(yīng)該對(duì)基坑周圍的各類地質(zhì)條件充分考慮，并相應(yīng)的采用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)。將不同的支護(hù)體系進(jìn)行組合，合理使用，充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠節(jié)省施工工期，節(jié)約造價(jià)，還能使支護(hù)方案更加合理。

4 結(jié)語

基坑工程的支護(hù)形式是多種多樣的，每一種支護(hù)形式所能夠適應(yīng)的地質(zhì)、水文條件也均有差異，正確支護(hù)方案的選擇對(duì)基坑工程的安全施工具有重要的意義。

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Discussion on common support form selection of deep foundation pit engineering

Yang Yixi

(HunanTransportationVocationalTechnicalCollege,Changsha410132,China)

This paper analyzed the main characteristics of deep foundation pit engineering, elaborated the foundation pit engineering support principle, and from sloping excavation, pile anchor support structure, underground continuous wall support structure and other aspects, introduced the common foundation pit support form, and summarized the characteristics of various support forms, helpful to rational selection of support scheme, so as to ensure the safety construction of foundation pit engineering.

deep foundation pit, support structure, foundation pit engineering

1009-6825(2016)05-0089-03

2015-12-01

楊一希(1982- )，男，講師，工程師

TU463

A