黃土地區基坑支護方案分析

文／楊世明、張泰豪、楊曄琳、楊波文 北京城建集團有限責任公司 北京 100088

引言：

根據不同地域的地理環境、地下水位深淺和土質情況，采用的支護結構形式不盡相同。不同施工條件下的工程所處的地質環境和工程條件不一樣，對基坑支護形式也要加以選擇。不同地區的土質性質和不同水文地質條件都對深基坑支護產生影響。因此，在進行深基坑支護設計時，應該根據工程實際情況和特殊性質考慮各種支護形式的利弊，選擇合適的支護形式。由于黃土中含有大量粉細砂、粉質粘土和泥質粉土等夾有大量砂礫石層或石質層等不良地質體的土質。因此深基坑支護形式也要與地質地貌、地層巖性及其力學性質、施工條件及周邊環境相結合。同時還應注意對基坑支護結構材料進行特殊處理，以適應黃土地區潮濕的環境。所以在進行黃土地區深基坑支護設計時，要注意采用合理的設計方案。

1.土釘墻支護結構

1.1 土釘墻支護結構簡介

土釘墻具備“土-釘-墻”三大特點：

（1）“土”：可用于各類土壤，含全風化、強風化、破碎和極破碎的各類風化巖，除中、微風化巖外，均可用于各類土壤；

（2）釘：除了在與表面粘接時需要留出一小塊自由碎石外，其他土壤都可以與周邊土壤完全粘接。土釘的長度可以是長的，也可以是短的，可以按照實際的需求來決定。土釘的長度是否相等并不是土釘墻的特點，將其排列成短而密或長而疏也不是土釘墻的特點，是否對其施加了微小的預應力也不是土釘墻的特點。

（3）墻：把表層看作是一堵薄薄的“墻”。土釘墻是由現場的土，釘和墻組成，其它構件，防排水系統，等等都可以不用。在深基坑支護中，常用的支護形式是墻、板兩種形式。

按照施工方式的不同土釘支護一般分為鉆孔注漿式土釘支護和打入式土釘支護。前者適用于軟土，后者適用于強度較高的黃土。一般情況下采用鉆孔注漿式土釘支護方式，通過在土層中進行施工插入樁管及土釘，形成一定形式的剛性墻體。鉆孔注漿法可以直接插入錨桿或鋼絲網，施工簡單，支護效果好。打入式土釘支護則可以通過將錨桿土釘子送入土體中施工。其在土層中的插入深度較淺，且在土中長距離插入錨桿，對土體穩定性要求相對較高。打入式土釘支護將土釘直接打入土體，施工速度較前者快，但適用條件有限。較多的應用于天然黃土地區。因此目前工程中最常采用的是鉆孔灌注的土釘支護形式。

1.2 土釘支護基本原理

土釘支護的基本原理是通過對土體內部的側向壓力作用，土釘可將側向壓力進行有效傳遞，增強土釘墻的穩定性。另一方面，通過土釘支護中的土釘鋼筋，對土體抗剪強度和承載能力進行提升和加固。最后通過土釘與土體間的粘結作用，對整個土體邊坡進行控制。一般情況下采用鉆孔注漿的方式對土層進行注漿處理，可以有效提高土體強度。另外通過土釘與樁管之間的相互連接，使之形成整體穩定結構體系。

土釘支護的基本特征有以下幾個方面：

（1）在土體中插入許多短而密的土釘，形成復合加筋土體，從而對坡面土體起到加固作用；

（2）土釘體的抗拉強度和抗彎強度是通過土體和土釘之間形成的摩擦阻力而實現增強；

（3）在一定范圍內，由于土釘支護效應的存在，使坡面與坡底相比有一個向外傾斜的滑動面，從而增大了坡腳土體的受力程度。

（4）在坡底與坑底之間形成一個向上傾斜的滑裂面，從而增加了土與土釘和坡體及坑底間的接觸面。

（5）在土體中插入大量土釘體后，在一定范圍內還形成了一個向外傾斜的滑裂面，并形成一個相對穩定狀態。

（6）由于土釘支護效應產生于斜坡土體內部，故可以克服由于開挖引起的坑底隆起影響土體穩定性問題。

（7）隨著基坑開挖深度增加以及土層性質改變等因素，土體逐漸趨于穩定。

土釘支護土體的強度可通過加長土釘長度和密度以及提高土釘鋼筋強度等方式進行提高，例如土體內部有空洞，土釘則要適當加密；相鄰兩個水平土釘距基坑邊緣距離相等為佳，同時要保持垂直距離和方向上的均勻。一般情況下，水平土釘深度要大于垂直土釘厚度，以保證水平土釘與土體間的粘結作用和摩擦力。注漿強度等級、注漿和土釘粘結面積及強度等都是影響強度的主要因素。

2.復合土釘墻支護

土釘支護適用的地層范圍很廣，既可用于軟土，也可用于粘性土。對于粘性土和淤泥質土來說，采用普通的土釘就會出現較大的沉陷，給基坑支護帶來困難，并且造價很高。同時對于飽和軟土還存在以下缺點：

（1）施工中很難將土釘植入土體中；

（2）在粘土層中打入土釘后，會引起粘聚力增大并造成局部破壞；

（3）在軟土中打入土釘引起土體結構失穩；

（4）基坑施工完畢后，需對原設計進行復核及補充設計。因此在軟土基坑支護過程中應用普通的土釘支護技術存在著一定的局限性。為了克服上述缺點，同時為了提高土體與基坑底板的粘聚力及抗剪切強度，可將普通的土釘支護與復合土釘支護結合起來使用。從而引出了復合土釘支護的新概念。

2.1 復合土釘墻簡介

復合土釘支護是將普通的土釘和復合土釘結合起來使用的一種新型支護技術，它主要是由兩部分組成：首先是土釘釘體，將復合土釘嵌入土中，然后再與土一起形成一種支護結構。通過水平壓實灌漿和二次壓漿解決土體加固與土釘抗拔力問題。復合土釘支護適用于軟土，但對于淤泥質軟土，飽和軟土及含卵石的粘性土層是不適用的。復合土釘支護可以采用不同的材料，如木樁、鋼筋混凝土等。復合土釘所采用的材料應根據施工場地條件和基坑工程特點來選擇，一般可分為水泥土釘和砂粒土釘兩大類。另外，由于不同的材料所具有的性能及適用范圍都是不一樣的。為了更好地適應不同工程情況，在復合土釘支護設計時還需要對其進行設計優化，從而更好地達到整體支護施工過程中所需要的技術性能。

采用復合土釘支護一般具有以下優點：

（1）可以同時支護兩個基坑，節約費用；

（2）可以在不具備自支撐能力的土體上設置加固土體結構（如墻、坑），從而減少或消除基坑底部沉陷現象；

（3）當坑底存在軟弱夾層時，可采用帶錨桿的復合土釘進行開挖；

（4）由于土釘釘體嵌入土中，因此可減小或消除基坑底土體的位移、變形和隆起；

（5）由于形成了復合的支護結構和加固土體（如墻），因而具有良好的防水性能。

2.2 復合土釘墻原理

由于止水帷幕、微型樁和預應力錨索等因素的影響，使得其與傳統的土釘墻相比，其工作機制更加復雜和多樣。由于組分的性質千差萬別，各種組分的組合方式在做饑餓埋藏時也必定會有差異，所以無法用一個統一的模型來進行分析和研究，本文只是對此做了一點粗淺的了解。

從結構組成、受力機理、使用條件及范圍等方面出發，目前，國內外對該墻的研究主要集中在三個方面，即：隔水簾、預應力錨索和微型樁。這三種類型中，義分別以深層攪拌樁復合土釘墻、預應力錨索復合土釘墻及鉆孔灌注微型樁復合土釘墻為代表。

土釘墻可以直接施工在深厚的軟土土層上。其作用機理主要有：

（1）通過對軟土層側向加固，使其能承受較大水平荷載；

（2）通過加強樁和復合土釘體之間的接觸，減小了樁間土的側摩阻力；

（3）使樁體在軟巖中受到壓縮產生拉應力而起到穩定作用。復合土釘一般包括：土釘、錯距排列的錨桿、微型樁和復合土釘體。

對巖土工程設計，復合土釘支護體系的力學分析主要分為兩類：第一類是采用力學計算方法，確定土釘的間距（包括位置和方向）以及樁間附加應力。第二類是采用有限元方法，將土釘等組成的復合體系模型計算分析。

3.地下連續墻

地下連續墻（簡稱地墻），就是在地面上沿著支護或深基坑開挖工程的周邊，開挖指定長度和深度的溝槽，然后在溝槽內放入鋼筋籠或其他加固材料，注漿使之成為一個整體的結構。用于基坑的擋土結構。

3.1 地下連續墻簡介

地下連續墻被廣泛應用于深基坑工程中作為擋土結構發揮作用，具有施工速度快，節約工期；能夠抵抗土體的側壓力，具有良好的抗滲性能；墻體施工中無噪音污染，無振動和噪聲干擾，施工環境好等優點。

地下連續墻（簡稱地墻）的施工，指的是在地面上，首先構建導墻，然后使用特殊的成槽設備，沿著支護或深開挖工程的周圍，在特殊的泥漿護壁條件下，每次開挖一定長度的溝槽，達到規定的深度。在清槽完成后，在槽中吊放鋼筋籠，然后采用導管法對水下混凝土進行澆筑，混凝土自下而上充滿槽中，并將泥漿從槽中置換出來，筑成一個單元槽段，并依此一段一段進行，這些相互相鄰的槽段在地下筑成一道連續的鋼筋混凝土墻體，用作承重，擋土，截流和滲透的建筑物。

另外，地下連續墻的施工存在一定的難度，在施工時必須要有相應的保護措施，保證整個施工能夠順利進行。從技術角度來看：地下連續墻屬于逆作法的一種形式，逆作施工時需要在地面上進行開挖，因此所需的人工也比較多。同時，這種支護形式可以縮短工期，但是地下連續墻施工時會產生大量皮渣。如果施工不合理則會影響到周圍環境，造成一定的損失。因此，地下連續墻在施工時，必須要采取相應的保護措施。地下連續墻的成本比其他支護形式更高，并且地下連續墻施工時的難度也比其他支護形式更大。因此，在使用地連墻時需要綜合考慮成本和收益。地下連續墻的優點是其可以對周圍建筑物和環境產生影響，但是其缺點也是非常明顯的，在使用前必須要對它進行充分的了解。

3.2 地下連續墻原理

地下連續墻是在地面上沿設計好的距離開挖出一條長度和深度均相等的溝槽，然后在溝槽內放置鋼筋籠并澆筑混凝土，使其成為一個整體。這種支護形式可以抵抗土體的側壓力，具有良好的抗滲性能。它還可以在墻體兩側設置一定長度以增加地下連續墻的長度。

為了使地下連續墻的強度能達到一個較高的水平，在進行連續墻施工時需要控制其強度，從而保證連續墻的強度能夠滿足基坑施工的要求。地下連續性墻支護是以混凝土為主要材料進行建造，在建造過程中可使用多種材料共同組合成的方法，如：鋼管樁、鋼筋混凝土連續墻、鋼拱架及鋼筋籠等。在建造地下連續墻支護時可以使用人工挖掘的方式，也可以選擇機械挖掘。人工挖掘主要使用機械挖土以及人工挖土兩種方式。人工挖掘主要是對溝槽底部進行平整，同時進行相應的加固處理以及排水措施等。機械挖掘主要使用鑿巖機、電動錘等機械設備進行開挖，同時進行相應的加固處理。由于所使用的施工工藝不同，其施工難度及成本也有所區別，需要根據具體情況而定。

4.樁錨支護

4.1 樁錨支護的簡介

樁錨支護系統是一種由樁體和錨桿組成的支護體系。是在土中打入基礎，并與周圍的混凝土護坡樁一起形成了一種整體結構。這種深基坑支護體系，不僅可以有效地減少基坑施工帶來的震動和環境污染，而且可以提高其穩定性，增強基坑的抗滲能力和降低成本。樁錨支護系統是深基坑建設過程中常見的重要方法之一。

樁錨支撐系統主要由兩類支撐結構組成，即錨桿和嵌入地下的防護樁。它通常配有腰梁和冠梁。其中，錨桿是將受拉桿件的一端（錨固段）固定在穩定地層中，另一端與工程構筑物相聯結，為了抵抗土壓力、水壓力等對建筑物產生的推力，可以利用地層中的錨固力量來維持建筑物（或巖土層）的穩定性。巖土錨是在地層中埋設一種錨固裝置，使建筑物與地層形成牢固的整體，利用其與地層間的剪切力，不僅能承受地層的張力，還能加強地層自身的強度，實現建筑物和地層的穩定。冠梁的作用是提供必要的側向支撐，確保基坑穩定，減少變形。由于樁的錨固作用，冠梁可以對樁的變形進行控制，同時將其作為整體進行連接。此外，冠梁和錨桿主要用于將樁體的位移通過預應力作用進行控制。這種樁錨支撐系統適用于軟土地區、土層較厚、地下水豐富、土體強度高的土質條件。樁錨支護結構的兩個主要組成部分是傾斜基礎和錨樁。

4.2 樁錨支護原理

樁錨支護結構主要由錨桿、連接孔、腰梁和冠梁組成。錨桿通常為鋼管，錨索通常為鋼筋混凝土。在樁的兩側設有T 形鋼筋混凝土固定端，以使錨管與鉆孔成T 形或U形布置，并與鉆孔相連接。錨桿是利用鋼絞線、鋼板和鋼筋來制成的。它的主要作用是將樁基和錨索連接在一起，形成一個整體結構，以增加樁體的承載能力，使護坡樁能在基坑開挖后穩定地起到支撐作用。樁錨支護結構中的錨索主要由混凝土制成。它被設置為“T”形，兩端有兩個端頭，與鋼筋混凝土錨桿相連接。樁錨設計時應考慮到樁體所處地形的條件和建筑物對基坑的影響程度。

在基坑開挖時，由于基坑周圍的土體強度低，在基坑的底部會出現較大的水平位移。樁錨結構中的冠梁可對側向變形進行控制，同時可以將樁體中的側向土壓力傳遞到土層深處，從而保證了圍護土體在開挖后的穩定，減少基坑施工帶來的危害。

5.懸臂樁支護

5.1 懸臂式支護概述

懸臂式鋼板樁是一種不使用拉力和錨桿，只依靠板樁本身的結構強度和埋設深度，以確保其穩定和總體安全的技術。在此基礎上，發展一系列能反映樁-樁間土相互作用的分析方法。同時，考慮到被動區對基坑底和樁周土的承載能力要求較高，提出了利用復合地基加強被動區土的方法，實現被動區土壓力的增大。

懸臂樁支護形式具有較強的抗傾覆能力，且可以在一定程度上減少土體內地下水的影響，具有較好的防水效果，但不能保證基坑底部土壓的穩定。若采用該支護形式應注意設置必要的支護樁之間應相互連接固定。在一定程度上提高了基坑安全性。懸臂樁支護在基坑工程中應用廣泛，施工方便且經濟。但如果樁身與錨桿之間產生過大間隙，將會影響支護結構整體性和穩定性，在土體松散土層、土質較差等條件下不適用。

5.2 懸臂式支護原理

懸臂式鋼板樁擋墻無撐無錨，完全依靠板樁的結構強度和入土深度保持擋墻的穩定和整體的安全?？觽韧馏w易產生變形，圍護結構的樁頂位移和樁身彎矩值均較大。此外，該結構形式要求坑底及板樁底部土體有足夠的強度以抵抗產生的反力，因此,在基坑底部被動區土體地質條件不良時，可考慮采用土體加固的方式以提高被動區土壓力。

懸臂樁樁身土壓力分布為水平和豎直方向的土抗力。當懸臂樁樁頂土壓力大于樁底的土壓力時，可能發生水平側移。懸臂式樁基是一種特殊的樁基，其與周圍土層之間存在著非連續性，嚴重時會對支護系統產生不利影響，嚴重時還可能導致結構破壞。所以對懸臂樁樁身的施工要求比較嚴格。在懸臂樁樁頂和坑底形成一個連續體時，為保證整個支護結構安全穩定，其支擋條件較為苛刻，需要采取其他有效措施來控制樁頂水平側移。當懸臂樁樁身與周圍土體構成非連續體時，可在其附近設置支擋體系或其他有效措施提高穩定性。

結語：

本文主要針對黃土地區的土質特點，分別對5 種支護結構進行了分析，地下連續墻支護結構因其成本高、施工過程中會產生廢渣等特點在應用時要結合環境條件、技術和經濟合理的情況下使用。懸臂式樁支護結構具有整體性好、承載力高、施工速度快等特點，在工程實踐中得到廣泛應用。樁錨支護結構主要是通過鉆孔灌注樁、鉆孔灌注土釘等方法形成的柔性墻體。與其他支護材料相比，樁錨支護具有造價低、易于施工和便于自動化控制。樁錨支護結構對垂直深基坑支護有很好的適用性，但對水平的深基坑支護效果不明顯。