常用基坑支护结构形式的特点及其适用条件.docx
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常用基坑支护结构形式的特点及其适用条件
常用基坑支护结构形式的特点及其适用条件
基坑支护是为满足地下结构的施工要求及保护基坑周边环境的安全，对基坑侧壁采取的支挡、加固与保护措施。
为了在基坑支护工程中做到技术先进，经济合理，确保基坑边坡、基坑周边建筑物、道路和地下设施的安全，应综合场地工程地质与水文地质条件、地下室的要求、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境和周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，因地制宜地选择合理的支护结构形式。
随着支护技术在安全、经济、工期等方面要求的提高和支护技术的不断发展，在实际工程中采用的支护结构形式也越来越多。
基坑支护工程中的常用支护形式有：
各种成桩工艺的悬臂护坡桩或地下连续墙、护坡桩或地下连续墙与锚杆组成的桩墙一锚杆结构、护坡桩或地下连续墙与钢筋混凝土或钢材支撑组成的桩墙一内支撑结构、环形内支撑桩墙结构、土钉与喷射混凝土组成的土钉墙、土钉墙与搅拌桩或旋喷桩组成的复合土钉墙、土钉墙与微型桩组成的复合土钉墙、搅拌桩或旋喷桩形成的水泥土重力挡墙、逆作拱墙、双排护坡桩、钢板桩支护、SMW工法的搅拌桩支护、逆作或半逆作法施工的地下结构支护、各种支护结构基坑内软土加固、土体冻结法等。
在实际工程中已采用的单独或组合支护形式目前已不下十几种。
虽然具体的支护形式很多，但按照支护结构受力特点划分可归并为桩墙结构（排桩或地下连续墙）、土钉墙结构，重力式结构（水泥土墙）、拱墙结构几种基本类型。
【例题9】基坑支护的基本类型包括（ ）。
A、桩墙结构；
B、土钉墙结构；
C、重力式结构；
D、拱墙结构；
答案：
A、B、C、D
上述几种支护结构的基本形式具有各自的受力特点和适用条件，应根据具体工程情况合理选用。
国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—99）在第3.3节中对各种支护结构的选型做了明确的规定，提出了各种支护形式的适用条件。
表12.3-1为该基坑支护结构的选型表：
《建筑基坑支护技术规程》（JGJl20—99）中支护结构选型表表12.3-1
支护结构选型时，还应考虑结构的空间效应和受力条件的改善，采用有利支护结构材料受力性状的形式。
在软土场地可采用深层搅拌、高压喷射注浆等方法，局部或整体对基坑底土体进行加固，或在不影响基坑周边环境的情况下，采用降水措施提高土的抗剪强度和减小水土压力。
【例题10】某基坑安全等级为一级，基坑深度为5m，土质为软土，承载力特征值为100kpa，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—99），可以采用下列哪种支护结构（ ）。
A、地下连续墙；
B、逆作拱墙；
C、土钉墙；
D、水泥土墙；
答案：
A
1桩墙—锚杆结构
桩墙结构是在基坑开挖前，沿基坑边缘施工成排的桩或地下连续墙，并使其底端嵌入到基坑底面以下。
随着基坑的分层向下开挖，在桩墙表面设置支点，支点形式可以采用内支撑，也可以采用锚杆。
在桩墙结构侧壁上土压力的作用下，桩墙结构的受力形式相当于梁板结构，内支撑可根据具体结构形式进行结构设计计算，锚杆则单独进行承载力的设计计算。
这种结构不设置支点时，为悬臂梁结构，但悬臂结构只适用于基坑深度较浅同时周边环境对支护结构水平位移要求不高的情况下采用。
实际工程中常采用的桩墙结构形式主要有：
排桩—锚杆结构、排桩—内支撑结构、地下连续墙—锚杆结构、地下连续墙—内支撑结构等。
20世纪80 年代以前国内外也较流行钢板桩—锚杆结构、钢板桩—内支撑结构，但目前国内采用的较少。
桩的类型包括各种工艺的钻孔桩、冲孔桩、挖孔桩或沉管桩等。
当搅拌桩内插入型钢且按受力杆件进行设计计算时（SMW工法），也可以纳入这种受力结构形式。
（1）桩墙—锚杆支护结构的特点
桩墙—锚杆支护结构通常由桩或地下连续墙、腰梁、锚杆三部分组成受力体系（图12.3-1）。
当采用地下连续墙时，锚杆可以直接锚固在地下连续墙的墙面上。
采用护坡桩时，第一层锚杆也可以锚固在护坡桩的冠梁上。
省去腰梁的桩墙—锚杆结构，受力体系由桩或地下连续墙、锚杆两部分组成。
【例题11】桩墙—锚杆支护结构通常由（ ）在部分组。
A、桩或地下连续墙；
B、腰梁；
C、锚杆；
D、锚固体；
答案：
A、B、C
常用的护坡桩包括钻孔灌注桩、挖孔桩、沉管灌注桩、冲孔桩等，由于护坡桩主要是承受弯矩，为保证具有足够的受弯能力，桩径一般在600mm以上。
通常采用的腰梁由两根槽钢或工字钢，用钢板焊接或格构钢梁，也可以用钢筋混凝土腰梁。
腰梁应和桩或地下连续墙连接牢固，以传递【例题12】在下列各种桩型中，可以用作护坡桩的是（ ）。
A、水泥土搅拌桩；
B、夯实水泥土桩；
C、CFG桩；
D、钻孔灌注桩；
答案：
D
锚杆锚固在稳定土层以获得足够的轴向抗拔力。
锚杆主要包括成束的受拉钢绞线或钢筋、注浆水泥固结体和连接腰梁的锚头三个基本部分。
钢绞线用专门的锚具连接，钢筋用对焊在钢筋端部的螺扣连接。
【例题13】锚杆主要包括（ ）三个基本部分。
A、受拉钢筋；
B、注浆水泥固结体；
C、锚头；
D、腰梁；
答案：
A、B、C
桩墙作为挡土部分承受基坑侧壁的土压力荷载，当基坑侧壁桩墙后边有地下水存在时，还要承受水压力。
基坑周边有建筑物或施工荷载会使土压力增加，土压力计算中应予以考虑。
锚杆通过利用锚固在稳定土层上的锚固力为桩墙提供弹性支点。
锚杆拉力通过腰梁及其连接件对桩墙提供约束。
在这种受力模型下，桩墙为受弯构件，一般可作为杆件进行计算和设计。
受弯构件按弯矩设计断面尺寸和配筋，要比承受竖向荷载的桩所用的配筋量大的多。
锚杆为轴心受拉构件，从受力上沿锚杆长度分为自由段和锚固段，对锚杆承载力起作用的是锚固段。
影响锚杆承载力大小的有三个控制条件：
1）锚固段锚固体与周围土体的摩阻力；
2）锚固体对钢筋或钢绞线的握裹力；
3）钢筋或钢绞线的抗拉强度。
【例题14】影响锚杆承载力大小的三个控制条件是（ ）。
A、锚固段锚固体与周围土体的摩阻力；
B、锚固体对钢筋或钢绞线的握裹力；
C、钢筋或钢绞线的抗拉强度；
D、锚头的抗拉强度；
答案：
A、B、C
对于土层锚杆，握裹力一般大于钢筋或钢绞线与土之间的摩阻力，因此承载力主要由摩阻力和钢筋或钢绞线的强度控制，可由摩阻力条件确定了锚杆承载力后，再根据承载力设计钢筋或钢绞线的截面。
根据采用的不同材料，腰梁按钢结构或混凝土结构有关设计规范设计。
（2）适用条件
桩墙—锚杆支护技术适用范围很广，在大部分场地和地质条件下都能采用，尤其基坑深度大、对水平变形的限制要求高、基坑周边场地狭窄的情况最能体现其优越性。
不适于桩墙—锚杆支护的情况包括：
1）基坑周边无法或不允许施工锚杆，如周边有其他地下结构、桩基造成施工障碍；
2）特定地层条件下，锚杆锚固段无法避开软弱土层，即使锚杆很长，仍不能提供足够的锚固力，造价和工期上也很浪费；
3）锚杆施工困难，如砂卵石地层存在承压力的情况下，现有机具无法成孔和不能保证水泥浆灌注质量。
虽然桩墙—锚杆支护技术适用面较广，也易于保证基坑的安全，但是造价相对较高。
在周边环境条件不复杂，能够采用其他更经济的支护技术的情况下，应综合安全、经济、工期等因素进行不同支护方案的比较后进行选择。
2桩墙—内支撑结构
（1）桩墙—内支撑支护结构的特点
桩墙—内支撑支护结构由桩或地下连续墙和基坑内的支撑结构两部分组成受力体系。
桩或地下连续墙的受力
特点和技术要求与桩墙—锚杆支护结构是基本相同的（见上图）。
常用的支撑结构按材料类型可分为钢筋混凝土支撑、钢管支撑、型钢支撑、钢筋混凝土和钢的组合支撑等形式；按支撑受力特点和平面结构形式可划分为简单对撑、水平斜撑、竖向斜撑、水平桁架式对撑、水平框架式对撑、环形支撑等形式，一般对于平面尺寸较大、形状不规则的基坑常根据工程具体情况采用上述形式的组合形式。
与桩墙一锚杆结构同样，桩墙作为挡土结构承受基坑侧壁的土压力和水压力，内支撑通过与桩墙的连接点给桩墙提供支撑力。
严格地讲，桩墙和内支撑应看做一个整体受力结构承受侧向的土压力、结构自重等各项荷载。
但由于结构整体是一个空间结构，土压力荷载又很复杂，计算起来相当困难。
因此工程上常采用简化受力结构的方法，将桩墙与内支撑分别进行计算，达到满足工程应用的目的。
对于复杂内支撑结构，应对包括腰梁和冠梁在内的整体支撑系统进行计算。
根据支护结构变形的设计要求，支撑与桩墙的连接处可通过设置千斤顶对支撑预加压力。
（2）适用条件
从支护结构自身技术可行性角度来讲，桩墙—内支撑支护技术适用范围极广，用其他支护形式解决不了的问题，一般都能用桩墙—内支撑解决，也相对安全可靠。
在无法采用锚杆的场合和锚杆承载力无法满足要求的软土地层也可采用内支撑解决。
但该结构形式存在以下一些缺点，使得在其他支护结构形式能使用时，不太愿意采用桩墙—内支撑结构，这些缺点包括：
1）由于支撑设在基坑内部，影响主体地下室施工，在地下室施工过程要逐层拆除，施工技术难度大；
2）一般支撑系统都要设置立柱，立柱要在基坑开挖前施工，并进入基坑面以下的持力土层，底板施工时立柱不能拆除，使底板在立柱处不能一次浇注混凝土，给后期防水处理造成一定困难和容易影响防水质量；
3）基坑土方和支撑施工交叉作业，支撑做好后，影响支撑下部的土方开挖，难以设置出土运输坡道，有时只能人工挖土和垂直运输，显著影响挖土效率；
4）当基坑面积较大时，一般支撑系统都较庞大，工程量大，造价也高，从经济上不具有优越性。
但是当采用可重复使用的可拆装工具式支撑时，可解决此问题。
工具式支撑一次性投资很高，目前在我国还不具备推广应用的客观条件。
3土钉墙结构
（1）土钉墙结构的特点
土钉墙支护技术是一种原位土体加固技术，是在分层分段挖土和施工的条件下，由原位土体、在基坑侧面土中斜向设置的土钉与喷射混凝土面层三者组成共同工作的土钉墙，其受力特点是通过斜向土钉对基坑边坡土体的加固，增加边坡的抗滑力和抗滑力矩，达到稳定基坑边坡的作用，如图12.3-3。
土钉的施工一般采用钻孔中内置钢筋后，然后向孔中注浆，坡面用配有钢筋网的喷射混凝土形成的土钉墙；也有采用打入式钢管再向钢管内注浆的土钉；也有采用土钉和预应力锚杆等结合的复合土钉墙结构。
利用水泥土桩组合式土钉墙支护技术，形成封闭周边地下水的截水帷幕，使该项技术能够应用在不降水的条件下，进行土钉墙的施工。
【例题15】土丁墙由（ ）三部分组成。
A、原位土体；
B、土钉；
C、喷射混凝土面层；
D、地下边续墙；
答案：
A、B、C
土钉主要分为钻孔注浆土钉与打入土钉两类。
钻孔注浆土钉为最常用的土钉类型，施工简单快速，先在土中钻孔，一般钻孔直径Φ100～120mm，采用Φ16～32mm的Ⅱ、Ⅲ级钢筋置入孔内，为使土钉钢筋处于孔的中心位置，有足够的浆体保护层，需沿钉长每隔2～3m设对中支架。
然后采用强度等级不低于M10水泥浆或水泥砂浆沿全长注浆。
水泥浆水灰比一般为0.5左右，水泥砂浆配合比一般1：
1～1：
2，水灰比为0.38～0.45。
注浆方式常用常压注浆。
打入式土钉一般采用钢管等材料打入土中形成，可用人力或振动冲击钻、液压锤等机具打入，打入式土钉的优点是不需要预先钻孔，施工速度快。
打入式土钉一般长度受到限制，不易用于密实砂卵石和胶结土中。
打入钢管一般采用周围带孔的闭口钢管，可在打入后管内高压注浆，增强土钉与土的粘结力，提高土钉的抗拔能力。
这种土钉特别适合于成孔困难的砂层和较软土层。
土钉长度一般为开挖深度的0.5～1.2倍，间距为l～2m，与水平夹角一般为5°～20°。
面墙一般由φ6～l0mm、间距150～300mm的钢筋网，强度等级不低于C20、面层厚度一般为80～150mm的喷射混凝土形成。
为保证土钉与面墙的有效连接，采用加强钢筋与土钉和分布钢筋连接，也可采用承压垫板方法连接。
土钉墙墙面应设泄水孔，排除土体内积水，消除面层后水压力对坡面的作用和减小地下水对降低土体强度的影响，坡底应设排水沟和积水井，以排泄地面雨水和坡面渗漏水。
与其他支护类型相比，土钉墙具有以下一些特点：
1）土钉墙支护技术是通过原位土体加固、充分利用原位土体的自稳能力，因而能大幅度降低支护造价，一般比桩墙支护结构节约很多费用，具有显著的经济效益。
2）施工方法和设备简单，土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机具，土钉施工的作业对场地占用少。
3）因施工工艺简单，施工与基坑土方工程同步进行，交叉作业。
根据土钉设置的层数，挖一层土，施工一层土钉，施工工期一般较短。
（2）适用条件
1）土钉墙适用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土、黏性土和弱胶结砂土的基坑和边坡，当土钉墙与水泥土桩截水帷幕组合时，也可用于存在地下水的条件。
2）土钉墙一般宜用于深度不大于12m的基坑，当土钉墙与水泥土桩、微型桩、组合使用时，深度可适当增加。
3）土钉墙不能用于淤泥、淤泥质土等无法提供足够锚固力的饱和软弱土层。
4）当基坑旁边有地下管线或建筑物基础时，阻碍土钉成孔，或遇密实卵石层无法成孔，不能采用土钉墙。
5）不宜用于含水丰富的粉细砂层容易造成塌孔的情况。
6）不宜用于邻近有对沉降变形敏感的建筑物的情况，以免造成周边建筑物的损坏。
当局部采用预应力土钉（锚杆）时，能使相应部位的水平变形略有减少。
4水泥土墙结构
（1）水泥土墙结构的特点
水泥土墙重力式结构是在基坑侧壁形成一个具有相当厚度和重量的刚性实体结构，以其重量抵抗基坑侧壁土压力，满足该结构的抗滑移和抗倾覆要求。
这类结构一般采用水泥土搅拌桩，有时也采用旋喷桩，使桩体相互搭接形成块状或格栅状等形状的重力结构（图12.3-4）。
水泥土重力式围护结构是利用水泥材料为固化剂，经过特殊的拌和机械（如深层搅拌机或高压旋喷机等）在地基上中就地将原状土和水泥（粉体、浆液）强制机械拌和或高压力切削拌和，经过土和水泥固化剂或掺和料产生一系列物理化学反应，形成具有一定强度、整体性的水稳性的加固土圆柱体。
施工时将圆柱体相互搭接，连续成桩，形成具有一定强度和整体结构性的水泥土实体墙或格栅状墙，主要利用其重力维持基坑边坡的稳定，保证地下室的施工及周边环境的安全。
水泥土搅拌桩和旋喷桩作为支护结构承受弯矩与剪力的能力有限，墙体内不宜产生拉应力，如插入型钢或钢筋可改善墙体受拉特性。
重力式挡土墙具有以下优点：
1）充分利用了加固后原地基土的作用；
2）搅拌或旋喷时无侧向挤出、振动小、噪音小和无污染，对周围建筑物及地下管道影响小；
3）可灵活地采用壁状、格栅状和块状等结构形式；
4）与钢筋混凝土桩相比，可节省钢材并降低造价；
5）不需要内支撑或锚杆，便于地下室的施工；
6）可同时起到止水和挡墙的双重作用。
（2）适用条件
1）水泥土墙适用于加固淤泥、淤泥质土和含水量高及强度低的黏土、粉质黏土、粉土。
在这些土层中因锚杆或土钉的锚固力低，难以满足抗拔力要求或造价过高，可采用水泥土墙。
对泥炭土及有机质土，因固结体强度低，应慎重采用。
2）因水泥土墙作为重力式结构，墙体一般较宽，必须具有较宽敞的周边施工场地。
3）对于软土地层的基坑支护，一般适用于深度不应大于6m的基坑。
4）因水泥土墙同时能起到截水作用，可用于地下水位以下的基坑支护。
5逆作拱墙结构
（1）逆作拱墙结构的特点
拱墙结构是将基坑开挖成圆形、椭圆形等弧形平面，并沿基坑侧壁分层逆作钢筋混凝土拱墙，利用拱的作用将垂直于墙体的土压力转化为拱墙内的切向力，以充分利用墙体混凝土的受压强度。
设计中可根据地质条件、基坑平面形状及基坑周边场地条件等，采用闭合或非闭合拱墙。
由于墙体内力主要为压应力，充分发挥了混凝土的受压强度高的特性，因此墙体厚度可做的较薄，很多情况下不用锚杆或内支撑就可能满足强度和稳定的要求。
这种结构一般采用分层分段施工的现浇钢筋混凝土拱墙结构。
拱墙截面宜为Z字形（图12.3-5），拱壁的上、下端通常加肋梁，当基坑较深且一道Z字形拱墙的支护高度不够时，可由数道拱墙叠合组成，沿拱墙高度应设置数道肋梁，其竖向间距不宜大于2.5m。
当基坑边坡地较窄时，可不加肋梁但应加厚拱壁（图12.3-5d）。
逆作拱墙水平方向施工分段长度不应超过12m，软土层或砂层分段长度不宜超过8m。
垂直方向分层高度不宜超过2.5m。
拱墙结构混凝土强度等级不宜低于C25，上道拱墙合拢且混凝土强度达到设计强度的70％后，才可进行下道拱墙施工。
【例题16】对于逆作拱墙的施工，当上道拱墙的混凝土强度达到设计强度的（ ）%后，才可进行下道拱墙的施工。
A、50；
B、60；
C、70；
D、100；
答案：
C
逆作拱墙结构具有以下主要特点：
1）这种支护体系，结构受力以受压为主，能充分发挥混凝土材料受压特性，构造简单，水平位移小，采取分层开挖分层逆作支护的施工办法。
2）逆作拱墙支护体系为无嵌固段支挡结构，设计中除结构计算外，还应验算其抗隆起稳定性、抗渗透稳定性。
3）逆作拱墙采用分层、分段施工，施工速度快。
4）基坑支护造价较低，一般仅为护坡桩造价的30％～60％，经济效益显著。
（2）适用条件
1）适用于非软土、低地下水位场地，开挖深度一般不宜超过12m。
2）拱墙结构本身不能作为防水体系使用，当有地下水时，应进行降水或使用截水帷幕，与止水帷幕结合可用于地下水位以下的基坑支护。
3）适合于圆弧形的基坑，拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8。
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