基坑变形的特点及规律

7　基坑工程

7.1　概述

7.1.1　基坑工程的基本概念及分类

基坑围护工程作为岩土工程学科的一个分支成了近年来岩土学界经久不衰的热点和难点课题。所谓基坑工程是指在建造埋置深度较大的基础或地下工程时，需要进行较深的土方开挖，这个由地面向下开挖的地表下空间称为基坑，为保证基坑及地下室施工条件所采取的措施称为基坑围护工程，简称为基坑工程。基坑开挖最简单的施工方法是放坡开挖。这种方法既方便又经济，在空旷地区应优先选用。受到场限，在基槽平面以外往往没有足够的放坡空间，为了保证基坑周围的建筑物、构筑物以及地下管线不受损坏和满足无水条件下施工的要求，需要设置挡土和截水的结构，这种结构称为围护结构。一般来说，围护结构应满足几个方面的要求：①保证基坑周围未开挖土体的稳定;②保证基坑周围相邻的建筑物、构筑物和地下管线在地下结构施工期间不受损害,这就要求围护结构能起控制土体变形的作用;③保证施工作业面在地下水位以上，这就要求围护结构结合降水、排水等措施，将地下水位降低到作业面以下。

一般来说，围护结构必须满足①和③要求，而要求②要根据周围建筑物、构筑物和地下管线的承受变形的能力、重要性和一旦损坏可能发生的后果等方面的因素来决定。

如果围护结构部分或全部作为主体结构的一部分，譬如将围护墙做成地下室的外墙，围护结构还应满足作为主体结构一部分的要求。围护结构是临时结构，而主体结构是永久结构，两者的要求并不一致。若围护结构要应用于主体结构，其应按永久结构的要求设置，在强度、变形和抗渗能力等方面的要求都要相应提高。

基坑工程包括了围护体系的设置和土方开挖两个方面。土方开挖的施工组织是否合理对围护体系是否成功产生重要影响。不合理的土方开挖方式、步骤和速度有可能导致围护结构变形过大，甚至引起围护体系失稳而导致破坏。同时，基坑开挖必然引起周围土体中的地下水位和应力场的变化，导致周围土体的变形，对相邻建筑物、构筑物和地下管线产生不利的影响。严重时有可能危及它们的安全和正常使用。

总的来说，基坑的开挖深度在基坑工程中是主导因素，基坑场地的地质条件和周围的环境决定围护方案，而基坑的开挖方式对基坑安全直接相关。

基坑工程根据不同的条件有不同的分类：

(1) 按开挖深度分类。基坑工程界一般把深度等于或大于7m的基坑称为深基坑。

(2) 按开挖方式分类。按照土方开挖方式可以将基坑分为放坡开挖基坑和支护开挖基坑两大类。目前，在城市建设中，由于受周边环境条件所限，以支护开挖为主要形式。

(3) 按功能用途分类。基坑按照其功能用途可分为楼宇基坑、地铁站深基坑、市政工程地下设施深基坑、工业深基坑。

(4) 按安全等级分类。根据基坑的开挖深度、邻近建(构)筑物及管线至坑口的距离和工程地质水文地质条件，按破坏后的严重程度将基坑工程分为三个安全等级，并分别对应于三个级别的重要性系数，如表7-1所示。因此，根据基坑工程的安全等级，基坑可分为一级基坑、二级基坑和三级基坑。

表7-1　基坑安全等级分类表

7.1.2　常见的基坑支护结构

围护结构最早采用木桩，现在常用钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通过地基处理方法采用水泥土挡墙、土钉墙等。钢筋混凝土桩设置方法有钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和预制桩等。常用的基坑支护结构型式有：①放坡开挖及简易支护；②悬臂式支护结构；③重力式支护结构；④内撑式支护结构；⑤ 拉锚式支护结构；⑥土钉墙支护结构；⑦其他形式支护结构,主要包括门架式支护结构、拱式组合型支护结构、喷锚网支护结构等。下面结合图示简单地介绍几种常见的支护形式：

1) 悬臂式支护结构

从广义的角度来讲，一切没有支撑和锚固的围护结构均可归属于悬臂式支护结构，如图7-1所示。悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。钢筋混凝土桩常采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和预制桩等。悬臂式支护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯刚度来挡土和控制墙后土体及结构的变形。悬臂式支护结构对开挖深度十分敏感，容易产生大的变形，有可能对相邻建筑物产生不良的影响。这种结构适用于土质较好、开挖深度较小的基坑。

图7-1　悬臂式支护结构

图7-2　重力式支护结构

2) 重力式支护结构

水泥土重力式围护结构如图7-2所示。水泥土重力式围护结构通常由水泥搅拌桩组成，有时也采用高压喷射注浆法形成。当基坑开挖深度较大时，常采用格构体系。水泥土和它包围的天然土形成了重力挡土墙，可以维持土体的稳定。深层搅拌水泥土桩重力式围护结构常用于软黏土地区开挖深度7.0m以内的基坑工程。水泥土重力式挡土墙的宽度较大，适用于较浅的、基坑周边场地较宽裕的、对变形控制要求不高的基坑工程。

3) 内撑式支护结构

内撑式支护结构由挡土结构和支撑结构两部分组成。挡土结构常采用排桩和地下连续墙。支撑结构有水平支撑和斜支撑两种，以水平支撑为常用。根据不同的开挖深度等因素，可采用单层或多层水平支撑(见图7-3)。内支撑常采用钢筋混凝土梁、钢管、型钢格构等形式。钢筋混凝土支撑的优点是刚度大、变形小，容易控制支护体系变形，因此广泛适用于各种土层和深度的基坑。而钢支撑的优点是材料可回收，且施加预应力较方便。

图7-3　内撑式支护结构

4) 拉锚式支护结构

拉锚式支护结构由挡土结构和锚固部分组成。挡土结构除了采用与内撑式支扩结构相同的结构型式外，还可采用钢板桩作为挡土结构。锚固结构有锚杆和地面拉锚两种。根据不同的开挖深度，可采用单层或多层锚杆，如图7-4(a)所示。当有足够的场地设置锚桩或其他锚固物时可采用地面拉锚，如图7-4 (b)所示。为了让锚杆能经济、有效地工作，要求锚固段周边的土质应较为坚硬。

图7-4　拉锚式支护结构

图7-5　土钉墙支护结构

5) 土钉墙支护结构

土钉墙支护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡土墙，如图7-5所示。土钉墙的施工过程为：边开挖基坑，边在土坡中设置土钉，在坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，最终形成土钉墙。土钉墙支护结构适用于地下水位以上或人工降水后的黏土、粉土、杂填土以及非松散砂土、碎石土等。

7.1.3　基坑工程设计施工技术概述

1) 基坑工程设计施工的一般原则

基坑开挖包括支护结构、支撑(或锚固)系统、土体开挖、土体加固、地下水控制、工程监测、环境保护等几个主要组成部分，其基本功能包括：提供地下工程安全施工的空间；保证主体工程地基及桩基安全；保证环境安全，包括相邻地铁、隧道、管线、房屋建筑、地下公用设施等安全。故为了保证基坑工程的安全，要遵从以下原则：

(1) 以理论指导为基础。尽管土力学理论与计算方法还不能精确解决基坑工程中出现的所有问题，唯有结合实际工程经验加以应用才是上策。但是，所有成功的工程与土力学、结构力学所揭示的基本理论是一致的，并可能是对其理论和计算的补充、完善，一些失败的例子，总是在某些方面违反了基本理论所确定的规则。

(2) 考虑各种不利条件情况下的“工况”设计时应全面进行分析。设计时对可能遇到的雨季等自然条件变化，尚应考虑强度降低的可能性。对于基坑通过不同方法加固之后的计算指标，目前只能根据试验和当地经验加以确定。

(3) 选择好基坑工程总体方案。鉴于基坑工程的复杂性和风险性，要求决策者掌握本地区或类似条件下成功的经验和失败的教训，根据自身工程要求和条件综合考虑，做出安全、可靠、经济的整体方案(包括支护结构、支护体系、土方开挖、降水、地基加固、监测和环保等)。

(4) 做好对地下水和地表水的控制。在地下水位高和透水性强的地层中，务必确定可靠的隔水或降水方案。在建造隔水帷幕(成墙)时，需要选用与土层相适应的地基加固方法，确保形成连续的隔水帷幕。

(5) 软土地区基坑开挖和支撑工作中，应用“时空效应”的概念，精心安排挖土和支撑方案，对保证基坑安全、减少位移有重要作用。

(6) 认真做好施工期监测，发现异常情况及时采取措施以防止恶化。一旦出现大的变形或滑动，应立即分析主要原因，做出可靠的加固设计和施工方案，使加固工作快速而有效，防止变形或滑动继续发展。

2) 基坑变形控制设计和稳定性

传统的基坑计算均以稳定性为主，并未研究解决在失稳之前的变形过程。但在当前的基坑工程中，由于对周边环境保护的要求，基坑变形控制已成为重要的设计内容。基坑的允许变形和水平、垂直位移的计算既是一个较建筑自身允许沉降和沉降计算更为复杂的课题，又是基坑工程，尤其是在软土地区和工程地质、水文地质复杂地区无法回避的问题。故基坑稳定性是基坑工程设计中的重要组成部分，应全面考虑到下列几个方面：

(1) 支护结构的稳定入土深度。支护结构的稳定入土深度通常采用极限平衡法计算，基坑外侧取主动土压力，开挖侧取被动土压力。

(2) 基坑底隆起稳定性。当基坑底为软土时，需验算坑底土隆起稳定性。

(3) 坑底渗流稳定性。基坑底抗渗流稳定性验算，在有承压水时是必不可少的。

(4) 基坑整体稳定性。基坑的整体稳定计算有时也可能成为基坑稳定性的控制条件，计算时可按平面问题考虑并采用圆弧滑动面计算。

3) 地下水控制

基坑工程中地下水“控制”较之通常所述的“降低”地下水有更广泛的含义，它包括降水和“截水”。在高水位或表层滞水丰富的地区，地下水控制的成败是基坑工程成败的关键之一。“降水”的目的在于通过降低水位，消除来自基坑侧壁的地下水、基坑底部向上的涌水以及用于基坑内部土体含水的疏干。“截水”是在基坑四周形成截水帷幕 (或墙)或在基坑底部形成不透水封底层达到与“降水”同样的目的。由于降水过程可能导致四周地面的下沉和相邻建筑物不均匀沉降，因此，在建筑物密集的地区常需采用“截水”方案。井点、管井、渗井、明排仍然是当前降低地下水位的主要方法。基坑降水应满足下列基本要求：①基坑开挖及地下结构施工期间，地下水保持在基底以下；②深部承压水不引起坑底隆起；③降水期间邻近建筑和地下管线正常使用；④基坑的稳定性。成功的降水需要结合复杂多变的水文地质条件，选择降水的范围、方法和时间安排，因地制宜地采用一种或几种方法的组合。隔离地下水包括地下连续墙、连续排列的排桩墙、隔水帷幕、坑底水平封底隔水等。隔水帷幕主要采用深层搅拌法和高压喷射注浆法(旋喷法)，基坑水平封底通常采用高压喷射注浆法。对于渗透系数大的颗粒土可采用注浆法止水加固。在孔隙大、地下水流速高的土层中采用喷射注浆时，应防止由于水泥流失而形不成连续的帷幕，导致漏水。即使在细颗粒的透水土层中，保证隔水帷幕或不连续相邻排柱之间不透水幕的连续性也是十分重要的。

在地下水控制中，详细和较准确地掌握工程地质、水文地质资料，了解地下水的分布(分层)、性质(是否属承压水及其水头等)是正确确定降水或隔水方案的基础。隔水帷幕的质量检验，一方面可通过钻孔取芯和触探法进行判定；另一方面也可通过施工过程的工程监测，根据“隔水”的整体效果，即在防止漏水、管涌或减小基坑位移方面的效果加以评定。由于深层搅拌、旋喷和注浆形成的帷幕的强度和均匀性受到被加固土层特性的直接影响，因而有较大的离散性，并且也还没有更直接的方法看到深层加固的情况。因此，在某些土层(包括软土和强度变化大的不均匀土层)中，通过现场检验判断加固质量的方法尚有待进一步完善和积累资料。在目前情况下，基坑的监测不仅对判断加固效果具有作用，同时，也为积累不同土层条件下不同加固方法、加固形式的经验具有重要作用。

4) 施工监测

施工监测是指在基坑开挖和地下工程施工过程中对基坑土层性状、支护结构变位和周围环境条件的变化进行各种观测及分析工作，并将观测结果及时反馈，以掌握支护结构和基坑内外土体移动，随时调整施工参数、优化设计或采取相应措施，以确保施工安全、顺利进行。

基坑支护开挖施工监测的内容通常包括以下几个方面：①支护结构的位移和内力(弯矩);②支撑轴力变化、立柱的水平位移与沉降或隆起;③坑边土体位移及土压力变化;④坑底土体隆起;⑤地下水位及孔隙水压力变化;⑥相邻建(构)筑物、地下管线、地下工程等保护对象的沉降、水平位移与异常现象。

监测手段主要有水准仪、经纬仪、测斜仪、分层沉降仪、土压力盒、孔隙水压力仪、水位观测仪、钢筋应力计等。目前在实际工作中，以水准仪量测墙顶和地面位移以及以测斜仪量测墙体和土体深部位移较为可靠而且特别重要。其他监测手段常被用来进行综合分析。

7.1.4　支护结构上的荷载及土压力计算

前面已经详细叙述了作用在挡土结构的土压力，除了土压力以外，在地下水位以下的挡土结构还作用有水压力。水压力与地下水的补给数量、季节变化、施工期间挡土结构的入土深度、排水方法等因素有关。水压力的计算可采用静水压力、按流网法计算渗流求水压力和按直线比例法计算渗流求水压力等方法。

计算地下水位以下的土、水(静)压力，分为“水土分算”和“水土合算”两种方法。在工程中，对于渗透性较强的土，例如砂性土和粉土，一般采用水土分算。也就是分别计算作用在围护结构上的土压力和水压力，然后叠加。对渗透性较弱的土，如黏性土，采用水土合算的方法。土压力包括静水压力的计算方法与前面所述没有原则区别。这里应该注意的是，计算主动土压力时，应计算地面超载。以下仅列出均匀土层按朗肯理论计算土压力的公式：

1) 土水压力分算法

土水压力分算法是采用有效重度计算土压力，按静水压力计算水压力，然后将两者叠加，叠加的结果就是作用在挡土结构上的总侧压力。计算土压力时，可采用有效应力法或总应力法。采用有效应力法的计算公式为：

(7-1)

(7-2)

式中：γ′、γw——土的有效重度和水的重度；

——按土的有效应力强度指标计算的主动土压力系数，；

——按土的有效应力强度指标计算的被动土压力系数，；

φ′——有效内摩擦角；

c′——有效黏聚力。

采用有效应力法计算土压力，概念明确。在不能获得土的有效强度指标的情况下，也可以采用总应力法进行计算。

(7-3)

(7-4)

式中：Ka——按土的总应力强度指标计算的主动土压力系数，；

Kp——按土的总应力强度指标计算的被动土压力系数，；

φ——按固结不排水确定的内摩擦角；

c——按固结不排水确定的黏聚力。

2) 土水压力合算法

土水压力合算法是国内经常使用的计算方法，对于渗透性较差的黏土积累了不少实践经验，该方法能较好地模拟土侧压力。其计算公式如下：

(7-5)

(7-6)

式中:γsat——土的饱和重度，地下水以上取天然重度；

Ka——土的主动土压力系数，；

Kp——土的被动土压力系数，；

φ——按固结不排水确定的内摩擦角；

c——按固结不排水确定的黏聚力。

【例7-1】　某基坑位于渗透性较差的黏土层中，开挖深度为6.0m,土层重度γsat=18kN/m3，黏聚力c=12kPa，内摩擦角φ=30°，地面超载q0=12kPa。试计算基坑开挖底面处土压力强度。

【解】　主动土压力系数

基坑开挖底面处土压力强度

=25.81kN/m2

7.1.5　总体方案的选择

基坑支护总体方案的选样直接关系到工程造价、施工进度及周围环境的安全，总体方案主要有顺作法和逆作法两种基本形式。当然，在同一个基坑工程中，顺作法和逆作法也可以在不同的基坑区域组合使用，从而满足工程的技术经济性要求。

1) 顺作法

顺作法是指先施工周边围护结构，然后从上到下分层开挖，并依次设置水平支撑(或锚杆系统)，开挖至坑底后，再由下往上施工主体地下结构基础底板、竖向墙柱构件及水平楼板构件，并按一定的顺序拆除水平支撑系统，进而完成地下结构施工的过程。当不设支护结构而直接采用放坡开挖时，则是先直接放坡开挖至坑底，然后自下而上依次施工地下结构。

顺作法是基坑工程的传统开挖施工方法，施工工艺成熟，支护结构体系与主体结构相对独立，相比逆作法，其设计、施工均比较便捷，对施工单位的管理和技术水平的要求相对较低，施工单位的选择面较广。另外，顺作法相对于逆作法而言，其基坑支护结构的设计与主体设计关联性较低，受主体设计进度的制约小，基坑工程有条件尽早开工。

顺作法常应用于放坡开挖、自立式围护体系和板式支护体系三大类中。其中，自立式围护体系可分为水泥土重力式围护墙、土钉墙和悬臂板式围护墙；板式支护包括围护墙结合内支撑系统和围护墙结合锚杆系统两种形式。

(1) 放坡开挖。放坡开挖一般适用于浅基坑。由于基坑敞开式施工，因此工艺简便、造价经济、施工进度快。但这种施工方式要求具有足够的施工场地与放坡范围。

(2) 自立式围护体系

① 水泥土重力式围护和土钉支护。采用水泥土重力式围护和土钉支护的自立式围护体系经济性较好，由于基坑内部开敞，土方开挖和地下结构的施工均比较便捷。但自立式围护体系需要占用较宽的场地空间，因此设计时应考虑红线的限制。此外，设计时应充分研究工程地质条件与水文地质条件的适用性。由于围护体施工质量难以进行直观的监督，易引起施工质量不佳问题，从而导致较大的环境变形乃至工程事故。

② 悬臂板式围护墙。悬臂板式围护墙可用于必须敞开式开挖，但对围护体占地宽度有一定限制的基坑工程。其采用具有一定刚度的板式支护体，如钻孔灌注桩或地下连续墙。单排悬臂灌注桩支护一般用于浅基坑，在工程实践中，由于其变形较大，且材料性能难以充分发挥，适用范围较小。双排桩、格形地下连续墙等围护体形式所构成的悬臂板式支护体系适用于中等开挖深度、对围护变形有一定控制要求的基坑工程。

(3) 板式支护体系。板式支护体系由围护墙和内支撑(或锚杆)组成，围护墙的种类较多，包括地下连续墙、灌注排桩连续墙、型钢水泥土搅拌墙、钢板桩围护墙及钢筋混凝土板桩围护墙等。支撑可采用钢支撑或钢筋混凝土支撑。

2)逆作法

相对于顺作法，逆作法则是每开挖一定深度的土体后，即支设模板浇筑永久的结构梁板，用以代替常规顺作法的临时支撑，以平衡作用在围护墙上的土压力。因此，当开挖结束时，地下结构即已施工完成。这种地下结构的施工方式是自上而下浇筑，同常规顺作法开挖到坑底后再自下而上浇筑地下结构的施工方法不同，故称为逆作法。

(1) 逆作法分类

① 全逆作法：利用地下各层钢筋混凝土楼板对四周围护结构形成水平支撑。楼盖混凝土为整体浇筑，然后在其下掏土，通过楼盖中的预留孔洞向外运土并向下运入建筑材料。

② 半逆作法：利用地下各层钢筋混凝土楼板中先期浇筑的交叉格形肋梁，对围护结构形成框格式水平支撑，待土方开挖完成后再二次浇筑肋形楼板。

③ 部分逆作法：用基坑内四周暂时保留的局部土方对四周围护结构形成水平抵挡，抵消侧向压力所产生的一部分位移。

④ 分层逆作法：此方法主要是针对四周围护结构，是采用分层逆作，不是先一次整体施工完成。分层逆作四周的围护结构是采用土钉墙。

(2) 工艺特点

① 可使建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工平行立体作业，在建筑规模大、 上下层次多时，大约可节省工时1/3。

② 受力良好合理，围护结构变形量小，因而对邻近建筑的影响亦小。

③ 施工可少受风雨影响，且土方开挖可较少或基本不占总工期。

④ 最大限度地利用地下空间，扩大地下室建筑面积。

⑤ 一层结构平面可作为工作平台，不必另外架设开挖工作平台与内撑，这样大幅度削减了支撑和工作平台等大型临时设施，减少了施工费用。

⑥ 由于开挖和施工的交错进行，逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地基，减少了大开挖时卸载对持力层的影响，降低了基坑内地基回弹量。

⑦ 逆作法存在的不足，如逆作法支撑位置受地下室层高的限制，无法调整高度，如遇较大层高的地下室，有时需另设临时水平支撑或加大围护墙的断面及配筋。由于挖土是在顶部封闭状态下进行的，基坑中还分布有一定数量的中间支承柱和降水用井点管，目前尚缺乏小型、灵活、高效的小型挖土机械,使挖土的难度增大。但这些技术问题相信很快会得到解决。

(3) 经济效益

采用逆作法，一般地下室外墙与基坑围护墙采用两墙合一的形式，一方面省去了单独设立的围护墙，另一方面可在工程用地范围内最大限度地扩大地下室面积，增加有效使用面积。此外，围护墙的支撑体系由地下室楼盖结构代替，省去大量支撑费用。而且楼盖结构即支撑体系，还可以解决特殊平面形状建筑或局部楼盖缺失所带来的布置支撑的困难，并使受力更加合理。由于上述原因，再加上总工期的缩短，因而在软土地区对于具有多层地下室的高层建筑，采用逆作法施工具有明显的经济效益。一般可节省地下结构总造价的25%～35%。

(4) 环境效益

① 噪音方面：由于逆作法在施工地下室时是采用先表层楼面整体浇筑，再向下挖土施工，故其在施工中的噪音因表层楼面的阻隔而大大降低，从而避免了因夜间施工噪音问题而延误工期。

② 扬尘方面：地基处理通常采取开敞开挖手段，产生了大量的建筑灰尘，从而影响了城市形象；采用逆作法施工，由于其施工作业在封闭的地表下，可以最大限度地减少扬尘。

(5) 社会效益

① 交通方面：由于逆作法采取表层支撑、底部施工的作业方法，故在城市交通土建中大有用武之地，它可以在地面道路继续通车的情况下进行道路地下作业，从而避免了因堵车绕道而产生的损失。

② 采用逆作法，上层平板结构先完成，可以利用结构本身作内支撑。由于结构本身的侧向刚度是无限大的，且压缩变形值相对围护桩的变形要求来讲几乎等于零。因此，可以从根本上解决支护桩的侧向变形，从而使周围环境不至于出现因变形值过大而导致路面沉陷、基础下沉等问题，保证了周围建筑物的安全。

③ 采用逆作法施工，地下连续墙与土体之间粘结力和摩擦力不仅可利用来承受垂直荷载，而且还可充分利用它承受水平风力和地震作用所产生建筑物底部巨大水平剪力和倾覆力矩，从而大大提高了抗震效应。我国是个地震多发区，对地震的防治是必不可少的，从建筑业角度来说，采用适宜的施工工艺便可将地震带来的危害降低到最小。逆作法施工便具有这样的优点，所以在深基坑支护中大量运用逆作法具有广泛的社会效益。

3) 顺逆结合

某些条件复杂或具有特别技术经济性要求的基坑，采用单纯的顺作法或逆作法不能满足经济、技术、工期及环境保护等多方面的要求。在工程实践中，有时为了同时满足多方面的要求，采用了顺作法与逆作法结合的方案，通过充分发挥顺作法与逆作法的优势，取长补短，从而实现工程的建设目标。工程中常用的顺逆结合方案主要有：①主楼先顺作、裙楼后逆作方案；②裙楼先逆作、主楼后顺作方案；③中心顺作、周边逆作方案。

(1) 主楼先顺作，裙楼后逆作

超高层建筑通常由主楼与裙楼两部分组成，其下一般整体设置多层地下室，因此超高层建筑的基坑多为深大基坑。在基坑面积较大、挖深较深、施工场地狭小的情况下，若地下室深基础采用明挖顺作支撑方案施工，不仅操作非常困难，耽误了塔楼的施工进度，施工周期长，而且对周边环境影响大，经济性也差。另一方面，主楼结构构件的重要性也决定了其不适合采用逆作法。

一般来说，主楼为超高层建筑工期控制的主导因素，在施工场地紧张的情况下，可先采用顺作法施工主楼地下室，而裙楼暂时作为施工场地，待主楼进入上部结构施工的某一阶段，再逆作施工裙楼地下室，这种顺逆结合的方案即为主楼先顺作、裙楼后逆作方案。

主楼先顺作、裙楼后逆作有其特有的优点：①该方案一方面解决了施工场地狭小、操作困难的问题；另一方面主楼顺作基坑面积较小，可加快施工速度；裙楼逆作不占用绝对工期，缩短了总工期，并可减少前期投资额。②裙楼地下室逆作能够有效地控制基坑的变形，可减小对周边环境的影响，同时又由于省去了常规顺作法中支设和拆除大量的临时支撑，经济性较好。

主楼先顺作、裙楼后逆作方案用于满足如下条件的基坑工程：①地下室几乎用足建筑红线，使得施工场地狭小，地下工程施工阶段需要占用部分裙楼区域作为施工场地；②主楼为超高层建筑，是控制工期的主导因素，且业主对主楼工期要求较高；③裙楼地下室面积较大，业主希望适当延缓投资又不影响主楼施工的进度；④裙楼基坑周边环境复杂，环境保护要求高。

(2) 裙楼先逆作,主楼后顺作

对于由主楼和裙楼组成的超高层建筑，有时裙楼的工期要求非常高(例如裙楼作为商业建筑时往往希望能尽快投入商业运营),而主楼工期要求相对较低，此时裙楼可先采用全逆作法地上地下同时施工，以节省工期，并在主楼区域设置大空间出土口(主楼由于其构件的重要性不适合采用逆作法)，待裙楼地下结构施工完成后，再顺作施工主楼区地下结构。从而形成裙楼先逆作、主楼后顺作的方案。该方案具有以下特点：①主楼区域设置的大空间出土口出土效率高，可加快裙楼逆作的施工速度；②裙楼区域在地下结构首层结构梁板施工完成后，有条件立即向地上施工，可大大缩短裙楼上部结构的工期；③裙楼区域结构梁板代替支撑，支撑刚度大，对基坑的变形控制有利；④在逆作阶段主楼区域的大空间出土口可以显著地改善裙楼逆作区域地下作业的通风和采光条件；⑤由于主楼区域需要在裙楼区域逆作完成后再施工，因此一般情况下将会增加主楼的工期与工程的总工期。

(3) 中心顺作，周边逆作

对于超大面积的基坑工程，当基坑周边环境保护要求不是很高时，可在基坑周边首先施工一圈具有一定水平刚度的环状结构梁板(以下简称环板)，然后在基坑周边被动区留土，并采用多级放坡使中心区域外挖至基底，在中心区域结构向上顺作施工并与周边结构环板贯通后，再逐层挖土和逆作施工周边留土放坡区域，形成中心顺作、周边逆作的总体设计方案。该方案具有以下显著特点：①将整个基坑分为中心顺作区和周边逆作区两部分，周边部分采用结构梁板作为水平支撑，而中心部分则无需设置支撑，从而节省了大量临时支撑。同时,由于中部采用敞开式施工，出土速度较快,大大加快了整体施工进度。②在基坑周边首先施工一圈具有一定水平刚度的结构环板，中心区域施工过程中利用被动区多级放坡留土和结构环板约束围护体的位移，从而达到控制基坑变形、保护周围环境的目的。③由于仅周边环板采用逆作法施工，可仅对首层边跨结构梁板、柱和桩进行加固，作为施工行车通道，并利用周边围护体作为施工行车通道的竖向支撑构件，减少了常规逆作法中施工行车通道区域结构梁板、立柱和立柱桩的加固费用。

中心顺作、周边逆作方案只有在同时满足下列条件的工程中应用才能体现出其优越性和社会经济效益：①超大面积的深基坑工程。基坑面积需达到几万平方米，基坑平面为多边形，且至少设置两层地下室。基坑面积必须足够大是由以下因素决定的：周边逆作区环板必须具有足够的宽度，以保证有足够的刚度可以约束围护体变形；为保证逆作区坡体的稳定，周边留土按一定坡度多级放坡至基底标高需要一定的宽度；在除去逆作区面积后中心区域尚应有相当面积可以顺作施工。②主体结构为框架结构，无高耸塔楼结构或塔楼结构位于基坑中部。由于中心区域结构最先施工，塔楼如位于中心区域可确保塔楼的施工进度不受影响。③基地周边环境有一定的保护要求，但不是非常严格。周边逆作区结构环板和留土放坡对围护体的变形控制可满足周边环境的保护要求。

7.2　桩墙式支护结构

7.2.1　悬臂式、单层支锚、多支点及水泥土桩墙的设计计算

本节介绍的设计计算方法为基于极限平衡理论的极限平衡法，是一种传统的简化算法。极限平衡法有三个基本假定：①主动土压力和被动土压力均为与支挡结构变形无关的已知值，用朗肯或库仑理论计算；②支挡结构刚度为无限大，且不考虑支撑(或拉锚)的压缩或拉伸变形；③支挡结构的横向抗力按极限平衡条件求得。

1) 悬臂式支挡结构的设计计算

悬臂式支挡结构主要依靠嵌入坑底土内的深度，平衡上部地面超载、主动土压力及水压力所形成的侧压力。因此，对于悬臂式支挡结构，嵌入深度至关重要。同时需计算支挡结构所承受的最大弯矩，以便进行支挡结构的断面设计和构造。

悬臂式支挡结构的两种计算模式：

(1) 如图7-6(a)所示，对于这种计算模式，嵌入基坑底面的支挡结构在主动土压力Ea的推动下，支挡结构下部土体中产生一种阻力，其大小等于被动土压力与主动土压力之差，即Ea-Ep，形成按土的深度成线性增加的主动土压力强度ea和被动土压力强度ep。

(2) 如图7-6(b)所示，此计算模式为Blum建议的计算模式，即原来出现在另一面的阻力以一个单力RC代替，图7-6(a)中的t0用x代替，且需满足平衡条件：∑MC=0；∑H=0。由于土体阻力是逐渐向下增加的，用∑MC=0计算的x较小，因此H.Blum建议嵌入深度hd=1.2x+u。

图7-6　悬臂式支挡结构计算模式

下面介绍一下Blum的计算方法：

(1) 支挡结构嵌入深度

如图7-6(b)所示，Ea为主动土压力的合力。

Ep=γ(Kp-Ka)x2/2

(7-7)

对C点取矩，并令∑MC=0，则：

Ea(H+u+x-z)-Epx/3=0

(7-8)

由式(7-7)和式(7-8)得：

(7-9)

式中：u——土压力强度零点距坑底的距离，由式(7-10)计算可得：

(7-10)

式中：γ——坑底土层重度的加权平均值(kN/m)。

最后由式(7-9)解出的x代入hd=1.2x+u，即可求出嵌入深度。

(2) 支挡结构的最大弯矩

图7-6(b)的最大弯矩在剪力为零处。设在O点下xm处剪力为零(主动土压力等于被动土压力)，则由图可得：

Ea-γ(Kp-Ka)xm2/2=0

即:

(7-11)

最大弯矩为：

(7-12)

【例7-2】　某基坑所在的地层位于密集的中粗砂地层，开挖深度h=5.0m，土层重度为20kN/m3，内摩擦角φ=30°，地面超载q0=10kPa，工程采用悬臂式排桩支护。试确定桩的最小长度和最大弯矩。

【解】　取支护墙方向1m进行计算

主动土压力系数　

被动土压力系数　

基坑地面处土压力强度

土压力零点距开挖面距离　

开挖面以上超载引起的侧压力　Ea1=q0Kah=10×0.33×5=16.5kN

其作用点距地面的距离　ha1=0.5h=0.5×5=2.5m

开挖面以上土主动土压力　

其作用点距地面的距离　

开挖面至土压力零点净土压力　

其作用点距地面的距离　

桩后土压力合力　∑E=Ea1+Ea2+Ea3=16.5+82.5+8.39=107.39kN

其作用点距地面距离

将上述代入式(7-9)得　x3-12.07x-28.11=0

解得

x=4.31m

则桩的最小长度　　lmin=h+u+1.2x=5+0.68+1.2×4.31=10.85m

最大弯矩点距土压力零点的距离

最大弯矩

=393.80kN·m

2) 单支点支挡结构的设计计算

(1) 顶部支撑(或拉锚)计算

图7-7　支挡结构顶部支点计算简图

如图7-7所示，假定A点为铰接，支挡结构和A点不发生移动。

① 支挡结构嵌入深度

对A点取矩，并令∑MA=0，则：

Eaza-Ep(H+zp)=0

(7-13)

式中：Ea——深度(H+hd)内的主动土压力合力(kN/m);

Ep——深度hd内的被动土压力合力(kN/m)。

由式(7-13)可解得支挡结构插入深度hd，如果土质较差，施工时尚应乘以1.1～1.2。

② 支撑(或拉锚)力

对C点取矩，并另∑MC=0，则：

TA(H+hd)+Ep(hd-zp)-Ea(H+hd-za)=0

即:

(7-13)

③ 支挡结构的最大弯矩

图7-7的最大弯矩应在剪力为零处，设在地面以下xm处的剪力为零，则由图可得：

Eaxm-TA=0

(7-14)

式中：Eaxm——深度xm内的主动土压力的合力(kN/m)。

由上式可求出xm。故最大弯矩为：

Mmax=TAxm-Eaxmzaxm

(7-15)

式中：zaxm ——Eaxm作用位置距地面的距离(m)。

(2) 支挡结构任意位置的单支撑(或拉锚)计算

图7-8　支挡结构任意位置单支点计算简图

支挡结构任意位置的单支撑(或拉锚)计算分两种情况进行：

① 支挡结构嵌入深度较浅

如图7-8所示，支挡结构只有一个方向的弯矩。假定A点为铰接，支挡结构和A点不发生移动。

A.支挡结构嵌入深度。对A点取矩，令∑MA=0，则：

Ea(za-hm)-Ep(H-hm+zp)=0

(7-16)

由式(7-16)可解得支挡结构插入深度hd。

B.支撑(或拉锚)力。支撑(或拉锚)力，根据静力平衡条件∑H=0计算，则：

TA=Ea-Ep

(7-17)

C.支挡结构的最大弯矩。图7-8的最大弯矩应在剪力为零处，设在A点以下xm处剪力为零，则由图可得：

Eaxm-TA=0

(7-18)

由上式可以求得xm。

最大弯矩为：

Mmax=TAxm-Eaxm(xm+hm-zaxm)

(7-19)

② 支挡结构嵌入深度较深

图7-9　等值梁法计算单支点支挡结构简图

如图7-9所示，支挡结构底部出现反弯矩，下部位移较小，可将支挡结构底端作为固定端，而支点A铰接，采用等值梁法计算。等值梁法亦称假想支点法，图中B点为零弯矩点，则为假想支点，AB为等值简支梁，通过简支梁分析求A和B支点的弯矩和支点反力，A点支反力TA则为支撑(或拉锚)力。B点以下通过被动土压力和B点支反力Pb的平衡条件，确定支挡结构所需嵌入深度。由于零弯矩点B与土压力强度零点很接近，所以工程中一般将主动土压力强度与被动土压力强度零点看作零弯矩点B。

A.B点位置。根据主动土压力强度和被动土压力强度相等原则，得：

得

(7-20)

式中：ea——基坑开挖面处的主动土压力强度(kN/m2)。

B.支反力。对B点取矩，令∑MB=0，则：

TA(H-hm+y)-Ea(H-za+y)=0

得

(7-21)

Pb=Ea-TA

(7-22)

式中：Ea——深度(H+y)范围内的主动土压力(kN/m)。

C.嵌入深度。考察BC段，对C点取矩，令∑MC=0，此时B点力与Pb大小相等、方向相反，则：

Epx/3-Pbx=0

Ep=γ(Kp-Ka)x2/2

(7-23)

嵌入深度t0=x+y,对于土质较差的需乘以1.1～1.2。

D.最大弯矩。考察AB简支梁，最大弯矩应在剪力为零处。设在A点以下xm处剪力为零，则由图7-9可得：

Eaxm-TA=0

(7-24)

由上式可求得xm，故最大弯矩为：

Mmax=TAxm-Eaxm(xm+hm-zaxm)

(7-25)

【例7-3】　某基坑工程开挖深度h=6.0m，采用单支点桩锚支护结构，支点离地面距离h0=1m，支点水平间距为Sh=2.0m。地基土层参数：黏聚力c=0，内摩擦角φ=28°，重度γ=18.0kN/m3，地面超载q0=20kPa。试用等值梁法计算桩墙的入土深度、水平支锚力和最大弯矩。

【解】　取支锚点水平间距作为计算宽度

主动和被动土压力系数分别为　Ka=0.36　　Kp=2.77

地面主动土压力强度

=7.20kPa

基坑地面主动土压力强度

净土压力零点离基坑底距离　

净土压力

×59.04×1.36×2=610.21kN

其作用点距离地面的距离

=5.49m

支点水平锚固拉力

=282.48kN

零点剪力　　

桩的有效嵌固深度

桩最小长度　l=h+u+1.2t=8+1.36+1.2×4.76=15.07m

剪力为零点离地面距离，由公式，得

hq=5.58m

最大弯矩　

×20×5.582×0.36×2=694.30kN·m

3) 多支点支挡结构的设计计算

多支点支挡结构的计算方法很多，一般有等值梁法、二分之一分担法、逐层开挖支撑(或拉锚)力不变法、弹性法和有限元法等。这里主要介绍逐层开挖支撑(或拉锚)力不变等值梁法(该法是等值梁法与逐层开挖支撑(或拉锚)力不变法的结合)。

对于多支点支挡结构，应根据土方开挖和支撑(或拉锚)设置顺序分段计算。图7-10在每个阶段均可将该阶段开挖面上的支撑(或拉锚)点和开挖面下的假想支点之间的支挡结构作为简支梁对待，计算出的支点反力保持不变，并作为外力计算下一段梁的支点反力。

图7-10　等值梁法计算多支点支挡结构简图

(1) 第一层支撑(或拉锚)阶段。从理论上讲，第一层支撑(或拉锚)设置必须保证设置第二层支撑(或拉锚)前基坑稳定，即取设置第二层支撑(或拉锚)所需开挖深度(h1+h2)进行第一层支撑(或拉锚)计算，如图7-10(a)。

根据主动土压力强度和被动土压力强度相等原则求得y1：

(7-26)

式中：ea1——当前基坑深度(h1+h2)开挖面处的主动土压力强度(kN/m2)。

把AB1作为简支梁，对B1点取矩，并令∑MB1=0，则：

(7-27)

(2) 第二层支撑(或拉锚)阶段。取设置第三层支撑(或拉锚)所需开挖深度(h1+h2+h3)进行第二层支撑(或拉锚)计算，如图7-10(b)。

根据主动土压力强度和被动土压力强度相等原则求得y2：

(7-28)

式中：ea2——当前基坑深度(h1+h2+h3)开挖面处的主动土压力强度(kN/m2)。

把AB2作为简支梁，对B2点取矩，并令∑MB2=0，此时，以T1已知支点力参与计算，则：

(7-29)

(3) 挖至基坑设计深度。如图7-10(c)所示，根据主动土压力强度和被动土压力强度相等原则求得yk：

(7-30)

式中：eak——当前基坑深度H开挖面处的主动土压力强度(kN/m2)。

把ABk作为简支梁，对Bk点取矩，并令∑MBk=0，此时，以T1、T2、…、Ti、…、Tk-1已知支点力参与计算，则：

(7-31)

(7-32)

然后求x

(7-33)

嵌入深度t0=x+yk，如果土质差需乘以1.1～1.2。

最后考察ABk简支梁，求最大弯矩，其应在剪力为零处。

4) 水泥土挡土墙的设计计算

图7-11　水泥土墙的稳定性计算

水泥土搅拌桩挡土墙在软土及地下水丰富地区使用较广泛，既可作为止水帷幕，又可用作深度不是很大基坑的挡土墙。此时，水泥土搅拌桩可以布置成壁状和格栅状，也可以形成组合连拱式结构。对于壁状和格栅状挡土墙，按重力式挡土墙进行设计计算，主要计算内容包括抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性、整体稳定性、抗管涌稳定性、抗隆起稳定性和墙身截面强度验算，通过上述计算确定挡土墙的嵌入深度、厚度等参数。

下面详细介绍水泥土墙抗倾覆和抗滑动稳定性及正截面承载力验算(如图7-11)。

(1) 抗滑动稳定性验算

抗滑动稳定性安全系数：

(7-34)

式中：Ea、Ep——分别为主动土压力(kN/m)和被动土压力(kN/m)的合力；

W——挡土墙自重(kN/m)；

μ——基底摩擦系数，淤泥质土0.20～0.25，黏性土0.25～0.4，砂土0.40～0.50，岩石0.50～0.70。

(2) 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定性安全系数:

(7-35)

式中:ha、hp分别为主动土压力臂(m)和被动土压力臂(m)；

b——挡土墙厚度(m)；

μ——被动土压力折减系数，可取0.50～1.00。

(3) 墙身应力验算

压应力验算：

(7-36)

式中：γcs——水泥土墙的平均重度(kN/m3)；

z——自墙顶至计算截面的深度(m)；

M——单位长度水泥土墙截面弯矩设计值(kN/m)；

W——单位长度水泥土墙截面模量(m3)；

fis——基坑开挖时，水泥土开挖龄期抗压强度(kPa)，水泥掺量为15%的深层搅拌桩支护结构,水泥土28d龄期的单轴无侧限应通过试验确定，无资料时可按以下取值：淤泥质土400～700，淤土300～500，黏性土500～1000，粉土600～1100，砂土1100～2000。

拉应力验算：

(7-37)

【例7-4】　某基坑开挖深度h=5.0m，采用水泥土挡土墙进行支护，墙体宽度b=4.5m，墙体入土深度(基坑开挖面以下)hd=6.5m，墙体重度γ0=20kN/m3，墙体与土体摩擦系数μ=0.3。基坑土层重度γ=19.5kN/m3，内摩擦角φ=24°，黏聚力c=0，地面超载为q0=20kPa。试验算支护墙的抗倾覆和抗滑移稳定性。

【解】　取墙体方向的1m进行计算

主动土压力和被动土压力

地面超载引起的主动土压力

Ea1=q0(h+hd)Ka=20×(5+6.5)×0.42=96.6kN

其作用点距墙趾的距离　

主动土压力　

其作用点距墙趾的距离　

被动土压力　

其作用点距墙趾的距离　

墙体自重　W=b(h+hd)γ0=4.5×(5+6.5)×20=1035kN

抗倾覆安全系数

，满足要求

抗滑移安全系数

，满足要求

7.2.2　各类桩墙式支护结构的构造和施工

1) 排式灌注桩支挡结构的构造与施工

排式灌注桩支挡结构主要有孔灌注桩和人工挖孔桩，按布置形式又可以分为密排桩排、疏排桩排和双排桩排。

(1) 构造

用于支护结构的钻(冲)孔灌注桩的直径一般为500～1200mm，邻桩的中心距一般不大于桩径的1.5倍，最大不超过桩径的2倍。对于疏排桩和单排桩，为防止桩间土的剥落，可采用桩间土表面抹水泥砂浆或对桩间土进行注浆加固加以保护。灌注桩的混凝土强度等级不低于C20。对于异形变截面桩，桩间应设连接钢筋，并预埋在桩体内，如果用作主体结构的一部分，则必须预埋与主体结构的梁、板、柱连接钢筋。

图7-12　圈梁构造示意图

① 桩顶圈梁构造。如图7-12所示，圈梁的宽度不小于桩径，高度一般为桩径的0.5～0.8，且不小于400mm。桩顶纵向钢筋应锚入圈梁内，且锚固长度不小于30倍纵向钢筋直径。桩、圈梁主筋焊接接头必须分散布置，一个截面的接头数不得超过钢筋数的一半。使用混凝土的强度等级不小于C20，对处于转角及高差变化部位应予以加强。

当圈梁兼作支撑围檩或顶部拉锚腰梁时，其截面尺寸根据静力计算确定，并作抗剪和抗弯验算，梁宽通常不小于支撑间距的1/6，且不小于500mm。其剪力和弯矩可按连续梁或简支梁计算：

Q=ql/2

M=αql2

(7-38)

式中：α——内力系数，对等跨连续梁取1/16，对简支梁取1/8；

l——相邻两支撑(或拉锚)之间的距离(m)；

q——支护结构作用在圈梁上的水平力(kN/m)。

② 圆形截面桩身配筋。根据支挡结构设计计算出的内力，按现行《钢筋混凝土结构设计规范》中的圆截面受弯杆件进行计算，当同时受水平荷载和垂直荷载作用时可按弯压构件计算，如图7-13所示。

图7-13　圆形桩身截面配筋

对于圆截面均布配置，当配筋不多于6根时，其正面受力公式如下：

M≤2fcmArsin2πα/3π+fyAsrs(sinπα+sinπαt)/π

(7-39)

式中：α——对应于受压区混凝土截面面积圆心角(rad)与2π的比值；

αt——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，at=1.25-2a；

A——圆桩截面面积(m2)；

As——受拉纵向钢筋的截面面积(m2)；

r——圆桩截面半径(m)；

rs——纵向钢筋所在圆周的半径(m)；

fy——纵向钢筋的抗拉、抗压强度设计值(kN/m2);

fcm——混凝土弯曲抗压强度设计值(kN/m2)。

对于圆截面不均匀布置，沿截面受拉区和受压区周边配置局部纵向钢筋受弯的正截面承载力按下式计算：

(7-40)

式中：α——对应于受压区混凝土截面面积圆心角(rad)与2π的比值；

αs——对应于受拉钢筋的圆心角(rad)与2π的比值，一般取1/4左右；

——对应于受压钢筋的圆心角(rad)与2π的比值；

As——受拉纵向钢筋的截面面积(m2)；

——受压纵向钢筋的截面面积(m2)；

rs——受拉钢筋的形心半径(m)；

——受压钢筋的形心半径(m)。

对于受弯压的桩，配筋根据现行《钢筋混凝土结构设计规范》的有关规定进行。

桩的纵向配筋一般采用通长配筋，有时也可根据支护结构的剪力和弯矩分布情况，在纵向进行不等密度配筋。当在圆形截面上采用局部不均匀配筋时，在不配筋处应设置适量的纵向结构筋。

(2) 施工

用于支挡结构的桩排施工的要求：①沿支挡结构轴线和垂直于轴线方向的桩位偏差均不超过50mm，桩的垂直偏差不大于0.5%；②钻(冲)孔桩桩底沉渣不超过200mm，当用作承重结构时，桩底沉渣按《建筑桩基技术规范》进行；③排桩采用跳桩施工，并应在灌注混凝土24h后进行邻桩成孔施工；④不均匀配筋钢筋笼在绑扎、吊装和埋设时，应保证钢筋笼的安放方向与设计方向一致；⑤圈梁施工前，应将支护桩桩顶浮浆凿除并清理干净，桩顶以上出露的钢筋长度应达到设计要求。

2) 板桩支挡结构的构造与施工

(1) 钢筋混凝土板桩

钢筋混凝土板桩一般由预制钢筋混凝土板桩组成，当考虑重复使用时，宜采用预制的预应力混凝土板桩。桩身截面通常为矩形，也可用T形或工字形截面。

钢筋混凝土板桩构造：板桩两侧一般做成凸凹榫，也有做成Z形缝或其他形式的企合口缝。板桩的桩尖沿厚度方向做成楔形。为使邻桩靠接紧密，减少接缝和倾斜，在阴榫一侧的桩尖削成斜角，阳榫一侧不削。角桩及定位桩的桩尖做成对称形。

矩形截面板桩宽度通常为500～800mm，厚度为100～450mm，肋厚一般为200～300mm，肋高为450～750mm。混凝土强度等级不宜小于C25，预应力板桩不宜小于C40。

考虑沉桩时的锤击应力作用，桩顶部应配4～6层钢筋网，桩顶以下和桩尖以上各1～5m范围内箍筋间距不大于100mm，中间部位箍筋间距200～300mm。当板桩打入硬土层时，桩尖宜采用钢靴，榫壁应配构造筋。

在基坑转角处应根据转角的平面形状做成相应的异形转角桩。转角桩或定位桩的长度应比一般部位的桩长1～2m。

截面内力根据支护结构的设计计算确定，同时，需考虑板桩在起吊和运输过程中产生的内力。截面承载力按现行《钢筋混凝土结构设计规范》的有关规定进行。

钢筋混凝土板桩施工：钢筋混凝土板桩通常采用锤击、静压或振动等方法沉入土中，这些方法可以相互配合使用。打桩前应根据板桩支挡结构的水平总长和板桩规格，事先确定所需的板桩数量。沉桩应分段进行，不应单独打入。定位桩应确保其沉桩的垂直度。其他板桩在定位桩打好后，依次沿着导架逐块打入土中。

(2) 钢板桩

钢板桩支护结构一般采用U形或Z形截面钢板。当基坑较浅时也可采用正反扣的槽钢，当基坑较深、荷载较大时也可采用钢管、H钢及其他组合截面钢桩。

钢板桩构造：带锁口的钢板桩一般能起到隔水作用，但考虑到施工中的不利因素，在地下水位较高的地区环境保护要求较高时，在钢板桩的背侧需加设隔水帷幕。

钢板桩支护结构可以用于圆形、矩形、多边形等平面形状的基坑。对于矩形和多边形基坑在转角处应根据转角平面形状做相应的异形转角桩，如果无成品转角桩，可将普通钢板桩裁开后，加焊型钢或钢板后拼制成转角桩。转角桩的长度一般要加长。

钢板桩施工：钢板桩通常采用锤击、静压或振动等方法沉入土中，这些方法可以单独使用，也可相互配合使用。沉桩前，现场钢板桩应逐块检查并编号，钢板桩尺寸的允许偏差需符合规范要求，不合格时应予调整。经检查合格的锁口应涂上黄油或其他优质油脂后待用。

当钢板桩长度不够时，可采用相同型号的板桩按等强度原则接桩，通常先对焊，再焊加强板。

图7-14　钢板桩施工示意图

钢板桩应分段打入，不宜单独打入。封闭或半封闭支挡结构应根据板桩规格和封闭段的长度事先计算好块数，第一块沉入的钢板桩应比其他的桩长2～3m，并应确保其沉桩垂直度。有条件时，最好在打桩前在地面以上沿支挡结构位置先设置导架，将一组钢板桩沿导架正确就位后再逐根沉入土中，如图7-14所示。

钢板桩一般作为基坑临时性支护结构，在地下主体工程完成后即可将钢板桩拔除。但是，在拔除过程中易引起周围土体的侧向位移和沉降，从而影响周边环境的安全。防止此现象发生的措施一般有两种：一是沿着拔桩方向在钢板桩外侧土中事先插入注浆管，待板桩拔起后随即通过邻近的注浆管进行注浆，使浆液充填到板桩留下的空隙；二是在板桩拔起后，随即在桩位孔中插入套好布袋或塑料袋的注浆管直至空隙底部，然后立即注浆，浆液使布袋或塑料袋膨胀而充填空隙。

3) 水泥土挡土墙支护结构的构造与施工

(1) 构造

采用格栅布置时，水泥土的置换率：淤泥不小于0.8；淤泥质土不小于0.7；黏土或砂土不小于0.6。格栅长宽比不小于2，横向墙肋的净宽不大于2.0m。

桩与桩之间的搭接宽度根据挡土和止水要求确定。当考虑止水作用时，搭接宽度不小于150mm；当不考虑止水作用时，搭接宽度不小于100mm。

水泥土挡土墙桩顶应作桩顶钢筋混凝土压顶梁，梁高不小于200mm，宽不小于墙宽，混凝土的强度等级不小于C15。

(2) 施工

水泥土挡土墙采取切割搭接法施工，应在前桩水泥土尚未固化时进行后续搭接桩的施工。施工开始和结束的头尾搭接处应采取加强措施，消除搭接沟槽。墙体桩位偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于0.5%。当设置插筋时，桩身插筋应在桩顶搅拌完成后及时进行。

深层搅拌桩施工前应进行成桩工艺及水泥掺入量或水泥浆的配合比试验，以确定相应的水泥掺入比或水泥浆水灰比。喷浆深层搅拌桩的水泥掺入比15%～18%；喷粉深层搅拌桩为13%～16%。

采用高压旋喷桩时，施工前应通过试喷试验，确定不同土层旋喷固结体的最小直径、施工工艺参数。高压旋喷桩水灰比为1.0～1.5。

7.3　土钉支护结构

7.3.1　土钉支护结构的特点及应用范围

土钉支护技术是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术,其发展始于20世纪70年代，由于其节约投资、施工占地少、进度快、安全可靠等优点，在深基坑开挖支护工程中得到较为广泛的应用。

1) 土钉支护的工作原理

土钉支护技术的工作原理是充分利用原状土的自承能力，把本来完全靠外加支护结构来支挡的土体，通过土钉技术的加固使其成为一个复合的挡土结构。土钉支护是由被加固土体、放置在其中的土钉体和喷射混凝土面层组成，天然土体通过土钉的加固并与混凝土面板相结合，共同抵抗土压力和其他荷载，以保证边坡的稳定性。

2) 土钉支护的特点

(1) 土钉墙施工具有快速、及时且对邻近建筑物影响小的特点。由于土钉墙施工采用小台阶逐段开挖，在开挖成型后及时设置土钉与面层结构，对坡体扰动较少，且施工与基坑开挖同步进行，不独立占用工期，施工迅速，土坡易于稳定。实测资料表明，采用土钉支护的土坡只要产生微小变形就可发挥土钉的加筋力，因此坡面位移与坡顶变形很小，对相邻建筑物的影响很小。

(2) 施工机具简单，施工灵活，占用场地小。施工土钉时所采用的钻进机制及混凝土喷射设备都属于小型设备，机动性强、占用施工场地很小，即使紧靠建筑红线下切垂直开挖亦能照常施工。施工所产生的振动和噪音低，在城区施工具有一定的优越性。

(3) 经济效益好。国内有关资料分析，土钉墙支护比排桩法、钢板桩、锚杆支护等可节省投资，因此，采用土钉支护具有较高的经济效益。

3) 土钉支护的应用范围

(1) 用于高层建筑、地下结构等基坑开挖和土坡开挖的临时性支护。

(2) 用作洞室围岩支护、路堑路堤的土坡挡墙等永久性挡土结构。

(3) 现有挡土墙的维修加固和各类临时性支护失稳时的抢险加固。

(4) 边坡加固。

7.3.2　土钉支护结构的设计及稳定性分析

土钉支护结构的设计一般包括以下几个步骤：①根据坡体的剖面尺寸、土的物理力学性能和坡顶的超载情况，计算潜在滑动面的位置和形状；②初步确定土钉的直径、长度、倾角以及布置方式和间距；③验算土钉支护结构的内外部稳定性。

1) 土钉的设计

(1) 土钉的长度

抗拔试验表明，对高度小于12m的土坡采用相同的施工工艺，在同类土质条件下，当土钉长度达到一倍土坡垂直高度时，再增加其长度对承载能力无显著提高。国外分析表明，对钻孔注浆型土钉，用于粒状土陡坡加固时，其长高比(土钉长度与坡面垂直高度之比)一般为0.5～0.8；用于冰碛物或泥炭灰岩边坡时一般为0.5～1.0。在初步确定土钉长度时可按下式计算：

L=ηH+L0

(7-41)

式中：η——经验系数，可取η=0.7～1.2；

H——土坡的垂直高度(m)；

L0——止浆器的长度，一般为0.8～1.5m。

(2) 土钉钻孔直径及间距布置

土钉孔径dh可根据钻孔机械选定。国外对钻孔注浆型土钉一般取土钉孔径为76～150mm；国内一般取70～200mm。

以sx和sy分别表示水平间距(行距)和垂直间距(列距)。行距、列距的选择原则是以每个土钉注浆对其周围土的影响区与相邻孔的影响区相重叠为准。王步云教授等建议按6～8dh选定行距、列距，且应满足下式的要求：

sxsy=K1dhL

(7-42)

式中：K1——注浆工艺系数，对一次压力注浆工艺，取1.5～2.5。

(3) 土钉加筋杆直径选择

土钉钢筋宜采用Ⅱ级以上螺纹钢筋，也可采用多根钢绞线组成的钢绞索。

王步云等建议，土钉的加筋杆直径db可按下式估算：

(7-43)

(4)土钉倾角

土钉倾角一般在0°～25°之间取值，其大小取决于土钉置入方式和土体分层特点等多种因素。由于土钉在土体中的作用是抗拔受拉，倾角越小其水平拉力越大，越有利于土钉对土体的加固。但倾角过小，不利于施工。根据工程施工经验，土钉的倾角以不超过15°为宜。

2) 土钉支护的稳定性验算

图7-15　土钉墙整体稳定性验算示意图

土钉支护结构的失稳破坏主要有体内破坏和体外破坏。破坏时，土体破坏面全部或部分穿过加固了的土体内部，则称此种破坏形式为体内破坏；土钉支护结构还可能发生沿支护底部滑动、绕支护面层底端倾覆、连同周围和基坑底部深部土体滑动，这类破坏形式称为体外破坏。因此，土钉支护结构的稳定性验算包括内部稳定性验算(内部整体稳定性验算和土钉抗拔力验算)和外部稳定性验算(抗倾覆稳定性验算和抗滑动稳定性验算)。

(1) 土钉墙支护结构的整体稳定性验算

土钉墙支护结构的整体稳定性验算采用条分法，如图7-15所示。

(qbi+γibihi)sinθi

K=MR/MS

(7-44)

式中：ni——分条的数量；

Ci——分条的内聚力(kPa)；

li——分条的圆弧长度(m)；

φi——分条的内摩擦角;

γi——分条的重度(kN/m3);

bi——分条宽度(m)；

hi——分条高度(m)；

θi——分条的坡度；

m——滑动体内土钉数；

φj——第j根土钉穿过的土层内摩擦角；

sj——第j排土钉的水平间距(m)；

Tj——第j根土钉在滑动面外土体中的极限抗拔力(kN);

αj——第j根土钉的倾角。

(2) 土钉抗拔力验算

土钉在滑动面以外的锚固段应具有足够的界面摩阻力而不被拔出，所以：

(7-45)

同时，土钉拉杆应具有一定的抗拉强度，以抵抗过量拉伸或发生屈服：

(7-46)

式中：D——钻孔直径(m)；

Tmax——各土钉的最大轴向抗拔力(kN);

Ti——第i根土钉轴向抗拔力的水平分力(kN);

αi——第i根土钉的倾角；

fy——土钉拉杆材料的抗拉强度(kN/m2);

db——土钉拉杆直径(m)；

lpi——第i根土钉在滑动面以外的有效锚固段长度(m)；

τi——土钉与周围土体间的粘结强度(kPa)。

图7-16　土钉墙抗滑动和抗倾覆稳定性验算

(3) 土钉墙抗滑动稳定性验算

密集的土钉组成的复合土体可视为重力式挡土墙。因此，土钉墙抗滑动和抗倾覆稳定性验算采用重力式挡土墙的计算方法，如图7-16。

土钉墙抗滑动稳定性安全系数：

Fl=(W+qb)sxtanφ

W=γbHb

(7-13)

式中：Eax——墙后主动土压力(kN);

b——计算墙体厚度，可按下述方法确定：b=11×土钉平均长度/12；

W——计算墙体的重量(kN/m);

γb ——计算墙体的重度(kN/m3);

Fl——计算墙底端面上的摩阻力。

(4) 土钉墙抗倾覆稳定性验算

土钉墙抗倾覆稳定性安全系数：

MW=(W+qb)bSx/2

M0=EaxH/3

(7-47)

式中：MW——抗倾覆力矩；

M0——倾覆力矩。

7.3.3　土钉支护结构的施工

土钉墙的施工一般按以下程序进行：

1) 施工前的准备

(1) 在进行土钉墙施工前，应充分核对设计文件、土层条件和环境条件，在确保施工安全的情况下，编制施工组织设计。

(2) 认真检查原材料、机具的型号、品种、规格及土钉各部件的质量、主要技术性指标是否符合设计和规范要求。

(3) 平整好场地道路，搭设好钻机平台。

(4) 做好土钉所用砂浆的配合比及强度试验，各构件焊接的强度试验，验证能否满足设计要求。

2) 土方开挖

土方开挖必须紧密配合土钉墙施工，具体要求如下：

(1) 土方必须分层开挖，严格做到开挖一层、支护一层。

(2) 每层开挖深度按设计要求并视现场土质条件而定，开挖要到位，绝对禁止超挖。

(3) 每层开挖的长度主要取决于土体维持不变形的最大长度和施工流程的相互衔接，一般为8～15m。

(4) 机械开挖后，应及时对壁面进行人工修整。

(5) 对较软弱的土体，需采取必要的超前支护措施。

3) 钻孔

(1) 根据不同的土质情况采用不同的成孔作业法进行施工。对于一般土层，孔深不大于15m时，可选用洛阳铲或螺旋钻施工；孔深大于15m时，宜选用土锚专用钻机和地质钻机施工。对饱和土易塌孔的地层，宜采用跟管钻进工艺。掌握好钻机钻进速度，保证孔内干净、圆直，孔径符合设计要求。

(2) 严格控制钻孔的偏差。保证钻孔的水平方向孔距误差、垂直方向孔距误差、钻孔底部的偏斜误差、钻孔深度误差均在规范和设计要求允许范围以内。

(3) 钻孔时如发现水量较大，要预留导水孔。

4) 土钉制作和安放

(1) 拉杆要求顺直，应除油、除锈并做好防腐处理，按要求设置好定位架。

(2) 拉杆插入时应防止扭压、弯曲，拉杆安放后不得随意敲击和悬挂重物。

5) 注浆

(1) 钻孔注浆土钉浆液配合比根据设计要求确定，一般采用水灰比为0.4～0.45，灰砂比采用1∶1～1∶2的水泥砂浆。水泥一般采用425号普通硅酸盐水泥。

(2) 应采用机械均匀拌制浆体，要随搅随用，禁止人工搅浆，浆液应在初凝前用完，并严防石、杂物混入浆液。

(3) 对孔隙比大的回填土、砂砾土层，注浆压力一般要达到0.6MPa以上。

6) 喷射混凝土

(1) 喷射混凝土施工的设备

喷射混凝土施工的设备主要包括混凝土喷射机、空压机、搅拌机和供水设施等。对各设备器具的要求如下：①混凝土喷射机应满足如下要求：密封性能良好，输料连续、均匀，生产能力(干混合料)为3～5m3/h，允许输送的骨料最大粒径为25mm，输送距离(干混合料)水平不小于100m，垂直不小于30m；②选用的空压机应满足喷射机工作风压和耗风量的要求，一般不小于9m3；③混合料的搅拌宜采用强制搅拌式搅拌机；④输料管应能承受0.8MPa以上的压力，并应有良好的耐磨性能；⑤供水设施应保持喷头处的水压大于0.2MPa。

(2) 喷射混凝土施工

根据混凝土搅拌和输送工艺的不同，喷射分为干式和湿式两种。干式喷射是用混凝土喷射机压送干拌合料，在喷嘴处与水混合后喷出；湿式喷射是用泵式喷射机，将已加水拌和好的混凝土拌合物压送到喷嘴处，然后在喷嘴处加入速凝剂，在压缩空气助推下喷出。

(3) 喷射作业的要求

①喷射作业前要对机械设备，风、水管路和电线进行全面的检查并试运转，清理受喷面，埋设好控制混凝土厚度的标志；②喷射作业开始时，应先送风，后开机，再给料，料喷完后再关风；③喷射时，喷头应与受喷面垂直，并保持0.6～1.0m的距离；④喷射作业应分段分片依次进行，同一分段内喷射顺序由上而下进行，以免新喷的混凝土层被水冲坏；⑤喷射混凝土的回弹率不大于15%；⑥喷射混凝土终凝2h后应喷水养护，养护时间，一般工程不少于7d，重要的工程不少于14d。

7) 土钉的张拉与锁定

(1) 张拉前应对张拉设备进行标定。

(2) 土钉注浆固结体和承压面混凝土强度均大于15MPa时方可张拉；锚杆张拉应按规范要求逐级加荷，并按规定的锁定荷载进行锁定。

(7-48)

7.4　支撑和锚杆系统

采用内支撑或坑外设置锚杆可以平衡作用在板式支护结构上的水、土压力。内支撑支撑刚度大、控制基坑变形能力强，而且不侵入周围地下空间形成障碍物等优点，但是工程造价较高，而且支撑的设置对地下结构的回筑施工将造成一定程度的影响；锚杆系统由于设置在围护墙的外侧，为土力开挖、结构施工创造了空间，有利于提高工程效率和质量，且锚杆造价相对于内支撑系统有较大的优势，但由于锚杆设置在坑外，对将来地下空间的开发利用将形成一定的障碍。内支撑系统与锚杆系统各有优缺点，基坑工程中选择内支撑系统还是锚杆系统应根据实际情况确定，其中包括周围环境、基坑与红线关系、工程水文地质条件以及基坑规模和开挖深度等。

7.4.1　内支撑系统

支撑结构选型包括支撑材料和体系的选择以及支撑结构布置等内容。支撑结构选型从结构体系上可分为平面支撑体系和竖向斜撑体系；从材料上可分为钢支撑、钢筋混凝土支撑以及钢和混凝土组合支撑的形式。各种形式的支撑体系根据其材料特点具有不同的优缺点和应用范围。由于基坑规模、环境条件、主体结构以及施工方法等的不同，难以对支撑结构选型确定出一套标准的方法，应在确保基坑安全可靠的前提下以经济合理、施工方便为原则，根据实际工程具体情况综合考虑确定。

1) 钢支撑体系

钢支撑体系是在基坑内将钢构件用焊接或螺栓拼接起来的结构体系。由于受现场施工条件的限制，钢支撑的节点构造应尽量简单，节点形式也应尽量统一，因此钢支撑体系通常均采用具有受力直接、节点简单的正交布置形式，钢支撑体系目前常用的形式一般有钢管和H型钢两种，钢管大多选用φ609，壁厚可为10mm、12mm和14mm；型钢支撑大多选用H型钢，常用的有H700×300、H500×300等。

钢支撑架设和拆除速度快、架设完毕后不需要等待强度即可直接开挖下层土方，而且支撑材料可重复循环使用，对节省基坑工程造价和加快工期具有显著优势，适用于开挖深度一般、平面形状规则、狭长形的基坑工程。钢支撑几乎成为地铁车站基坑工程首选的支撑体系。但由于钢支撑节点构造和安装复杂以及目前常用的钢支撑材料截面承载力较为有限等特点，以下几种情况下不适合采用钢支撑体系：基坑形状不规则，不利于钢支撑平面布置；基坑面积巨大，单个方向钢支撑长度过长，传力可靠性难以保证；由于基坑面积大且开挖深度深，钢支撑刚度相对较小，不利于控制基坑变形和保护周边环境。

2) 钢筋混凝土支撑体系

钢筋混凝土支撑具有刚度大、整体性好的特点，而且可采取灵活的布置形式以适应基坑工程的各项要求。目前常用的有以下几种布置形式：

(1) 正交支撑体系。正交对撑布置形式的支撑系统传力直接而且明确，具有支撑刚度大、变形小的特点，在所有平面布置形式的支撑体系中最具控制变形的能力，十分适合在敏感环境下面积较小或适中的基坑工程中应用，如邻近保护建(构)筑物、地铁车站或隧道的深基坑工程；或者当基坑工程平面形状较为不规则，采用其他平面布置形式的支撑体系有难度时，也适合采用正交支撑形式。该支撑系统主要缺点是支撑杆件密集、工程量大，而且出土空间比较小，不利于加快出土速度。

(2) 对撑、角撑结合边桁架支撑形式。这种支撑体系近年来在深基坑工程中得到了广泛使用，具有十分成熟的设计和施工经验。它具有受力十分明确的特点，且各块支撑受力相对独立，因此该支撑布置形式无需等到支撑系统全部形成才能开挖下部土方，可实现支撑的分块施工和土方的分块开挖的流水线施工，在一定程度上可缩短支撑施工的绝对工期。而且其无支撑面积大，出土空间大，通过在对撑及角撑局部区域设置施工栈桥，还可大大加快土方的出土速度。

(3) 圆环支撑形式。通过对深基坑支撑结构的受力性能分析可知，挖土时基坑围护墙须承受四周水土压力的作用。从力学观点分析，可以设置水平方向上的受力构件作支撑结构，为充分利用混凝土抗压能力强的特点，把受力支撑形式设计成圆环形结构，承受土压力是十分合理的。在这个基本原理指导下，土体侧压力通过围护墙传递给围檩与边桁架腹杆，再集中传至圆环。在围护墙的垂直方向上可设置多道圆环内支撑，其圆环的直径大小、垂直方向的间距可由基坑平面尺寸、地下室层高、挖土工况与水土压力值来确定。圆环支撑形式适用于超大面积的深基坑工程，以及多种平面形式的基坑，特别适用于方形、多边形。

圆环支撑体系较其他支撑体系而言优点如下：

(1) 受力性能合理。在深基坑施工时，采用圆环内支撑形式，从根本上改变了常规的支撑结构方式，这种以水平受压为主的圆环内支撑结构体系，能够充分发挥混凝土材料的受压特性，具有足够的刚度和变形小的特点。

(2) 加快土方挖运的速度。采用圆环内支撑结构，一般情况下在基坑平面形成的无支撑面积可达到50%以上，为挖运土的机械化施工提供了良好的多点作业条件，其中环内无支撑区域按周围环境条件与基坑面积的尺寸大小，挖土工艺以留岛式施工为主，在较小面积基坑的最后一层可用盆式挖土。挖土速度可成倍提高，缩短了深基坑的挖土工期，同时有利于基坑变形的时效控制。

(3) 可适用于狭小场地施工。在施工场地狭小或四周无施工场地的工程中，使用圆环内支撑也是较合适的。因支撑刚度大，可通过配筋、调整立柱间距等措施提高其横向承载能力。亦可在上面搭设堆料平台，安装施工机械。

圆环支撑体系也存在不利的因素，如根据该支撑形式的受力特点，要求土方开挖流程应确保圆环支撑受力的均匀性，圆环四周坑边应土方均匀、对称地挖除，同时要求土方开挖必须在上道支撑完全形成后进行，因此对施工单位的管理与技术能力要求相对较高，同时不能实现支撑与挖土流水化施工。

3) 钢和混凝土组合支撑形式

钢支撑具有架设以及拆除施工速度快、可以通过施加和复加预应力控制基坑变形以及可以重复利用、经济性较好的特点，因此在工程中得到了广泛的应用。但出于复杂的钢支撑节点现场施工难度大、施工质量不易控制，以及现可供选择钢支撑类型较少而且承载能力较为有限等局限性限制了其应用的范围，其主要应用在平面呈狭长形的基坑工程，如地铁车站等市政工程中，也大量应用在平面形状比较规则、短边距离较小的深基坑工程中。钢筋混凝土支撑由于截面承载能力高，以及现场浇筑可以适应各种形状的基坑工程，几乎可以在任何需要支撑的基坑工程中应用，但其经济性和施工工期不及相同条件下的钢支撑。

钢与混凝土组合支撑体系常用的有以下形式：

(1) 同层支撑平面内钢和混凝土组合支撑。如在长方形的深基坑中，中部可设置短边方向的钢支撑对撑，施工速度快且工程造价低，基坑两边如设置钢支撑角撑，支撑节点复杂且刚度低，不利于控制基坑变形，可采用施工难度低、刚度更大的钢筋混凝土角撑。

(2) 钢支撑平面与混凝土支撑平面分层组合的形式。为了节约工程造价以及施工的便利，一般情况下深基坑工程第一道支撑系统的局部区域均利用作施工栈桥，作为基坑工程实施阶段以及地下结构施工阶段的施工机械作业平台、材料堆场。第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，对减小围护体水平位移，并保证围护体整体稳定具有重要作用。同时，第一道支撑部分区域的支撑杆件经过截面以及配筋的加强即可作为施工栈桥，既方便了施工，又降低了施工技术措施费。第二道及以下各道支撑系统为加快施工速度和节约工程造价可采用钢支撑。采用此种组合形式的支撑时，应注意第一道支撑与其下各道支撑应上下统一，以便于竖向支承系统的共用以及基坑土方的开挖施工。

4) 竖向斜撑形式

当基坑工程面积大而开挖深度一般时，如采用常规的按整个基坑平面布置水平支撑，支撑和立柱的工程量将十分巨大，而且施工工期长，中心岛结合竖向斜撑的支撑设计方案可有效地解决此难题。具体施工流程为：首先在基坑中部放坡盆式开挖，形成中心岛盆式工况，依靠基坑周边的盆边留土平衡围护体所受的土压力，其后在完成中部基础底板之后，再利用中部已浇筑形成并达到设计强度的基础底板作为支撑基础，设置竖向斜撑，支撑基坑周边的围护体，最后挖除周边盆边留土，浇筑形成周边的基础底板，在地下室整体形成之后，基坑周边密实回填，再拆除竖向斜撑。竖向斜撑一般采用钢管支撑，在端部穿越结构外墙段用H型钢替代，以方便穿越结构外墙并设置止水措施。

7.4.2　支撑系统的设计计算

1) 水平支撑设计计算

(1) 水平作用力下的平面有限元计算

图7-17　平面竖向弹性地基梁法示意图

水平支撑系统平面内的内力和变形计算方法一般是将支撑结构从整个支护结构体系中截离出来，此时内支撑(包括围檩和支撑杆件)形成一自身平衡的封闭体系，该体系在土压力作用下的受力特性可采用杆系有限元进行计算分析。进行分析时，为限制整个结构的刚体位移，必须在周边围檩上添加适当的约束，一般可考虑在结构上施加不相交于一点的三个约束链杆，形成静定约束结构，此时约束链杆不产生反力，可保证分析得到的结果与不添加约束链杆时得到的结果一致。

内支撑平面模型以及约束条件确定之后，将由平面竖向弹性地基梁法(如图7-17)确定弹性支座的刚度。对于形状比较规则的基坑，并采用十字正交对撑的内支撑体系，支撑刚度可根据支撑体系的布置和支撑构件的材质与轴向刚度等条件按公式(7-49)来确定。在求得弹性支座的反力之后，可将该水平力作用在平面杆系结构之上，采用有限元方法计算得到各支撑杆件的内力和变形，也可采用简化分析力法，如支撑轴向力，按围护墙沿围檩长度方向的水平反力乘以支撑中心距计算，混凝土围檩则可按多跨连续梁计算，计算跨度取相邻支撑点的中心距。钢围檩的内力和变形宜按简支梁计算，计算跨度取相邻水平支撑的中心距。

(7-49)

式中：KB——内支撑的压缩弹簧系数(kN/m2);

α——与支撑松弛有关的折减系数，一般取0.5～1.0，混凝土支撑与钢支撑施加预应力时取α=1.0；

E——支撑结构材料的弹性模量(kN/m2);

A——支撑构件的截面积(m2)；

l——支撑的计算长度(m)；

S——支撑的水平间距(m)。

对于较为复杂的支撑体系，难以直接根据以上公式确定弹性支撑的刚度，且弹性支撑刚度会随着周边节点位置的变化而变化。这里介绍一种较为简单的处理方法，即在水平支撑的围檩上施加与围檀相垂直的单位分布荷载P=1kN/m，求得围檩上各结点的平均位移δ(与围檩方向垂直的位移)，则弹性支座的刚度为：

KBi=P/δ

(7-50)

(2) 竖向力作用下的水平支撑计算

竖向力作用下，支撑的内力及变形可近似按单跨或多跨梁进行分析，其计算跨度取相邻大柱中心距，荷载除了其自重之外还需考虑必要的支撑顶面，如施工人员通道的施工活荷载。此外，基坑开挖施工过程中，由于土体的大量卸荷会引起基坑回弹隆起，立柱也随之发生隆起，立柱间隆起量存在差异时也会对支撑产生次应力，因此在进行竖向力作用下的水平支撑计算时，应适当考虑立柱桩存在差异沉降的因素予以适当的增强。

2) 竖向支撑设计计算

基坑内部架设水平支撑的工程，一般需要设置竖向支承系统，用以承受混凝土支撑或者钢支撑杆件的自重等荷载。基坑竖向支承系统，通常采用钢立柱插入立柱桩的形式。竖向支承系统是基坑实施期间的关键构件。钢立柱的具体形式是多样的，它要承受较大的荷载，同时断面不应过大，因此构件必须具备足够的强度和刚度。钢立柱必须具备一个有相应承载能力的桩基础。根据支撑荷载的大小，立柱一般可采用角钢格构式钢柱、H型钢柱或钢管柱；立柱桩常采用灌注桩，也可采用钢管桩。基坑围护结构立柱桩可以利用主体结构工程桩；在无法利用工程桩的部位应加设临时支柱桩。

竖向支承钢立柱可以采用角钢格构柱、H型钢柱或钢管混凝土立柱桩，一般情况下钢立柱的垂直度偏差不宜大于1/200，立柱长细比不宜大于25。立柱的竖向承载能力主要由整体稳定性控制，若在柱身局部位置有截面削弱，必须进行竖向承载的抗压强度验算。一般截面形式的钢立柱计算，可按国家标准《钢结构设计规范》(GB 50017)等相关规范中关于轴心受力构件的有关规定进行。具体计算中，在两道支撑之间的立柱计算跨度可取为上一道支撑杆件中心至下一道支撑杆件中心的距离。最底层一跨立柱计算跨度可取为上一道支撑中心至立柱桩顶标高。角钢格构柱和钢管立柱插入立柱桩的深度可按下式计算：

(7-51)

式中：l——插入立柱桩的长度(mm)；

K——安全系数，取2.0～2.5；

fc——混凝土的轴心抗压强度设计值(N/mm2)；

A——钢立柱的截面面积(mm2)；

L——中间支撑柱断面的周长(mm)；

∂——粘结设计强度，如无试验数据可近似取混凝土的抗拉设计强度(N/mm2)。

钢立柱在实际施工中不同程度地存在水平定位偏差和竖向垂直度偏差等施工偏差情况，因此在按照上式计算钢立柱的承载力时，尚应按照偏心受压构件验算一定施工偏差下钢立柱的承载力，以确保足够的安全度。此外，基坑开挖土方，钢立柱暴露出来之后，应及时复核钢立柱的水平偏差和竖向垂直度，应根据实际的偏差测量数据对钢立柱的承载力进一步校核。对施工偏差严重者应采取限制荷载、设置柱间支撑等措施确保钢立柱承载力和稳定性满足要求。

7.4.3　锚杆系统

锚杆作为一种支护形式应用于基坑工程已近五十年，它一端与围护墙连接，另一端锚固在稳定地层中，使作用在围护结构上的水土压力，通过自由段传递到锚固段，再由锚固段将锚杆拉力传递到稳定土层中去。与其他设置内支撑的支护形式相比，采用锚杆支护形式，节省了大量内支撑和竖向支承钢立柱，因此经济性相对于内支撑支护形式具有较大的优势，而且由于锚杆设置在围护墙的背后，为基坑工程的土方开挖、地下结构施工创造了开阔的空间，有利于提高施工效率和地下工程的质量。但锚杆支护受到地层条件和环境锚固条件的限制，主要指地层的地质条件使锚杆力能否有效地传递，以及锚杆有可能超越用地红线对红线以外的已建建(构)筑物形成不利影响或者形成将来地下空间开发的障碍。

锚杆结构一般由锚头、自由段以及锚固段三部分组成，其中锚固段用水泥浆或水泥砂浆将杆体(普通钢筋或者预应力筋)与土体粘结在一起形成锚杆的锚固体。锚杆按其使用年限分为临时性锚杆(使用时间<2年)和永久性锚杆(使用时间>2年)。临时性锚杆和永久性锚杆的设计安全度、防腐处理以及锚头构造都有不同的要求。作为基坑工程使用的锚杆，有效作用时间通常在一年左右，因此对用于基坑支护的锚杆可按临时性锚杆考虑。锚杆支护技术在基坑工程领域经过多年的应用和发展，已经形成多种成熟的、可供选择的形式。锚杆的具体选型需根据工程水文地质条件、周边环境情况以及基坑工程的规模及开挖深度等特点综合确定。

1) 预应力锚杆与非预应力锚杆

锚杆一般按照是否施加预应力可分为预应力锚杆和非预应力锚杆。预应力锚杆由自由段和锚固段组成，一般采用钢绞线作为锚杆杆体。施工流程：先成孔，其后放置锚杆杆体，之后进行锚杆浆体的施工，浆体施工完毕并达到设计要求的强度之后，对钢绞线进行张拉施加预应力。由于预应力锚杆需进行张拉的程序，锚杆在下层土方开挖之前便可提供支护锚固力，因此该类型锚杆具有控制变形能力强的特点，而且前期的张拉顺序能预先检验锚杆的承载力，质量更容易得到保证。预应力锚杆施工工艺相对复杂，施工造价相对较高，但具有承载能力高、控制基坑变形能力强的特点，运用于对周边保护要求较高、开挖深度较深的基坑工程中。

非预应力锚杆没有自由段，其通长均为锚固段，采用普通的钢筋作为锚杆杆体，锚杆成孔后置入钢筋杆体，注浆后即可完成锚杆的所有工序。该类型锚杆需在基坑开挖以下土方、锚杆产生变形趋势之后才发挥锚固作用。因此控制基坑变形能力相对于预应力锚杆差，而且缺乏成套行之有效的检验手段和施工质量控制标准。非预应力锚杆控制基坑变形能力和承载能力一般，但施工工艺简单、工序少，而且工程造价相对较低，一般适用于周围环境无特殊保护要求、开挖深度一般的基坑工程。

2) 拉力型锚杆和压力型锚杆

拉力型锚杆与压力型锚杆的共同特点在于工作状态时锚杆杆体均处于受拉状态，不同点在于锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或者受压状态。

拉力型锚杆工作时，锚杆灌浆体处于受拉状态，由于灌浆体抗拉强度很小，工作状态时浆体容易出现张拉裂缝，地下水极易通过裂缝渗入锚杆内部，从而导致锚杆杆体长期的防腐性差。但拉力型锚杆结构简单、施工方便，具有较好的经济性，因此该类型锚杆在无特殊要求的基坑工程中得到较为广泛的应用，当前基坑工程中的锚杆多采用此类型锚杆。

压力型锚杆工作状态下灌浆体受压，灌浆体不易开裂，锚杆防腐蚀性较好，可用于永久性锚杆工程，而且灌浆体受压性能远优于其受拉性能，因此压力型锚杆受力性能优于拉力型锚杆。另外，由于锚杆芯体与灌浆体之间采取隔离措施，为锚杆使用完毕回收锚杆芯体创造了条件。总的来看，压力型锚杆施工工艺相对于拉力型锚杆复杂，而且造价也相对较高，在一定程度上限制其应用发展，但其防腐蚀性能较好，特别是具有锚杆芯体可回收、对周边地下空间开发不造成障碍的特点，是今后基坑工程支护形式发展应用的方向之一。

3) 单孔单一锚固和单孔复合锚固

单孔单一锚固指在一个钻孔中只有一根独立的锚杆，其预应力仅通过唯一一个锚固体传递至地层，锚固体会出现严重的应力集中现象，而应力集中过大将容易产生锚固浆体破坏或周围地层的破坏，从而降低锚杆的承载力。上述拉力型锚杆及压力型锚杆均属于单孔单一锚固型锚杆，由于其施工工艺相对简单、工艺成熟、具有大量的实践经验和理论基础，因此目前工程中大量使用的是单孔单一锚固型锚杆。

随着基坑工程向深、大方向的发展，对锚杆承载力等性能要求更高，由于单孔单一锚固型锚杆难以克服应力集中的负面因素，其承载力难以较大幅度地提升。单孔复合锚固型锚杆则是一种较为新型的锚杆，它是在同一钻孔中设置多个单元锚杆，以将原本集中的荷载均匀分散至多个单元锚杆上，从而大大改善单孔单一锚固型锚杆应力集中的现象，使其具有相同长度下相对于单孔单一锚固型锚杆具有更高的锚固力，大幅度地提高锚杆的承载力以及其他方面的性能。

4) 可拆卸回收式锚杆

当基坑邻近建筑物红线或者基坑周边地下空间有开发的规划而不允许设置永久性锚杆时，应采用可拆卸回收式锚杆，待基坑工程施工结束，锚杆结束其服务期后，便可将其中的钢绞线从孔中抽出回收，达到回收锚杆杆体的目的，从而避免对后续地下空间的开发形成障碍。根据杆体回收的不同机理，目前工程中一般有机械式可回收锚杆、化学式可回收锚杆以及力学式可回收锚杆三种形式。

5) 玻璃纤维锚杆

玻璃纤维锚杆的应用与可拆卸回收式锚杆一样，同样是为了不影响周围地下空间的开发。即锚杆杆体的材料采用玻璃纤维，利用玻璃纤维抗拉强度高、抗剪和抗折强度低、脆性的特点，其机械可断的特性使其不会成为地下空间开发中的障碍物。由于玻璃纤维抗剪强度较低，当基坑外设置锚杆区域在基坑实施阶段预计将发生较大竖向变形时应当慎用，以避免因竖向变形过大造成玻璃纤维杆体剪断，此种情况下如必须采用玻璃纤维锚杆，应考虑适当增加其截面，以增强其截面抗剪承载力。

6) 自钻式中空注浆锚杆

自钻式中空注浆锚杆是一种新型锚杆，其将钻孔、锚杆安装、注浆、锚固合而为一，具有施工速度快、锚固力大、防腐性能好、工艺简单等特点。其注浆工艺是在钻孔后立即从锚杆的中孔向内注浆，浆液达到孔底后，即沿着孔壁与锚杆壁间自底向孔口进行充填，因而不仅保证了及时加固地层，同时也保证了钻孔中注浆的饱满，并能充填钻孔周壁的地层缝隙，增大了锚固力。另外，由于孔外锚端的螺母拧紧力作用，可作为预应力锚杆进行设计。它适合在破碎而极易坍孔的地层中使用，甚至在砂卵石或淤泥质地层中也能采用，从根本上扭转了在松软、破碎等不良地层中无法安放锚杆或锚杆长度不能满足设计要求的状况。

7) 全套管跟进锚杆

在高地下水位、粉砂土地基中进行锚杆施工时，如不采用辅助措施直接钻孔，容易产生坍孔、流砂，土颗粒大量流失造成周边地面沉陷，严重时将影响到基坑工程的安全。此时可采用全套管跟进锚杆，即在孔口外接套管斜向上一定高度、套管内灌水保持水压平衡后再进行钻孔施工，从而避免钻孔发生流砂、坍孔现象。

7.4.4　锚杆的设计计算

1) 锚杆拉力的确定

单根锚杆的设计拉力需根据施工技术能力、岩土层分布情况等因素来确定。过去锚杆以较大孔径、较高承载力为主，但施工机械要求高、施工难度大、可靠性差。若有施工质量问题时，补强施工难度大。故设计确定单根锚杆的设计拉力时不宜过高。设计拉力较高时宜选用单孔复合锚固型锚杆、扩孔锚杆等受力性能较好的锚杆。

2) 锚杆位置的确定

锚杆的锚固区应当设置在主动土压力楔形破裂面以外，根据地层情况来确定锚杆的锚固区，以保证锚杆在设计荷载下正常工作。锚固段需设置在稳定的地层以确保有足够的锚固力。同时，采用压力灌浆时，应使地表面在灌浆压力作用下不破坏，一般要求锚杆锚固体上覆土层厚度不宜小于4m。

3) 锚固体设置间距

锚杆间距应根据地层情况、锚杆杆体所能承受的拉力等进行经济比较后确定。间距太大，将增加腰梁应力，需增加腰梁断面；缩小间距，可使腰梁尺寸减小，但锚杆会发生相互干扰，产生群锚效应，使极限抗拔力减小而造成危险。现有的工程实例有缩小锚杆间距的倾向。因在锚杆较密集时，若其中一根锚杆承载能力受影响，其所受荷载会向附近其他锚杆转移，整个锚杆系统所受影响较小，整体受力还是安全的。

锚杆的水平间距不宜小于1.5m，上下排垂直间距不宜小于2m。如果工程需要必须设置更近，可考虑设置不同的倾角及锚固长度以避免群锚效应的影响。

4) 锚杆的倾向

一般采用水平向下15°～25°倾角，锚杆水平分力随锚杆倾角的增大而减小。倾角太大将降低锚杆的效果，而且作用于支护结构上的垂直分力增加，可能造成挡土结构和周围地基的沉降。为了有效地利用锚杆抗拔力，最好使锚杆与侧压力作用方向平行。锚杆的具体设置方向与可锚岩土层的位置、挡土结构的位置及施工条件等有关。

5) 锚杆的层数

锚杆层数根据土压力分布大小、岩土层分布、锚杆最小垂直间距等而定，还应考虑基坑允许变形量和施工条件等综合因素。当预应力锚杆结合钢筋混凝土支撑或钢支撑支护时，需考虑到预应力锚杆与钢筋混凝土支撑或钢支撑的水平刚度及承载能力的不同，尤其是锚杆与钢筋混凝土支撑的受力特性不同。锚杆可先主动施加预应力，在围护桩(墙)变形前就可提供承载力、限制变形；而钢筋混凝土支撑是被动受力，在围护桩(墙)变形使得支撑受压后支撑才会受力、阻止变形进一步发展。确定锚杆和支撑的间距时，既要控制好围护桩(墙)变形，又要充分发挥围护桩(墙)的抗弯、抗剪能力和支撑抗压承载力高的优势，合理分配锚杆和支撑承担的荷载。

6) 锚杆自由长度的确定

锚杆自由长度的确定必须使锚杆锚固于比破坏面更深的稳定地层上，以保证锚杆系统的整体稳定性；使锚杆能在张拉荷载作用下有较大的弹性伸长量，不至于在使用过程中因锚头松动而引起预应力的明显衰减。《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—99)中规定锚杆自由长度不宜小于5m并应超过潜在滑裂面1.5m，锚固端长度计算公式如下：

(7-52)

式中：Nt——锚杆轴向拉力设计值；

K——安全系数；

D——锚杆直径；

qs——锚杆抗拉强度。

7) 锚杆的安全系数

锚杆设计中应考虑两种安全系数：对锚固体设计和对杆体筋材截面尺寸设计的安全系数。锚固体设计的安全系数需考虑锚杆设计中的不确定因素及风险程度，如岩土层分布的变化、施工技术可靠性、材料的耐久性、周边环境的要求等。锚杆安全系数的取值取决于锚杆服务年限的长短和破坏后影响程度。我国《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB 50086—2001)规定锚杆杆体筋材截面尺寸设计安全系数，临时锚杆为1.6，永久锚杆为1.8。

8) 锚杆杆体筋材的设计

锚杆杆体筋材宜用钢绞线、高强钢丝或高强精轧螺纹钢筋。因其抗拉强度高，可减少钢材用量；钢绞线、钢丝运输安装方便，在狭窄空间也可施工；强度高，而钢材的弹性模量差不多，故张拉到设计值时的张拉变形大，使得因锚头松动等原因使杆体变形减小时，由于变形减小部分占已变形部分的比例小，预应力损失相对较小。

当锚杆承载力值较小或锚杆长度小于20m时，预应力筋也可采用HRB 335级、HRB 400级钢筋。

压力分散型锚杆及对穿型锚杆的预应力筋应采用无粘结钢绞线。无粘结钢绞线是近几年开发的预应力筋材，具有优异的防腐和抗震性能，它由钢绞线、防腐油脂涂层和聚乙烯或聚丙烯包裹的外层组成，是压力分散型锚杆的必用筋材。

锚杆顶应力筋的截面面积应按下式设计：

(7-53)

式中：Nt——锚杆轴向拉力设计值；

K——安全系数；

fptk——钢绞线、钢丝或钢筋的抗拉强度标准值；

A——锚杆杆体筋材的截面积。

【例7-5】　某基坑深8m，坑外地下水在地面下1m，坑内地下水在坑底面，坑边满布地面超载q0=20kN/m2。地下水位以上γ=18kN/m3，不固结不排水抗剪强度指标 c=25kPa，φ=14°；地下水位以下γsat=20kN/m3，不固结不排水抗剪强度指标c=20kPa，φ=12°(有效应力抗剪强度指标c′=23kPa，φ′=13°)，设计钢筋混凝土桩d=800mm，桩中距1000mm，锚杆位于地面下3m。求：(1)支护结构的荷载分布；(2)桩的嵌入深度；(3)设计锚杆(δ=0，倾角13°，间距=2桩距，钢绞线fDV=1170MPa,γ0=1、frb=50kPa，fb=2.95MPa)。

【解】　(1)求荷载分布

采用水土合算法，地下水位以上水土压力为：

=-15.87kPa

令eaik=0，得临界深度z0=1.57m，坑外1m以下主动土压力为：

==(13.115z-20.59)kPa

地面超载主动土压力：

1m以上：=12.21kPa

1m以下：=13.115kPa

被动土压力　　

=(30.5z1+49.40)kPa

求反弯点位置(设反弯点在坑内坑底下深度y0处)：

30.5y0+49.4=13.115z-20.59+13.115

其中z=y0+7，得y0=2.0m。

由简支梁得锚杆水平力标准值Ha1k，简支梁另一支座反力标准值Pd1k，对反弯点求力矩：

1/2×21.815×2×2/3×2+12.21×1×(8-0.5+2)+

13.115×(7+2.0)×1/2×(7+2.0)

解得

Ha1k=201.84kN/m

Pd1k=　1/2×71.215×(8-1-1.57)+1/2×21.815×2+12.21×1+

13.115×(7+2.0)-201.84=143.7kN/m

(2) 求桩的设计嵌入深度

设反弯点距挡土桩底tn=z1-2.0；参照“等值梁法计算简图”及“等值梁法计算单支点支护桩简图”：挡土桩前土压力合力作用点距挡土桩底b=tn/3，则对桩脚求力矩，令M=0：

(3) 锚杆设计

锚杆间距s=2×1000=2m

=532mm2

故采用1×7(七股)钢绞线：3φs15.2；A实配=544mm2

锚杆锚固段长度　

锚杆自由段长度　

锚杆的总长度　L总=21+5=26m

7.5　基坑的变形分析

7.5.1　基坑变形的特点及规律

在基坑开挖过程中，由于改变了原位土体的应力场及地下水等环境因素的变化，必然会引起支护结构的变形(甚至破坏)、基坑周围地表沉降、基坑失稳和基底隆起等问题。其中基坑变形是普遍存在的，而且对周围环境的影响也十分突出。下面简单介绍一下基坑变形的特点及规律。

1) 变形的影响因素

影响因素有：①基坑形状与面积、开挖深度、土压力、地下水位和水压；②支挡和支撑(拉锚)结构的形式与刚度及安装方式、支撑(拉锚)的间距、施加预应力的大小、时间；③支挡桩的间距、构造；④基坑内地基加固情况；⑤开挖工艺；⑥基坑四周的堆载及周围建筑物的影响等。这些影响因素有些是主要的，有些是次要的，有些是可预见的，而有些是不可预见的，正是由于基坑开挖变形影响因素的多样性特点，从而加大了深基坑开挖的难度。

2) 复杂的变形机理

软土地层中进行基坑开挖，由于改变了原土体应力场和土的流变特性，必然导致发生基坑周围地面沉降、支护结构变形、基坑失稳、基底隆起等变形现象。不同变形类型的变形机理是复杂的，如由于卸荷作用引起基坑隆起；支挡结构在两边土压力作用下产生水平变位；支挡结构入土深度不足时会因开挖面内外四周土体产生过大的塑性区而引起基坑局部或整体失稳等。基坑的变形随开挖深度而增加，当挡墙深度一定时，土体塑性区随开挖深度的增加而逐渐扩大。基坑隆起量与地表超载、土性、入土深度、基坑开挖深度有密切关系。

3) 阶段性的变形过程

基坑变形过程大致可分为三个阶段：①挡土墙和止水帷幕施工，引起墙横向挤土，产生地表的沉陷、隆起等；②开挖过程中，随着深度的增加，土压力增加，支挡结构产生水平变位，引起地表沉陷或基坑失稳；③开挖后，基底土的蠕变、松弛，引起基坑隆起，或因降水引起地表的固结沉降。

4) 变形的危害

在软土地区，由于基坑开挖深度过大，地下水位又高，地基土质软弱等不良地质条件，及深基坑开挖技术的不太成熟，导致深基坑失事事故频繁，引起地面沉降、深基坑变形破坏，不仅对地质环境带来影响，而且对社会环境带来巨大伤害。

7.5.2　基坑变形的控制

如上所述，基坑变形对周围环境的影响也十分突出，为了保证工程顺利进行、保护地质环境、减少对社会的影响，必须在设计、施工过程中采取可行技术措施对基坑变形进行有效控制和防治。

1) 基坑变形的控制标准

支护结构变形控制指标一般包括：①支护结构主体水平位移及水平位移速率；②支护结构主体的倾斜；③支撑构件或锚头位移量及位移速率；④基坑隆起量与隆起速率；⑤地表下沉量及下沉速率；⑥邻近建筑的沉降、倾斜等。

(1) 建(构)筑物地基变形允许值

各类建(构)筑物对差异沉降的承受能力相差较大，基坑工程中必须将因基坑开挖所引起的附加变形与建筑物已经产生的变形一并考虑，其大小必须按《建筑地基基础设计规范》的要求进行控制。对于邻近的破旧建筑物，其允许变形值可根据危房鉴定标准确定。

(2) 支护结构变形控制标准

支护结构的变形控制值应根据周围环境保护要求和坑内永久性结构变形允许条件等因素进行确定。另外，变形控制标准还与地区性、基坑暴露时间等因素有关，不能盲目地搬用具体的标准，详细参考各地方的相关规范。

2) 变形控制设计的基本方法

传统的基坑支护结构通常采用强度和稳定性控制的设计方法，以保证支护结构的安全和稳定为控制目标。随着基坑深度的加大及环境条件的复杂化，对基坑支护结构设计的要求愈加严格，对支护结构的变形提出了更高的要求。当前，支护结构设计正从维护本工程自身安全稳定的单一目标，向按变形控制进行设计转变。

(1) 变形控制设计的概念

变形控制设计的主要内涵：

① 变形控制设计首先是对支护结构变形和地面沉降进行预测分析，即对支护结构在设计使用条件下的变形规律及趋势作出预测分析。

② 动态设计是变形控制设计的核心。所谓动态设计即将设计置于时间和空间的动态过程中，随施工过程中信息的采集与反馈，对原设计做必要的调整——跟踪设计。动态设计的实质是伴随信息的丰富和完备，不断地进行更高层次的方案优化。

③ 控制目标除支护系统自身外，还应包括开挖影响范围内的其他有关物体，如邻近的管线、建筑物等。

④ 变形控制设计是与支护结构服务有效期这一特定时域相关联的，即具有时效性。因此，基坑支护体系变形控制设计应为满足自身和环境安全与正常使用限定条件，与一定时域内变形控制目标相适应的支护体系设计，以及对变形实施控制的技术措施。

(2) 变形控制设计的基本内容

① 变形预测分析。变形预测分析是变形控制设计的基础，关键在于选择合理的计算方法和计算模型。另外，计算模型只是一种逼近实际的拟合，而且是主要方面和主要因素的拟合。因此，模型输出的只是一种趋势预测，其真实性和可靠性需通过动态设计予以验证、改善和提高，特别是从监测信息中获取更加准确的计算参数。

② 动态设计。动态设计是变形控制设计的核心，即将设计置于动态过程中，允许并提倡支护设计在施工、运营过程中进行补充和完善，尤其随监测信息的采集与反馈对原设计作出及时必要的修正，以实现对目标的有效控制。

③ 变形控制技术。变形控制必须通过具体的技术措施予以实现。

3) 支护结构的变形计算

影响基坑支护结构变形的因素很多，正确的设计应全面准确地考虑上述诸因素。目前基坑支护结构设计中应用较普遍的是等值梁法和竖向弹性地基梁法(又称弹性抗力法)。等值梁法基于极限平衡理论，假定支挡结构前后受极限状态的主、被动土压力作用，它不能分析支护结构的变形，因而也无法预先估计开挖对环境的影响。竖向弹性地基梁法变形计算是我国当前使用较多的方法。它依据桩与地基土共同作用的受力关系，建立微分方程求解。由于采用的地基弹性水平抗力系数计算方法不一样，常用的计算方法有张氏法、K法、c法和m法。其中张氏法主要适用于基岩和十分坚硬的黏土，很少在普通土中使用。基坑工程的实践和试验研究表明，m法较符合基坑工程实际。

20世纪60年代末引进了有限元数值分析技术。由于有限元法能够模拟土与结构的复杂力学行为，考虑土体与支护结构的相互作用，模拟基坑开挖的各种工况等，所以有限元法可以很好地预测土体和支护结构的变形、邻近建筑物的沉降及地下水的流动。目前，有限元法在支护结构分析中的应用主要有两类：用于求解弹性地基梁问题的弹性地基杆系有限元法(弹性支点法)和连续介质有限元法。后者目前还没有得到广泛应用。

在岩土工程领域内，位移反分析法已引起人们的广泛关注。它以工程现场的量测位移作为基础信息反求实际岩体(土)的力学参数、地层初始地应力以及支护结构的边界荷载等，为理论分析(特别是数值分析)在岩土工程中的成功应用提供了符合实际的基本参数。

7.6　基坑的稳定性分析

7.6.1　概述

基坑稳定验算是基坑围护设计的重要内容之一，其中包括边坡整体稳定、抗隆起稳定和各种情况的抗渗流稳定等。

7.6.2　基坑整体稳定性分析

基坑的整体稳定性验算按平面问题考虑，一般采用圆弧滑动面计算。对不同支护结构的基坑整体稳定性验算，其危险滑动面均应满足下述要求：

rR≤MR/MS

(7-54)

式中：rR——抗力分项系数，取1.3～2.0，软土地区取较大者；

MR、MS——作用于危险滑动面上的总抗滑力矩标准值(kN/m)和总滑动力矩设计值(kN/m)。

1) 放坡、水泥土墙、多层支点排桩、地下连续墙支护结构的整体稳定性验算

目前我国一些地区和行业规范都采用瑞典圆弧滑动面条分法来验算支护结构的整体稳定性，如图7-18所示。

图7-18　条分法示意图

图7-19　最危险滑动圆弧的确定

(1)最危险滑动圆弧圆心位置的确定

最危险滑动圆弧圆心位置的确定一般采用试算法，如图7-19所示。

① 内摩擦角φ=0的高塑性黏土。这种土的最危险滑动圆弧为坡脚圆。首先根据坡角α由表7-2查出坡底角β1和坡顶角β2，再在图7-19中的坡底和坡顶分别画出坡底角β1和坡顶角β2，两线的交点为O,即为最危险滑动圆弧圆心。

表7-2　坡角与坡底角和坡顶角的关系

② 内摩擦角φ>0的土

A.首先按上述步骤求出O点。

B.由A点垂直向下量取一高度与边坡的高度H相等，得到C点位置，由C点水平向右4.5H长量取D点，连接DO。

C.在DO的延长线上找若干点O1、O2、O3、…，作为滑动圆心，画出坡脚，计算边坡稳定性安全系数K，找出K值较小点Oi。

D.过Oi点画DO延长线的垂线，再在垂线上找若干点作为滑动圆心，试算K值，直至找到K值最小的点，此点即为最危险滑动圆弧圆心。

(2) 最危险滑动面条分法计算方法

按条分法计算时，先找出滑动圆心O，画出滑动圆弧，然后将滑动圆弧分成若干条，每条的宽度bi=(1/10～1/20)R，R为滑动圆弧半径。任一条的自重为W，其可分解为切向Ti和法向Ni。同时，在滑动圆弧面上还存在土的黏聚力c。则：

(7-55)

式中：ni——分条的数量；

ci——分条的黏聚力(kPa)；

li——分条的圆弧长度(m)；

φi——分条的内摩擦角(°)；

γi——分条的重度(kN/m3)；

bi——分条宽度(m)；

hi——分条高度(m)；

θi——分条的坡角(°)。

若有地下水则需考虑孔隙水压力μi的影响，则：

(7-56)

图7-20　深部破裂面破坏形式示意图

当支护结构底部存在软弱土层时，还需继续验算软弱下卧层的整体稳定性。

2) 拉锚支护结构深部破裂面稳定性验算

对于拉锚支护结构除需采用上述方法验算其整体稳定性外，还需验算锚杆(锚索)深部破裂面的稳定性，拉锚支护结构的锚杆(锚索)的深部破裂面破坏形式如图7-20所示。锚杆(锚索)的深部破裂面稳定性验算可利用E.Kranz的简化计算法进行，如图7-21所示。

图7-21　深部破裂面稳定性计算简图

通过锚固体的中点c与支护结构下端的假想支承点b连成一直线bc，假定bc线即为深部滑动线。再通过点c垂直向上作直线cd，cd为假想墙。这样，由假想墙、深部滑动线和支护结构包围的土体abcd上，除土体自重W之外，还作用有作用在假想墙上的主动土压力E1、作用于支护结构上的主动土压力的反作用力Ea和作用于bc面上的反力Q。当土体abcd处于平衡状态时，即可利用力多边形求得锚杆(锚索)所能承受的最大拉力A及其水平分力Ah。如果Ah与锚杆(锚索)设计的水平力之比大于或等于1.5，就认为不会出现上述的深部破裂面破坏。

图7-21(b)为单层锚杆(锚索)的力多边形，如果将各力化成其水平力，则从力多边形中可得出下述计算公式：

Ah=Eah-Ea+c

c+d=(W+Elhtanδ-Eahtanδ)tan(φ-θ)

d=Ahtanαtan(φ-θ)

则：

(7-57)

完全系数：

(7-58)

式中：W——假想墙与深部滑动线范围内的土体重量(kN)；

Elh、Eah、Ah——分别为E1、Ea、A的水平力(kN)；

——锚杆(锚索)设计的水平分力(kN)；

δ——支护结构与土之间的摩擦角(°)；

θ——深部滑动面与水平面间的夹角(°)；

α——锚杆(锚索)的倾角(°)。

拉锚支护结构设计是否要进行整体稳定性验算，取决于锚固段是否进入支挡结构底端岩土层，详见各地规范。

7.6.3　基坑底抗隆起稳定性分析

在软黏土地基中开挖基坑时，由于基坑内外地基土体的压力差，当这一差值超过基坑底面以下地基的承载力时，地基的平衡状态就破坏，从而发生支护结构背侧的土体塑性流动，产生坑顶下陷或坑底隆起。因此，为防止发生上述现象，需对基坑进行抗隆起稳定性验算。抗隆起稳定性验算有如下两种方法：

1) 临界滑动面稳定性验算

如图7-22所示，在基坑开挖面下假定一个圆弧滑动面。根据在滑动面上土的抗剪强度对滑动圆弧中心的力矩与支挡结构背侧开挖面以上土体重量(包括地面超载)对滑动圆弧中心的力矩平衡条件，计算基坑隆起的安全度。对于支撑(或拉锚)支护结构，滑动圆弧中心一般认为是最下一层支撑(或拉锚)与支挡结构的交点。

图7-22　临界滑动面稳定性验算

图7-23　太沙基派克法地基承载力验算

设滑动半径为x，则：

滑动力矩：

Md=(W+q)x2/2=(γH+q)x2/2

抗滑力矩：

则抗隆起稳定性安全系数：

(7-59)

式中：γ——支挡结构背侧土的平均重度(kN/m3)；

τ——滑动面处地基土的不排水抗剪强度(kPa)，在饱和黏性土中，τ=c(黏聚力)。

当K=1.2时，表示在开挖面下存在的滑动半径为x的临界滑动面，支挡结构的嵌入深度不应小于临界滑动面的深度。

2) 地基承载力验算

这里介绍一下太沙基派克法。如图7-23所示，当开挖面以下形成滑动面时，由于支挡结构背侧土体下沉，使支挡结构背侧土在垂直面上的抗剪强度得以发挥，减少了在开挖面标高上支挡结构背侧土的垂直压力。则基坑底面OB处的总压力为：

单位面积上的压力为：

一般认为饱和黏性土中，τ=c，地基极限承载力为R=5.7c，则抗隆起安全系数为：

(7-60)

7.6.4　基坑管涌稳定性分析

图7-24　管涌稳定性验算

如图7-24所示，当地下水的向上渗流力(动水压力)大于坑底土的有效浮重度时，土粒则处于浮动状态，从而在坑底产生管涌现象。要避免管涌发生，则：

γ′≥Kwj

式中：γ′——土浸在水中的有效浮重度(kN/m3)；

j——渗流力(动水压力)(kN/m3)；

Kw——抗管涌安全系数，1.5～2.0。

试验证明，管涌首先发生在离坑壁大约为支挡结构嵌入深度一半的范围内hd/2，简化计算，近似地按紧贴支挡结构的最短路线来计算最大渗流力：

(7-61)

式中：h′——地下水位至坑底的距离(m)；

i——水力梯度。

则不发生管涌的条件为:

即：

(7-62)

上式表明了要避免发生管涌的支护结构最小嵌入深度。

如果坑底以上土层为松散填土、多裂隙土层等透水性好的土层，则水头损失可以忽略不计，此时不发生管涌的条件为：

(7-63)

思考题与习题

1.常见的基坑支护形式有哪些？各自适用的条件有哪些？

2.基坑支护结构上土压力的计算模式有哪些？各自适用的条件有哪些？

3.顺作法和逆作法各自有什么特点？适用什么样的工程？

4.水泥土墙的设计内容和验算内容有哪些？其中抗倾覆稳定和抗滑稳定哪个更容易满足？

5.简述土钉墙的特点、原理及适用范围。

6.锚杆技术有哪些优缺点？锚杆的构造和类型有哪些？

7.土钉和锚杆的异同点有哪些？

8.如何控制基坑的变形？

9.桩墙式支护结构有哪些稳定性分析？

10.某挡土墙高6m，填土φ=34°，c=0，γ=19kN/m3，填土面水平，顶面均布荷载q=10kPa，试求主动土压力及作用位置。

11.已知某基坑开挖深度为6m，坑边作用有均匀荷载q=20kPa，从地面到基坑底大致可以分为两种土层，各土层厚度如图7-26所示。土层一：γ1=18kN/m3，φ1=20°，c1=12kPa；土层二：γsat=19.2kN/m3，φ2=26°，c2=6kPa。试求总侧压力。

图7-25　习题10图

图7-26　习题11 图

12.某基坑土层为软土，基坑开挖深度h=5m，支护结构入土深度t=5m，坑顶地面荷载q=20kPa，土重度γ=18kN/m3，c=10kPa，φ=0°，设Nc=5.14，Nq=1.0。试计算坑底上抗隆起稳定安全系数。

13.某路堤边坡，高10m，边坡坡率1∶1，填料γ=20kN/m3，c=10kPa，φ=25°，试求直线滑动面的倾角α=32°时，边坡稳定系数K。

14.某建筑基坑开挖深度为4.5m，安全等级为一级，现拟用悬臂式深层搅拌水泥桩作为支护结构，其平面形式为壁状。该工程地质条件见表7-3，设计时边坡上的活荷载为零，桩长为7.5m。试按《建筑基坑支护技术规程》(JDJ 120—99)规定的方法确定主动土压力合力和被动土压力合力及水泥土墙的最小厚度(水泥土墙的容重为18kN/m3)。

表7-3

15.已知某基坑的开挖深度为5m，坑边地面超载为q=10kPa，基坑处于密实的中粗砂地层中，其土层性质：γ=20kN/m3，φ=30°。现在采用悬臂式排桩支护，试确定桩的最小长度和最大弯矩。

图7-27　习题17图

16.某挡土墙高6m，用毛石和M5水泥砂浆砌筑，砌体重度γ=22kN/m3，抗压强度fy=160MPa，填土γ=19kN/m3，φ=40°，c=0，基底摩擦系数μ=0.5，地基承载力特征值fa=180kPa，试进行挡土墙抗倾覆、抗滑移稳定性、地基承载力和墙身强度验算。

17.某混凝土挡土墙墙高H=6m，α=80°，β=10°，墙背摩擦角α=15°，填土为中砂，φ=30°，γ=18.5kN/m3，地基承载力特征值fak=100kPa，试设计挡土墙。

18.已知某基坑工程的开挖深度h=8.0m，采用单支点桩锚支护结构，支点离地面距离h0=1m，支点水平间距为sh=2.0m。地基土层参数加权平均值为：c=0，φ=28°，γ=18.0kN/m3。地面超载q0=20kPa。试用等值梁法计算桩墙的有效嵌固深度t和最大弯矩Mmax。

19.某建筑物基坑，其安全等级为一级，开挖深度为8m，其场地内的地质土为粉质黏土，粉质黏土的物理指标为:c=15kPa,φ=18°,γ=18.6kN/m3。地下静止水位为1.6m，现拟用的工程支护方案为：①围护体系：采用φ800@1000mm，钢筋混凝土灌注桩挡土，桩长为14.5m，桩伸入冠梁0.3m(即下送2.0m)，用φ700深层水泥土墙为止水帷幕(只考虑止水作用)。②水平支撑体系：挡土桩桩顶设冠梁一道(截面为1200mm×600mm)，内撑为钢筋混凝土对撑和角撑，支撑轴线位于地面以下2.0m(冠梁中部轴线)。③边坡顶部考虑活荷载：q0=15kN/m2。试按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—99)规定的方法计算主动土压力合力、被动土压力合力、支撑点反力、支护桩的嵌固深度及桩身最大弯矩。

图7-28　习题21图

20.已知某个基坑开挖深度h=5.0m，采用水泥土搅拌桩墙进行支护，墙体宽度b=4.5m，墙体入土深度(基坑开挖面以下)hd=6.5m，墙体重度γ0=20kN/m3，墙体与土体摩擦系数μ=0.3。基坑土层重度γ=19.5kN/m3，内摩擦角φ=24°，黏聚力c=0，地面超载为q0=20kPa。试验算支护墙的抗倾覆和抗滑移稳定性。

21.基坑坑底下有承压含水层如图7-28所示，已知不透水层土的天然重度γ=20kN/m3，水的重度γw=10kN/m3，如要求基坑底抗管涌稳定系数K不小于1.1，试求基坑开挖深度h。

22.采用土钉加固一破碎岩质边坡，其中某根土钉有效锚固长度L=4.0m，该土钉计算承受拉力E=188kN，锚孔直径d=108mm，锚孔壁对砂浆的极限剪应力τ=0.25MPa，钉材与砂浆间粘结力τg=2.0MPa，钉材直径db=32mm(材质为HRB 335)，试求该土钉抗拔安全系数。

图7-29　习题23图

23.某坑剖面如图7-29所示，板桩两侧均为砂土，γ=19kN/m3，φ=30°，c=0，基坑开挖深度为1.8m，如果抗倾覆稳定安全系数K=1.3，试按抗倾覆计算悬臂式板桩的最小入土深度。

24.某二级基坑深7.5m，采用土钉墙支护，土钉墙坡角85°，土钉与水平面夹角15°，土钉竖向和水平面间距均为1.49m，其直径d=0.1m，L=9.0m，地面超载q=10kPa。土：γ=19kN/m3，φk=22°，c=10kPa，qsik=40kPa。计算各道土钉的轴向拉力和抗拔力。