基坑支护结构设计探讨

摘要：基坑工程是一个古老而具有时代特点的建筑岩土工程课题。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。事实上人类土木工程的频繁活动促进了基坑工程的发展，特别是在21世纪随着大量高层、超高层建筑，以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人员须从新的角度去审视基坑工程这一古老的课题，导致许多新的理论、新的经验或研究方法得以出现与成熟。

关键词：基坑支护；排桩；建筑结构

中图分类号：TU3文献标识码： A

一、基坑支护结构工程技术的特点概括

（1）基坑工程是与众多因素相关的综合技术，如场地勘察，基坑设计、施工、监测，现场管理，相邻场地施工的相互影响等。

（2）建筑趋向高层化，基坑工程正向大深度、大面积方向发展，有的长度和宽度多达百余米，给支撑系统带来较大的难度。

（3）基坑工程经常在已建或在建的、密集的或紧靠重要市政设施的建筑群中施工，场地狭窄，邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，不能放坡开挖，对基坑稳定和位移控制的要求很严。

（4）在软弱的土层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政建设和地下管线造成影响。

（5）基坑工程周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需经历多次降雨、周边堆载、振动等，对基坑稳定性不利。

二、基坑支护结构技术设计分析

（一）支护结构分类

上图为基坑支护结构分类

（二）基坑支护设计技术参数分析

1. 荷载与组合。结构自重：钢筋混凝土自重按25kN/m3计。水土侧压力：砂、卵石层水土分算，粘性土层水土合算，施工期间按朗肯公式计算其主动土压力。施工荷载：按计。

2.水平荷载标准值。

（1）砂土的水平荷载标准值对砂土计算点位于地下水位以上时按式下式计算：

(2-1)

(2-2)

式中－第i层的主动土压力系数；

－作用于深度处的竖向应力标准值(kPa)；

－计算点深度(m)；

－第i层土的内摩擦角（0）。

（2）粉土水平荷载标准值

对于粉土及粘性土 ，水平荷载标准值按下式计算：

(2-3)

－第i层的主动土压力系数；

－计算点深度(m)；

－三轴试验当有可靠经验时可采用直接剪切试验确定的第层土固结不排水不（快）剪粘聚力标准值(kPa)；

式中按式(2-2)计算。

（3）工程中土层水平荷载标准值

求土层加权的值按下式计算：

由式2-2计算得主动土压力系数得：

。三轴试验聚力标准值如下表

Cik三轴试验聚力标准值

土层 ①

素填土 ③2

粉土 ④2

粉土 ④

粉质粘土 ⑤2

粉土 ⑤4

细砂 ⑦

粉质粘土 ⑨⑩

粉质粘土

8 8 10 17 6 0 21 21

加权c

3. 水平抗力标准值。

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99），基坑内侧水平抗力标准值按下列方法计算。

粉土及粘性土基坑内侧水平抗力标准值宜按下式计算：

(2-4)

式中－作用于基坑底面以下深度处的竖向应力标准值(kPa)；

－第i层土的被动土压力系数。

第i层土的被动土压力系数应按下式计算

(2-5)

式中－为第i层土的内摩擦角（0）。

由于降水效果良好，地下水位位于支护结构以下，基本为无水施工，对于砂土、碎石及粉土、粘性土基坑内侧抗力标准值可统一按下式计算： (2-6)

（三）护坡桩设计

1.嵌固深度计算

多层锚杆整体等值梁的计算方法是，把基坑下桩的弯矩零点与桩顶之间的桩当作多跨连续梁，锚杆位置当作连续梁的支点，采用力矩分配法计算支点反力。用整体等值梁法计算嵌固深度，计算过程如下。

（1）主动土压力系数：

。

（2）被动土压力系数：

被动土压力系数按下式计算：

(2-7)

基坑下土的内磨擦角的加权平均值。

桩土间的摩擦角之间，由于是砂土为主，所以取。

所以：。

（3）土压力为零（近似零弯点）距坑底的距离土压力为零（近似零弯点）距坑底的距离按下式计算：

(2-8)

式中－均布附加荷载为产生的水平荷载，均布附加荷载为30kPa。土的天然重度的加权平均值：

将参数代入式（3-19）得出土压力零点，如下：

。

（4）用弯矩分配法计算支点反力

现将基坑支护图画作一连续梁，其荷载为土压力及地面荷载，土压力为零点经计算离坑底为2.3m，近似看作为弯距为零处，F点看作为一地下支点无弯距，如下图所示：

上图为基坑支护简图

将基坑支护图画成为一连续梁，契合在为土压力及地面荷载，如下图：

上图整体等值梁计算简图

A点超荷压力为。由得，

由上得B、C、D、E、F土压力为；

。

（四）钻孔灌注桩施工

钻孔灌注桩的施工，因其所选护壁形成的不同，其中最主要的方法为泥浆护壁施工法。该施工法的过程是：平整场地泥浆制备埋设护筒铺设工作平台安装钻机并定位钻进成孔清孔并检查成孔质量下放钢筋笼灌注水下混凝土拔出护筒检查质量。施工顺序：

(1)施工准备

施工准备包括：选择钻机、钻具、场地布置等。钻机是钻孔灌注桩施工的主要设备，可根据地质情况和各种钻孔机的应用条件来选择。

(2)钻孔机的安装与定位

安装钻孔机的基础如果不稳定，施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良影响，因此要求安装地基稳固。对地层较软和有坡度的地基，可用推土机推平，在垫上钢板或枕木加固。

(3)埋设护筒

钻孔成败的关键是防止孔壁坍塌。当钻孔较深时，在地下水位以下的孔壁土在静水压力下会向孔内坍塌、甚至发生流砂现象。钻孔内若能保持壁地下水位高的水头，增加孔内静水压力，能为孔壁、防止坍孔。护筒除起到这个作用外，同时好有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和钻头导向作用等。

(4)泥浆制备

钻孔泥浆由水、粘土(膨润土)和添加剂组成。具有浮悬钻渣、冷却钻头、钻具，增大静水压力，并在孔壁形成泥皮，隔断孔内外渗流，防止坍孔的作用。调制的钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆，应根据钻孔方法和地层情况来确定泥浆稠度，泥浆稠度应视地层变化或操作要求机动掌握，泥浆太稀，排渣能力小、护壁效果差；泥浆太稠会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。

(5)钻孔

钻孔是一道关键工序，在施工中必须严格按照操作要求进行，才能保证成孔质量，首先要注意开孔质量，为此必须对好中线及垂直度，并压好护筒。在施工中要注意不断添加泥浆和抽渣(冲击式用)，还要随时检查成孔是否有偏斜现象。采用冲击式或冲抓式钻机施工时，附近土层因受到震动而影响邻孔的稳固。

(6)清孔

钻孔的深度、直径、位置和孔形直接关系到成装置量与桩身曲直。为此，除了钻孔过程中密切观测监督外，在钻孔达到设计要求深度后，应对孔深、孔位、孔形、孔径等进行检查。在终孔检查完全符合设计要求时，应立即进行孔底清理，避免隔时过长以致泥浆沉淀，引起钻孔坍塌。对于摩擦桩当孔壁容易坍塌时，要求在灌注水下混凝土前沉渣厚度不大于30cm；当孔壁不易坍塌时，不大于20cm。对于柱桩，要求在射水或射风前，沉渣厚度不大于5cm。

(7)灌注水下混凝土

清完孔之后，就可将预制的钢筋笼垂直吊放到孔内，定位后要加以固定，然后用导管灌注混凝土，灌注时混凝土不要中断，否则易出现断桩现象。

三、总结

基坑工程是一项风险性工程，是一门综合性很强的技术领域，它涉及工程地质、土力学、结构力学、基础工程、结构工程、施工技术、土与结构的共同作用以及环境岩土工程等多门学科，是理论上尚待进一步发展的具有综合性和交叉性的技术学科。本文通过一般理论入手通过理论联系实际的研究方法对基坑支护结构设计进行探讨，以期为相关实践做出有利的指导。

参考文献

[1] 孙广忠.地下建筑结构设计[J].岩石力学与工程学报, 2012(10).

[2] 陈肇元.土钉支护在基坑工程中的应用[J]. 工业建筑,2013(11).