基坑工程

第6章 基坑工程

§6-1 概 述

6-1-1 基坑工程的概念及特点

建筑基坑是指为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。为保证基坑施工，主体地下结构的安全和周围环境不受损害，需对基坑进行包括土体、降水和开挖在内的一系列勘察、设计、施工和检测等工作。这项综合性的工程就称为基坑工程。

基坑工程是一个综合性的岩土工程问题，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及土与支护结构共同作用以及工程、水文地质等问题，同时还与计算技术、测试技术、施工设备和技术等密切相关。因此，基坑工程具有以下特点：

(1) 一般情况下都是临时结构，安全储备相对较小，风险性较大；

(2) 具有很强的区域性和个案性，其由场地的工程水文地质条件和岩土的工程性质以及周边环境条件的差异性所决定，因此，基坑工程的设计和施工，必须因地制宜，切忌生搬硬套;

(3) 是一项综合性很强的系统工程，它不仅涉及结构、岩土、工程地质及环境等多门学科，而且勘察、设计、施工、检测等工作环环相扣，紧密相连； (4) 具有较强的时空效应，支护结构所受荷载（如土压力）及其产生的应力和变形在时间上和空间上具有较强的变异性，在软粘土和复杂体型基坑工程中尤为突出。

(5) 对周边环境会产生较大影响。基坑开挖、降水势必引起周边场地土的应力和地下水位发生改变，使土体产生变形，对相邻建（构）筑物和地下管线等产生影响，严重者将危及到它们的安全和正常使用。大量土方运输也将对交通和环境卫生产生影响。

基坑工程的目的是构建安全可靠的支护体系。对支护体系的要求体现在如下三个方面：

(1) 保证基坑四周边坡土体的稳定性，同时满足地下室施工有足够空间的要求，这是土方开挖和地下室施工的必要条件；

(2) 保证基坑四周相邻建（构）筑物和地下管线等设施在基坑支护和地下室施工期间不受损害。即坑壁土体的变形，包括地面和地下土体的垂直和水平位移要控制在允许范围内；

(3) 通过截水、降水、排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。 6-1-2基坑支护结构的类型及适用条件

基坑支护结构的基本类型及

（a） （b） 其适用条件

如下： 图6-1基坑简易支护

（a）土袋或块石堆砌支护；（b）短桩支护。 1.放坡开

挖及简易支护

放坡开挖是指选择合理的坡比

进行开挖。适用于地基土质较好，开挖深度不大以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖施工简便、费用低，但挖土及回填土方量大。有时为了增加边坡稳定性和减少土方量，常采用简易支护（图6-1）。 2.悬臂式支护结构

广义上讲，一切设有支撑和锚杆的支护结构均可归属悬臂式支护结构，但这里仅指没有内撑和锚拉的板桩墙、排桩墙和地下连续墙支护结构（图6-2）。悬臂式支护结构依靠其入土深度和抗弯能力来维持坑壁稳定和结构的安全。由于悬臂式支护结构的水平位移是深度的五次方，所以它对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，只适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。 3.水泥土桩墙支护结构

利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械在地基深部将水泥和土体强制拌和，便可形成具有一定强度和遇水稳定的水泥土桩。水泥土桩与桩或排与排之间可相互咬合紧密排列，也可按网格式排列（图6-3）。水泥土桩墙适合软土地区的基坑支护。

（a） （b） 图6-3隔栅式水泥土桩墙

（a）水泥土桩墙剖面；（b）水泥土桩墙平面

布置。

4.内撑式支护结构 内撑式支护结构由支护桩

（a） （b）

图6-5拉锚式支护结构示意图

（a）地面拉锚式；（b）土层拉锚式。 的内支撑会占用一定的施工空间。 5.拉锚式支护结构

拉锚式支护结构由支护桩或墙和锚杆组成。支护桩和墙同样采用钢筋混凝土桩和地下连续墙。锚杆通常有地面拉锚（图6-5a）和土层锚杆（图6-5b）两种。地面拉锚需要有足够的场地设置锚桩或其它锚固装置。土层锚杆因需要土层提供较大的锚固力，不宜用于软粘土地层中。 6.土钉墙支护结构

土钉墙支护结构是由被加固的原位土体、布置较密的土钉和喷射于坡面上的混凝土面板组成（图6-6）。土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，但也可通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成。土钉墙支护结构适合地下水位以上的粘性土、砂土和碎石土等地层，不适合于淤泥或淤泥质土层，支护深度不超过18m。

7、其他支护结构

其他支护结构形式有双排桩支护结构（图6-7）、连拱式支护结构（图6-8）、逆作拱墙（图6-9）、加筋水泥土拱墙支护结构以及各种组合支护结构。双排桩支护结构通常由钢筋混凝土前排桩和后排桩以及盖系梁或板组成（图6-7）。其支护深度比单排悬臂式结构要大，且变形相对较小。

连拱式支护结构通常采用钢筋混凝土桩与深层搅拌水泥土拱以及支锚结构组合而成（图6-8）。水泥土抗拉强度很小，抗压强度较大，形成水泥土拱可有效利用材料强度。拱脚采用钢筋混凝土桩，承受由水泥土拱传递来的土

压力，如果采用支锚结构承担一定的荷载，则可取得更好的效果。

逆作拱支护结构采用逆作法建造而成。拱墙截面常采

用Z字型（图6-9a），当基坑较深且一道Z字型拱墙的支护强度不够时，可由数道拱墙叠合组成（如图6-9b、c），但沿拱墙高度应设置数道肋梁，其竖向间距不宜大于2.5m。当基坑边坡场地较窄时，可不加肋梁但应加厚拱壁（图6-9d）。拱墙平面形状常采用圆形或椭圆形封闭拱圈，但也有采用局部曲线形拱墙的，为保证拱墙在平面上主要承受压力的条件，逆作拱墙轴线的长跨比不宜小于1/8。

或墙和内支撑组成。支护桩常采用钢筋混凝土桩或钢板桩，支护墙通常采用地下连续墙。内支撑常采用木方、

钢筋混凝土或钢管（或型钢）做成。内支撑支护结构适合各种地基土层，但设置

图6-7双排桩支

护结构

6-1-3 基坑支护工程设计原则和设计内容 基坑支护工程设计的基本原则是：

(1) 在满足支护结构本身强度、稳定性和变形要求的同时，确保周围环境的安全；

(2) 在保证安全可靠的前提下，设计方案应具有较好的技术经济和环境效应； (3) 为基坑支护工程施工和基础施工提供最大限度的施工方便，并保证施工安全。

基坑工程从规划、设计到施工检测全过程应包含如下内容：

(1) 基坑内建筑场地勘察和基坑周边环境勘察：基坑内建筑场地勘察可利用构（建）筑物设计提供的勘察报告，必要时进行少量补勘。基坑周边环境勘察须查明：①基坑周边地面建（构）筑物的结构类型、层数、基础类型、埋深、基础荷载大小及上部结构现状；②基坑周边地下建（构）筑物及各种管线等设施的分布和状况；③场地周围和邻近地区地表及地下水分布情况及对基坑开挖的影响程度。

(2) 支护体系方案技术经济比较和选型：基坑支护工程应根据工程和环境条件提出几种可行的支护方案，通过比较，选出技术经济指标最佳的方案。 (3) 支护结构的强度、稳定和变形以及基坑内外土体的稳定性验算：基坑支护结构均应进行极限承载力状态的计算，计算内容包括支护结构和构件的受压、受弯、受剪承载力计算和土体稳定性计算。对于重要基坑工程尚应验算支护结构和周围土体的变形。

(4) 基坑降水和止水帷幕设计以及支护墙的抗渗设计：包括基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形验算（如抗渗稳定性验算，坑底突涌稳定性验算等）及其对基础桩邻近建筑物和周边环境的影响评价。 (5) 基坑开挖施工方案和施工检测设计。 6-1-4 作用于支护结构上的荷载及土压力计算

作用于支护结构上的荷载通常有：土压力、水压力、影响区范围内建（构）筑物荷载、施工荷载、地震荷载以及其它附加荷载。其中最重要的荷载是土压力和水压力。其计算方法有“水土分算”法和“水土合算”法两种。对于砂性土和粉土，可按水土分算法，即分别计算土、水压力，然后叠加；对粘性土可根据现场情况和工程经验，按水土分算或水土合算法进行，水土合算法则是采用土的饱和重度计算总的水土压力。

作用于支护结构的土压力，工程中通常按朗金土压力理论计算，然而，在基坑开挖过程中，作用在支挡结构上的土压力、水压力等是随着开挖的进程逐步形成的，其分布形式除与土性和地下水等因素有关外，更重要的还与墙体的位移量及位移形式有关。而位移性状随着支撑和锚杆的设置及每步开挖施工方式的不同而不同，因此，土压力并不完全处于静止和主动状态。有关实测资料证明：当支

护墙上有支锚时，土压力分布一般呈上下小、中间大的抛物线形状或更复杂的形状；只有当支护墙无支锚时，墙体上端绕下端外倾，才会产生一般呈直线分布的主动土压力。太沙基（Terzaghi）和佩克（Peck）根据实测和模型试验结果，提出了作用于板桩墙上的土压力分布经验图。

我国工程界常采用三角形分布土压力模式和经验的矩形土压力模式。当墙体位移比较大时，一般采用三角形土压力模式；否则采用矩形土压力模式。在用“m”法进行设计计算时，一般应采用矩形土压力模式。

§6-2 排桩、地下连续墙支护结构

若施工场地狭窄、地质条件较差、基坑较深、或对开挖引起的变形控制较严，则可采用排桩或地下连续墙支护结构。

排桩可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩和钢板桩等。桩的排列方式通常有柱列式（图6-11a）、连续式（图6-11b～d）和组合式（图6-11e～f）。排桩支护结构除受力桩外，有时还包括冠梁、腰梁和桩间护壁构造等构件，必要时还可设置一道或多道支撑或锚杆。排桩支护结构适合于开挖深度在6～10m的基坑。

地下连续墙是采用特制的成槽机械在泥浆护壁下，逐段开挖出沟槽并浇注钢筋混凝土板而形成（详见5.5节）。地下连续墙能挡土、止水，可作地下结构外墙，具有刚度大、整体性好、振动噪音小、可逆作法施工以及适用各种地质条件等优点，但废泥浆处理不好会影响城市环境，而且造价也较高，因此，适合于开挖深度大于10m、对变形控制要求较高的重要工程。

6-2-1 悬臂式桩墙计算

悬臂式桩、墙的设计计算常采用极限平衡法和布鲁姆（H.Blum）简化计算法。 1.极限平衡法

对于悬臂式支护结构，可采用三角形分布土压力模式，计算简图如图6-12所示。当单位宽度桩墙两侧所受的净土压力相平衡时，桩墙则处于稳定状态，相应的桩墙入土深度即为其保证稳定所需的最小入土深度，可根据静力平衡条件求出。具体计算步骤如下：

图6-12 悬臂式桩墙计算静

力平衡法

① 计算桩墙底端后侧主动土压力ea3及前侧被动土压力ep3，然后迭加求出第一个土压力为零的点O距基坑底面的距离u；

② 计算O点以上土压力合力∑E，求出∑E作用点至O点的距离y； ③ 计算桩、墙底端前侧主动土压力ea2和后侧被动土压力ep2； ④ 计算O点处桩墙前侧主动土压力ea1及后侧被动土压力ep1；

⑤

根据作用在支护结构上的全部水平作用力平衡条件（∑X＝0）和绕墙底

端力矩平衡条件（∑M＝0）可得：

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