浅析深基坑施工技术

蒲德林

【摘要】结合近年来一些深基坑支护设计与施工，概述了较成熟的深基坑支护类型及适应范围，简述了深基坑设计理论及其存在的一些问题，对深基坑支护工程今后的技术应用进行了探讨，以期进一步完善深基坑支护技术。
关键词：深基坑　支护类型　土压力　支护结构　地下水　动态设计　施工
引言
基坑支护是一种特殊的结构方式,一般由上到下进行施工设计。一般由对相邻建筑物有利的省材结构以及结构在地面处的极限位移确定。支护具有很多功能,能应用于所有主要建筑物的附属结构之中。尽管支护结构很重要,但在项目规划中其设计和建造却经常被忽视,从而导致工程不得不承受延期以及设计变更带来的巨额开销。考虑周全的规划,安全的设计方案以及施工方法多样且具有创新的工程结构都能够改善建筑物的安全性,同时还能节省施工时间和工程费用。
一、深基坑工程的技术要求：
1、深基坑工程的功能要求
    （1）挡土功能
    （2）止水功能
    （3）作为地下结构外墙的使用功能
2、环境保护与处理相邻关系的要求
    （1）控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响
    （2）控制降低地下水位对环境的影响
    （3）控制土锚对相邻场地的影响
二、基坑工程的特点
基坑工程不仅需要岩土工程的知识,也需要结构工程的知识,是一项综合性很强的系统工程,它需要岩土工程与结构工程技术人员密切配合。基坑工程涉及土力学中稳定、变形及渗流3个基本课题,三者熔融在一起,需要综合处理;同时,基坑开挖势必引起周围地基中地下水位的变化和应力场的变化,导致周围地基土体的变形,对相邻建筑物、构筑物地下管线产生影响。该设计主要研究深基坑工程的支护结构,故主要列出了深基坑工程的主要特点：
(1)建筑倾向高层化,基坑向大深度方向发展。
(2)基坑开挖面积大,长度与宽度有的达数百米,给支撑体系带来了较大的难度。
(3)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。
(4)深基坑施工工期长,场地狭窄,降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利。
(5)在相邻场地的施工中,打桩、降水、挖土及基础浇注混凝土等工序会相互制约与影响,增加协调工作的难度。
三、深基坑支护的土压力
土强度指标的选择土的抗剪强度指标C，与土的固结度有密切的关系，土的固结过程就是土中孔隙水压力的消散过程，对于同一种土，在不同排水条件下进行试验，可以得出不同的抗剪指标C和，故试验条件的选取应尽可能反映地基土的实际工作状态。在基坑支护设计中应采用三轴试验的指标，才能保证选取参数值的客观性和准确性。对于黏性土，计算围护结构背后由自重应力而产生的主动土压力采用三轴试验的固结不排水剪的指标与实际工作状态较致，但由地面临时荷载而产生的土压力，通常采用三轴不排水剪指标较合理。特别对于软黏性土，最好采用现场十字板的原位测试方法确定c和妒，因为室内试验的扰动影响太明显，强度指标偏低，使设计过于保守。计算基坑内被动土压力时，一般宜采用三轴固结不排水剪。对于砂土，由于排水固结迅速，对于任何情况，均可采用排水剪指标，或采用固结不排水剪经孔隙水压力修正后的c，值来计算土压力。
四、土压力计算理论及方法
1．试验结果证实了太沙基理论的定性结论，土压力大小取决于位移的大小和位移方向。
2．实测结果表明，当变形小于5％H(H为开挖深度)时，被动土压力仍然能得到充分发挥，所以说，对于深基坑工程的实际变形情况而言，套用一些经验的位移指标来判断墙前土体是否达到被动极限状态，是有局限性的。
3．在黏性土上的许多基坑支护工程，护坡桩钢筋强度未完全发挥，实际钢筋应力还低于钢筋的设计强度，造成很大浪费，而造成钢筋应力低的原因主要是计算土压力大于实际土压力。实验还表明，把基坑支护结构视为平面不合理，因为基坑工程的“角效应”即土压力的空间效应，对墙体位移有明显的抑制作用。利用这种空间效应可以在两边折减桩数或减少配筋量。
五、常用支护类型及支护结构
1.支护类型
（1）土钉墙支护。（2）搅拌桩支护。（3）柱列式灌注桩、排桩支护。（4）内支撑和锚杆支护。（5）钢板桩支护。（6）地下连续墙。
2.支护结构
（1）围护结构的受力性能与材料密切有关。
（2）用水泥搅拌桩做成的坝体是刚性自立式的。
（3）用钢材或钢筋混凝土制成的围护结构是柔性的，一般需要采用支锚体系来维持其稳定。
（4）但钢筋混凝土地下连续墙也可以做成重力式围护结构。
（5）水泥搅拌桩可以加劲性的型钢成为柔性的围护结构（SMW工法），也可以用作柔性的排桩式围护结构的止水帷幕。
1、放坡
       （1）特点：
             1）施工简单易行。
               2）深度宜在5m以内。
               3）占地面积大。
               4）造价低廉。
       （2）构造：
              1）根据土层选择稳定坡度。
               2）坡顶、坡脚设置排水沟。
               3）必要时采用喷射混凝土护面并埋设排水管。
               4）基坑底部设置集水坑抽水。
2、排桩：
    （1）特点：
              1）适用面广，1～3级基坑均可使用。
              2）配合锚杆使用，深度几乎不受限制。
              3）截水性能好。
              4）悬臂长度不宜大于5m（软土）。
              5）可用人工挖孔或机械钻孔。
              6）造价稍高。
（2）构造：
            1）桩体：直径不小于600mm（人工挖孔不小于800mm）。
              2）冠梁：高度不小于400mm。
              3）混凝土等级C20以上。
              4）腰梁：可设多道。
              5）桩间采用C20以上混凝土填充，或挂网喷射混凝土，并埋设排水管。
              6）锚杆。
锚杆：
A、垂直距离不小于2m，水平距离不小于1.5m。
B、锚杆锚固体上覆土厚度不宜小于4m。
C、锚杆倾角宜15˚~25˚，不得大于45˚。
D、锚杆锚固体宜采用水泥浆或水泥砂浆，强度不宜低于M10。
E、锚杆自由段长度不宜小于5m，并应超过潜在滑裂面1.5m。
F、锚杆锚固体长度不宜小于4m。
G、一级和缺乏经验的二级基坑侧壁必须按规定作锚杆试验。
六、支护结构计算方法
支护结构的计算方法很多，有：静力平衡法，等值梁法，弹性地基梁的m法，弹塑有限元法等等。在此介绍常用的一种情况下的算法，弹性地基梁的m法：
基坑工程弹性地基梁法取单位宽度的挡墙作为竖直放置的弹性地基梁，支撑简化为与截面面积、弹性模量和计算长度等有关的二力杆弹簧。弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力(地基反力)用土弹簧模拟，地基反力的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的乘积确定。即f=mzy，其中，．f为土对支挡结构的水平地基反力，kN／m2；为比例系数，kN／m4；为计算深度，m；为计算点处挡墙的水平位移m。弹性地基梁的m法优点是考虑了支护结构与土体的变形协调。工程实践表明，在软土中的悬臂桩支护计算采用m法，计算位移与实测位移有很大差异，实测位移是计算值的好几倍。这说明桩后土体变形已不再属于弹性范围。另外，m法无法直接确定支护结构的插入深度，通常假定试算有很大的随意性，有时桩底落在软弱土层中，还需经验来修正。
七、建筑基坑支护技术规程（JGJ129-99）、适用条件以及安全规范
技术规范
结构形式 适用条件
排桩或地下连续墙 1）适用于1、2、3级基坑；2）悬臂式结构在软土中不宜大于5m；3级基坑为主；3）地下水位高于坑底时，应采用降水、截水、或地下连续墙；
水泥土墙 1）基坑等级为2、3级；2）水泥土桩施工范围内软土地基承载力不宜大于150kPa；3）基坑深度不宜大于6m。
土钉墙 1）基坑等级为2、3级的非软土场地（否则用复合土钉支护）； 2）基坑深度不宜大于12m（实践中已突破此范围），否则应采用复合土钉支护（结合放坡、微型桩、搅拌桩、预应力锚杆等）。 3）地下水位高于坑底时，应采用降水、截水措施。
逆作拱墙 1）基坑等级为2、3级； 2）淤泥和淤泥质土场地不宜；3）拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8；4）基坑深度不宜大于12m；（实践中已突破此范围）
5）地下水位高于坑底时，应采用降水、截水措施。
放坡 1）基坑等级为宜为3级； 2）施工场地应满足放坡条件；3）可独立或与其他支护方法联合使用；4）地下水位高于坑底时，应采用降水措施。
  可组合使用。

基坑安全等级
                                                         基坑等级
工程复杂等级                                   破坏后果 一级 二级 三级
很严重 严重 严重
基坑深度h/m ＞14 9~14 ＜9
地下水埋深/m ＜2 2~5 ＞5
软土厚度/m ＞5 2~5 ＜2
邻近浅基础或重要管线距离边壁的距离/m ＜0.5h 0.5h~1h ＞1h

注：1）工程复杂程度等级因素从一级开始，4个指标有两个或两个以上，即最
       先符合；
    2）破坏后果与工程复杂程度等级判定有矛盾时，按照高的级别考虑；
    3）重要管线指破坏后果严重或很严重的管线，如：煤气管道、压力水管道、
       影响面积大的通讯电缆等。
结束语
深基坑工程是土体与围护结构体系相互作用的一个动态变化的复杂系统，仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂等条件下基坑支护结构和土体的变形破坏，也难以完成可靠而经济的基坑设计。通过施工时对整个基坑工程系统的监测，可以了解其变化的态势，利用监测信息的反馈分析，就能较好地预测系统的变化趋势。当出现险情预兆时，可做出预警，及时采取措施，保证施工和环境的安全；当安全储备过大时，可及时修改设计，削减围护措施，通过分析，可修改设计模型，调整计算参数，总结经验，提高设计与施工水平。

参考文献：
[1]徐至军、赵锡红 编 深基坑支护设计理论与技术新进展.机械工业出版社2002年4月第一版
[2]李韦洪 编 深基坑支护设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社 2000年7月
[3]李继业 编 试述建筑基坑支护工程安全性影响因素[J].中国西部科技 2007年8月