探讨深基坑支护设计及应用

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　　【摘要】本文作者结合工程实例，针对深基坑支护的类型，特点及其结构设计和主要计算方法进行了详细的阐述。以供参考。
　　【关键词】深基坑，支护，应用
　　中图分类号：TV551文献标识码： A
　　前言
　　随着我国经济建设的飞速发展和人们生活水平不断的提高，多层建筑及高层建筑等工程施工，都会面临深基坑工程。本文作者结合实例介绍了深基坑支护的类型，特点及其结构设计进行了分析探讨。
　　一、成都地区砂卵石深基坑常用支护方式分析
　　成都市位于岷江冲积扇的东部边缘，自北西向南东微倾斜。地貌类型属侵蚀―堆积地貌，分东部台地和西部平原。根据成都地区的岩土工程勘察及开挖实践证明，成都地区的地层可概括为二元结构，即土层和卵石层。土层一般由填土、粉土、粉质粘土、砂土及砂卵石土组成，卵石层根据其密实程度可分为松散、稍密、中密和密实四个亚层。但当开挖至一定深度后，在卵石层下还伏一套河湖相碎屑岩沉积，棕红色、紫红色泥岩及泥质粉砂岩。成都地区的二元结构地层，其填土、粉土、粉质粘土一般都有内聚力和内摩擦角，对砂土和卵石土则一般只有内摩擦角而无内聚力。故这种特殊的二元结构在破坏模式上也有所差异。
　　成都地区的基坑开挖表明，卵石土的孔隙全被砂粒充填，卵石呈交错排列骨架作用明显卵石间大部分为点面接触，而且越来越多的变形特征研究成果表明，卵石土在比例极限以后的变形乃至极限荷载下的剪切破坏已经不仅仅是沿着骨架颗粒之间的弱面产生。随着应力应变直线变形规律的结束，颗粒之间的挤密作用和大颗粒的弹性变形已经完成。当外力不断增加，颗粒间由于应力状态的变化而产生一部分相对位移，外力继续增大时，颗粒间的摩阻力随之增大，而继续增大的压力主要集中在骨架颗粒上。当骨架颗粒强度不能满足荷载的作用时就形成卵石的压碎和破坏，土层出现塑性变形进而导致整体破坏，这说明卵石土的破坏并不仅仅集中在颗粒之间的弱面上。
　　成都地区的砂卵石深基坑其地层一般为上部少量填土、中部主要是第四系全新统冲洪积粉土、粘性土和砂土，下部为级配及密实程度不一的卵石土，当基坑达到一定深度后在卵石土下伏白垩系灌口组砂、泥岩。对成都砂卵石深基坑的研究除《成都地铁天府广场基坑施工力学分析》、《成都市群光大陆广场大厦深基坑研究》实例外，还调查研究了砂卵石层基坑的其他一些实例。根据这些实例总结出成都地区砂卵石基坑常用的支护方式。其支护方式主要为桩支护、桩锚支护、锚拉支护、喷锚支护(也可称土钉墙支护)等，而桩的形式又可采用预制桩、预应力管桩、人工挖孔桩、冲孔灌注桩、钢桩等。
　　常用几种支护方式如下：
　　1、打入式桩体支护
　　打入式桩主要为预制桩、预应力管桩或工字钢，桩顶设置连系梁形成一个整体。预制桩一般采用300×300mm或400×400mm的方桩，预应力管桩一般采用300～500mm的桩径，工字钢一般采用36#。成桩是采用打桩机打入至设计深度，其特点是成桩速度较快，不需要降水。而这类桩都属于挤土或部分挤土桩，在沉桩过程中会产生挤土效应使桩周土体压缩。随着基坑的逐步开挖，开挖侧土体应力得到释放，从而引起基坑变形和桩体内力增大，对工程质量和环境有一定影响。同时这类桩的穿透能力有限，当要穿透一定厚度的中密或密实卵石层时就会有很大的难度，而且施工时噪音大，振动大，对临近建筑物及市政设施有影响。该支护体系一般用于基坑深度较浅(5～7m)，无需穿越2m以上的中密或密实卵石层，地势较为开阔的基坑。
　　2 、悬臂桩支护
　　成都地区砂卵石基坑悬臂桩支护主要采用人工挖孔桩或机械冲孔灌注桩，为了加强桩的整体性，该支护方案一般都在桩顶设置一道混凝土连系梁。这两种桩型是成都地区20世纪90年代深基坑中所采用的主要支护方式。其设计方案一般由施工单位负责设计，桩长、桩径、桩距、桩身配筋根据地层条件、周边环境通过理论计算并结合当地经验得出。
　　人工挖孔悬臂桩一般采用桩径是1000～1200m，桩距可根据基坑条件进行设计布置。其作法是每挖一米然后支模，绑扎护壁钢筋，浇注护壁混凝土，待养护到一定强度后拆模，再挖下一米直到设计孔深，然后在孔内绑扎钢筋笼或用吊车吊放，一次性浇注混凝土到桩顶。桩与桩之间设置钢筋网，喷射100mm厚的细石混凝土形成封闭以防止雨水或地表水冲刷。其特点是无噪音，无污染，成本低，但需要降水。根据成功实例可用于深度在14m以下基坑工程。
　　机械冲孔悬臂桩是采用冲击钻机成孔，泥浆护壁，水下灌注混凝土成桩。桩与桩之间设置钢筋网，喷射100mm厚的细石混凝土形成封闭以防止雨水或地表水冲刷。其特点是无需降水则可以施工，因此可以在总工程开工以前施工，但其混凝土是在水下浇注，桩身质量不易保证，容易形成断桩、夹泥、缩径等质量缺陷。而且冲孔桩在施工时会产生大量的泥浆，造成场地污染，给土方开挖造成一定影响，同时机械冲孔灌注桩相对人工挖孔桩价格较高。根据成功实例一般用于深度在13m以下的基坑。
　　3、桩锚支护
　　桩锚支护是当悬臂支护体系强度、刚度不能满足基坑工程需要时而采取的一种加强支护方案。主要采用的是人工挖孔桩加锚杆或预应力锚索和机械冲孔灌注桩加锚杆或预应力锚索。其做法是在人工挖孔桩或机械冲孔灌注桩桩体完成待土方开挖至一定深度时，在设计的深度用地质钻机钻孔，在孔内放置锚杆或锚索然后注浆养护后形成的组合支护体系。适用于基坑较深、变形控制要求高的基坑工程。当采用预应力锚索结合护壁桩进行支护时，其支护深度已基本能满足现在成都深基坑的支护要求。
　　4、锚拉桩支护
　　锚拉桩支护是当悬臂支护体系强度、刚度不能满足基坑工程需要时而采用的上部锚拉支护体系。其做法是在悬臂桩顶设置一刚度较高的混凝土压顶梁，然后每隔3～5根桩的距离在桩后面找一稳定位置(即在基坑滑动面以外)设置锚拉基础。当由于场地空间限制不能在滑动面以外设置锚拉基础时也可在桩后3～5m范围内设置锚拉结构，但锚拉结构的基础要设置在滑动面下2m以上。采用拉锚后可以大大减少桩身的变形，对基坑周边建筑或市政设施相当有利。该支护方案是将悬臂桩做成下部固定，上部铰支的桩，改变了桩身的最大弯矩位置，从而可以优化桩的直径以及配筋。但该方案一般要求将拉锚设置在滑动面以外，需要有一定的场地空间。
　　5、喷锚支护
　　喷锚支护技术(在成都地区也可称土钉墙支护)是近年发展起来用于岩土体基坑和边坡开挖与加固的一种新型技术 其基本思想最早来源于隧道开挖与支护中的新奥法（New Austrian Tunneling Method）施工技术。由于经济可靠且施工快速简便已在许多国家中得到迅速推广和应用。
　　喷锚支护是各类锚杆(管、索)、钢筋网以及喷射混凝土形成的一种支护体系。其做法是每开挖一层，然后修坡打锚杆，挂网喷射一定厚度的细石混凝土。喷射混凝土在高压空气作用下高速喷向土层表面，先期骨料嵌入表土层内，并为后继料所充填包裹，在喷层与土层间产生“嵌固层效应”，并随开挖逐步形成全封闭支护系统；喷层与嵌固层同具有保护和加固表土层，使之避免风化和雨水冲刷、浅层坍塌、局部剥落，以及隔水防渗作用。锚杆(索、管等)内锚固段深固于滑移面之外的土体内部，其外锚固端同喷锚网联为一体，可把边壁不稳定体“危机”转移到内锚固段及其附近并消除于无形。钢筋网可使喷层具有更好的整体性和柔性，能有效地调整喷层与锚杆内应力分布。
　　该支护方案是锚杆主动支护土体并与土体共同作用，改变了传统的桩、板、墙、管、撑等被动支护的概念。其特点是施工方便，适用性强，可随挖随支护，工期短，造价相对较低。其缺点是该支护方案必须进行降水，同时其锚杆都要“侵入”到临近场地，这样为“被入侵”的地段未来的基坑或地基施工留下了很大的不便。
　　二、 喷锚支护的作用
　　喷锚支护主要是利用土体、锚杆与面层相互作用的机理进行工作。土体的抗剪强度低，抗拉强度几乎为零，但土体具有一定的结构完整性。喷锚支护体系中由于锚杆间距较小，锚杆与土体共同作用，从而改变了基坑边坡的变形与破坏形态，提高了土体的整体稳定性。锚杆的作用主要有以下几点：
　　(1) 箍束骨架作用：由于锚杆本身的强度和刚度以及它在土体内的空间分布所形成的，具有制约土体变形的作用，并与土体构成一个整体。锚杆注浆时，在注浆压力的作用下，浆体向四周扩散渗入到土体中，并对土体产生挤密作用，在锚杆周围形成一圈水泥土，与松散土体形成一整体，增强了土体的抗剪强度。该作用在砂质土、填土和卵石土中比较明显。
　　(2) 分担作用：在复合土体内，锚杆与土体共同承担外荷载和土体的自重应力，由于锚杆有高的抗拉、抗剪强度，所以当土体进入塑性状态后，应力逐步向锚杆转移。当土体开裂时，锚杆的分担作用更为突出，这时锚杆中出现弯剪、拉剪等复合应力，从而导致锚杆体中浆体碎裂、钢筋屈服、复合土体塑性变形延迟和渐进性开裂变形等均与锚杆的分担作用有关。
　　(3) 应力传递与扩散作用：在同等荷载的作用下，由于由锚杆加固土体内的应变比同条件素土内的应变小得多，从而推迟了裂缝的形成和发展[20]。
　　喷锚支护中的面层是由高压喷射混凝土而成，喷射混凝土的压力清除了坡面的松散层，并将混凝土嵌入土层中，增强了面板与土体的结合力，在坡上形成了一个整体多支点支撑的钢筋混凝土连续板，可以看作是支承于等距支柱上的薄板。混凝土面层厚度较薄，刚度较小，具有一定的柔性，允许坡面有一定变形，有利于改善坡面的应力分布。
　　
　　三、工程实例
　　1、工程地质情况：
　　成都市万寿苑小区深基坑工程位于成都市武侯区万寿村，基坑底部最大深度为10.5m，基坑东侧有三幢七层高22m的社区住宅，距基坑开挖线最近的地方仅有9m，南侧临河渠，西侧基坑开挖线外3m有一公路，北侧基坑边为土建方临设区，距基坑开挖边线3m。基坑受力条件较为复杂，基坑开挖线与相邻建筑物及其他设施的相对位置见图3-1。
　　
　　
　　图3-1 基坑开挖线与相邻建筑物及其他设施的相对位
　　2、地形地貌
　　拟建场地位于成都市武侯区万寿村，地势较平坦。场地地貌单元属岷江Ⅰ级阶地。
　　3、地层条件
　　根据该场地岩土工程勘察报告的钻探成果，场地地基土主要由第四系人工填土（Q4ml）、第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）成因的砂、圆砾及卵石组成。从上到下分别描述如下：
　　(1) 杂填土：褐黑、黑灰色，松散，稍湿。主要以炭渣、砼块、砖瓦块等建筑垃圾组成。该层场地大部分地段分布，层厚0.30～3.00m。
　　(2) 素填土：褐灰色、黑灰色，松散～稍密，稍湿。以粉土为主,含20%左右的碎石、砂及炭渣、砖瓦块、砼块。该层场地普遍分布,层厚0.60～4.00m。
　　(3) 细砂：褐灰、褐黄色，松散，稍湿。以长石、石英颗粒为主，含少量云母片及个别卵石，部分地段粘粒含量较重。该层主要分布于卵石层顶板上。该层场地普遍分布，层厚0.30～2.70m。
　　 (4) 中砂：褐灰色，黑灰色，松散，稍湿。以长石、石英颗粒为主，局部地段渐变为细砂、粗砂，含少量圆砾及卵石。该层主要分布于卵石层顶板上或以透镜体状分布于卵石层中，层厚0.40～2.50m。
　　(5) 圆砾：褐黄、褐灰色，稍密，饱和。成份以岩浆岩为主，多呈亚圆形，粒径一般为2～4mm，隙间主要充填砂粒，含少量卵石。该层主要呈尖灭状分布于卵石层顶面或以透镜体状分布于卵石层中，厚度0.40～1.80m。
　　(6) 卵石土：褐灰、褐黄色，稍湿～饱和。成分以岩浆岩为主，磨圆度佳，多呈亚圆形，微～强风化，一般粒径4～8cm，大者可达20cm以上，隙间主要充填砂、圆砾及少量粘性土。该层可分为稍密、中密、密实三个亚层。卵石顶板埋深为1.9～6.5m，起伏变化较大。
　　结语
　　大型基坑、形状不规则的深基坑，最好根据地质条件及基坑周边建筑物情况采用组合方式进行支护。该工程对基坑周边无建筑物或建筑物距离较远的地段采用喷锚支护，对离建筑物较近的一面采用悬壁桩进行支护，同时由于悬壁桩的最大弯矩点在基坑底面之下，按最大弯矩进行优化配筋，对工程造价有很大的节约。在可选方案较多的情况下，基坑支护方案的优选对于周边环境的安全以及施工中技术和经济投入的影响都是非常巨大的，这就要求工程人员根据实际条件、结合工程经验，有的放矢地选择不同的基坑支护方案，对各种可能的支护方案进行比较和优化，寻求安全可靠和经济效益的最佳交点。
　　参考文献：
　　 [1]徐宜和. 基坑工程技术现状分析[J]. 四川建筑科学研究, 2005,(06) .
　　 [2]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M].地质出版社，2005
　　 [3] 王政华.某工程深基坑支护设计[M].山西建筑，2009(27).

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