（岩土工程专业论文）深基坑工程复合支护计算分析与工程应用研究.pdf

摘要 深基坑工程是一项综合性很强的系统工程，同时也是一个复杂的综合性岩土 工程，既涉及到土力学中典型的强度和稳定韵问题，又包含扰动和变形问题，同 时又涉及到土与支护结构的共同作用。由于目前土力学理论尚不够完善，单纯依 靠数学及理论方法难以对系统的变化性状作出准确的预测，在施工过程中往往出 现一些难以预料的变化趋势，还要受到施工条件、天气情况、周围环境等诸多因 素的影响，所以理论分析计算的结果与实际情况有时会有较大差异。同时深基坑 工程也是涉及多个学科的一个综合性的课题，它不仅仅涉及土力学，还要涉及到 结构工程、水力学等相关专业，他们相互交融，相互作用，使我们不能仅仅依靠 一两门专业知识来解决这种综合性的问题，所以该领域的很多方面仍然有待于进 一步优化。 本文在前人研究的基础上，采用a n s y s 有限元程序建立二维土钉、锚杆支护 模型，分析其位移、应力、稳定性，具体内容如下： ( 1 ) 根据现有的深基坑支护方式，分析不同地质条件、工程环境下对 深基坑支护方式的选择及方案比较。 ( 2 ) 采用强调折减有限元法分析土钉支护基坑的整体稳定性。通过绘制模 拟的位移与应力的云图，分析了土钉、锚杆基坑支护的机理以及影响土钉锚杆支 护的因素。 ( 3 ) 建立二维土钉支护模型。考虑土体的弹塑性特性、土钉与土体、锚杆 与土体的相互作用以及分步施工过程，采用合理的网格划分，使土体、土钉、锚 杆、面层协调受力，变形协调。对土体和土钉、锚杆的变形进行分析，得到其稳 定性、位移、应力等方面的些基本规律，进而提出一些关于土钉、锚杆支护设 计等方面的建议。 ( 3 ) 结合安徽省立医院基坑工程实例，在充分了解该工程的地质条件、 周边构筑物等相关要素后，利用合理的计算方法进行深基坑支护结构设 计。 关键词：深基坑工程支护结构分析应用研究 a b s t r a c t d e e p f o u n d a t i o n p i t i s b o t ha s y s t e m a t i ce n g i n e e r i n g a n da c o m p r e h e n s i v eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i z e db yc o m p l e x i t y ，f o ri t n o to n l yc o v e r st h es t u d yo fi n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo fs o i lm e c h a n i c sa sw e l la s s o i ld i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ，b u ta l s oi n c l u d e st h ei n t e r a c t i o no fs o i la n d s u p p o r t i n gs t r u c t u r e h o w e v e r ，d u et oi n s u f f i c i e n ts o i lm e c h a n i c st h e o r y s y s t e m ，i ti sd i f f i c u l tt of o r e c a s tt h ev a r i a n c eo ft h es y s t e mo n l yb ym e a n so f m a t h e m a t i c sa n dt h e o r e t i c a lm e t h o d t h e r em a yb eab i gg a pb e t w e e nt h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sa n da c t u a ls i t u a t i o nb e c a u s eo ft h eu n e x p e c t e dc h a n g e si n t h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o nt o g e t h e rw i t hc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，w e a t h e ra n d t h e s u r r o u n d i n g s m o r e o v e r ，d e e p f o u n d a t i o n p i t i sa p r o d u c t o f m u l t i - d i s c i p l i n ek n o w l e d g e ，i n c l u d i n gs o i lm e c h a n i c s ，s t r u c t u r ee n g i n e e r i n g ， h y d r a u l i c sa n do t h e rr e l a t e dd i s c i p l i n e s ，w h i c hp o s e sag r e a tc h a l l e n g ef o r r e s e a r c h e r s b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，t h ep a p e ra p p l i e st h ef i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o np r o g r a ma n s y st ob u i l dm o d e l so ft w od i m e n s i o n a ls o i l n a i l i n g a n dp i l e a n c h o rs u p p o r t i n ga n da n a l y z et h e i rd i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa sw e l la s s t a b i l i t y t h ep a p e r ： 1 ) o nt h eb a s i so fe x i s t i n gd e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gp a t t e r n s ，d i s c u s st h e s e l e c t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r eu n d e rd i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t sa n dc o m p a r et h ed i f f e r i n gs c h e m e s 2 ) u s ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo fr e d u c t i o nc o e f f i c i e n t st oa n a l y z et h eo v e r a l l s t a b i l i t yo fs o i l n a i l i n gs u p p o r t i n g m a k ea na n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo f s o i l - n a i l i n ga n da n c h o rs u p p o r t i n ga n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sb yd r a w i n g s i m u l a t e dc l o u dm a po fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s 3 ) e s t a b l i s ht w od i m e n s i o n a ls o i l - n a i l i n gs u p p o r t i n gm o d e l c o n s i d e r i n gt h e e l a s t o - p l a s t i c i t yo fs o i l ，t h ei n t e r r a c t i o nb e t w e e nn a i la n ds o i l ，a n c h o ra n ds o i l ， a sw e l la sc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a d o p tr e a s o n a b l eg r i dd i v i s i o nt oe x e r tf o r c e s o ns o i l ，n a i l ，a n c h o ra n ds u r f a c e e o o r d i n a t i v e l ya n da c h i e v ed e f o r m a t i o n c o o r d i n a t i o n s u m m a r i z eb a s i cp r i n c i p l e sa b o u ts t a b i l i t y ，d i s p l a c e m e n ta n d s t r e s st h r o u g ht h ea n a l y s i so fd e f o r m a t i o no fs o i l ，n a i la n da n c h o r s u g g e s t i o n s a r es u b s e q u e n t l yo f f e r e do nt h ed e s i g no fs o i l - n a i l i n ga n da n c h o rs u p p o r t i n g 4 ) d e s i g nt h es u p p o r t i n gp a t t e r nf o rt h ed e e pf o u n d a t i o np i to fa n h u i p r o v i n c i a lh o s p i t a lt h r o u g hf u l l yu n d e r s t a n d i n go ft h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ， t h es u r r o u n d i n gb u i l d i n g sa n do t h e rr e l a t e df a c t o r s k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ，s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，a n a l y s i s ，a p p l i c a t i o n 插图清单 2 1草袋档土或干砌块石简易档土 2 2 短桩隔板支护 2 3悬臂式支护结构 2 4水泥重力式支护结构 2 5格构式重力式挡墙 2 6内撑式支护结构 2 7拉锚式支护结构 2 8土钉支护结构 5 1有限元求解流程图 5 2土钉支护网格划分图 5 3土钉支护施加约束网格图 5 4x 方向应力场等值线图 5 5y 方向应力场等值线图 5 6x 方向位移场等值线图 5 7y 方向位移等值线图 5 8x y 面上剪应力场等值线图 5 9等效应力场等值线图 5 1 0 工程锚杆支护 5 1 l 锚杆自由端长度计算简图 6 1不同布置方式的土钉对基坑位移的影响 6 2 不同土钉或锚杆长度对基坑位移的影响 6 3不同间距对基坑水平位移的影响 6 4不同倾角的土钉对基坑位移的影响 6 5不同面层厚度对基坑位移的影响 6 6不同厚度的面层对土钉轴力的影响 6 7不同粘聚力对基坑位移的影响 6 8不同内摩擦角的土体对基坑位移的影响 表格清单 表5 1 砂岩物理力学参数统计表 表5 2 深基坑设计参数 表6 1 土钉布置方式 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一周工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 狄珠堤 i 1 签字日期 学位论文版权使用授权书 年乒只( p 本学位论文作者完全了解金挺王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴擞醚轹谐乡 签字醐w j 毗月( 尹 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：0 人 通讯地址： 导师躲寸烈 ir 。 签字吼功。7 3 一 年v f l 7 日 电话：罗砧鲈钐否f 邮编： 致谢 在此论文完成之际，我的硕士研究生生活也即将结束。在这里，首先 要感谢我的导师杨成斌教授。在这几年的学习、研究和生活期间，杨老师 自始至终给予我莫大的关怀和帮助。在文献检索、资料收集、论文选题和 论文撰写过程中，杨老师给予了悉心的指导，提出了许多宝贵的意见和建 议。他严谨的治学态度，理论联系实际的指导思想，兢兢业业的工作精神 和平易近人的作风，使我深受启迪，受益匪浅。在此谨向杨老师致以最诚 挚的敬意和深切的感激之情! 在合工大地基与基础公司实习期间，我有幸得到了毛由田高级工程师 悉心指导、鼓励和帮助以及其他同事的帮助和关心，在我毕业之际，在此 向他们表达诚挚的谢意! 在我论文撰写过程中，感谢安徽省地基基础公司给予的大力支持，为 我提供了大量的资料，在此向他们深表谢意! 感谢土木与水利工程学院的老师们对我的培养和教导! 感谢我的同窗好友和师兄师弟们，感谢他们这些年来对我的帮助和支 持! 感谢我的妻子，感谢她这几年来对我生活和学习上的帮助和支持! 最后，我还要由衷地感谢答辩委员会的全体老师以及莅临答辩现场的 各位老师和同学，感谢大家在百忙之中抽出时间参加和指导我的毕业论文 答辩工作。 作者：武海英 2 0 0 8 年0 6 月 第一章绪论 1 1 基坑工程发展现状 随着国民经济建设的迅速发展，国内高层建筑、大型桥梁结构以及地 下空间利用规模不断扩大，迄今为止，我国已建成高度超过1 0 0 米的超高 层建筑2 0 0 多栋，部分建筑跻身于世界百座超级巨厦之列。从发展的趋势 看，由于可开发土地资源的匮乏，我国的高层建筑将越来越多，体积越来 越大，越来越多的高层建筑同时也在向地下索取空间，以提高综合投资效 益，充分利用资源，同时建筑物建设功能的需求以及建设条件的限制，基 坑支护工程的周边条件越来越复杂，基础越做越深，给深基坑支护设计、 施工带来了巨大的挑战。近几年深基坑工程事故也出现不少，造成了巨大 的损失。深基坑支护工程涉及岩土力学、结构力学、材料力学和地质水文 等相关专业，同时需要大量的工程实践、监测以及试验，具有极强的个性 特征。虽然多年来在不断总结经验教训的基础上，深基坑工程不断发展与 创新，但是科学技术从来是随着生产需要而迅速发展起来的，理论总是落 后于实践，深基坑支护工程技术也是一样，目前理论上还不是非常成熟， 存在着大量需要解决的问题，同时随着建筑工程技术领域的不断发展，深 基坑工程问题已经成为中国建筑界的热点问题之一。 6 0 年代，我国由于建造人防工程，出现了一些深基坑工程；8 0 年代以 后，随着我国城市高层和超高层建筑的涌现，基坑开挖深度也就不断发展， 基坑开挖深度超过l o m 的比比皆是，如青岛万邦广场主楼基坑深达1 8 m 。， 福州新世纪大厦基坑开挖深度达2 5 2 m ，上海经贸大厦主楼基坑深3 2 m 。同 时基坑开挖面积也越来越大，许多基坑面积超过1 0 0 0 0m 2 ，其中上海汇港 广场大厦基坑开挖面积达5 0 0 0 0m 2 。目前，随着城市建设的进一步发展及 对地下空间需求的进一步增长，基坑的深度有进一步增加的趋势，同时也 大大促进了一些深基坑工程技术的发展，向从事该领域工程技术人员提出 了越来越多有待解决的问题。 深基坑工程是一个复杂的综合性岩土工程，由于目前土力学理论尚不 够完善，单纯依靠理论方法难以对系统的变化性状作出准确的预测，在施 工过程中往往出现一些难以预料的变化，还要受到施工条件、天气情况、 周围环境等诸多因素的影响，所以理论分析计算的结果与实际情况有时会 有较大差异。通过现场监测可以获得大量的一手数据，掌握整个基坑在不 同条件下的各种性状，再利用理论知识找出其发展规律，预测其变化趋势， 对于可能发生的安全隐患及早发出预报，避免或减少工程事故发生；通过 对测试结果进行计算，为下一步的施工提供指导。因此，在深基坑施工阶 段对支护及周边建筑物进行安全监测已经成为深基坑施工不可或缺的一 个技术环节。 深基坑的稳定和变形破坏理论最初产生于挡土墙的稳定分析。最早提 出分析的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在上世纪4 0 年代就提出了预 估挖方稳定和支撑荷载大小的总应力法。这一理论原理一直沿用到现在， 只不过有了许多改进和修正。上世纪5 0 年代b j e r r u m 和e id e 给出分析深 基坑底板隆起的方法，6 0 年代开始在奥地利和墨西哥城软粘土深基坑中首 次使用了仪器进行观测，此后的大量实测数据提高了预测和计算分析的准 确性和完整性。 早几年，在计算基坑支护结构内力和变形的通用计算程序中，对作用 在支护结构上的土压力一般是按r a n k i n e c o u l o m b 土压力理论计算的；位 移变形计算是一般把土体看作为弹性介质以弹性理论为基础进行计算，但 其计算方法所分析的结果与实测数据有较大的差异。近几年在基坑支护技 术的工程实践中，已经发展到把土体当作具有塑性、弹塑性、粘弹塑性的 介质考虑，对于软土同时考虑了软土的长期流变效应，计算分析技术也由 一维、二维平面有限元发展到三维、多维空间有限元及空间离散元。 深基坑的支护技术及其理论研究在国外发展较早，但在我国起步较 晚。上世纪8 0 年代中期广东、上海、北京及其它城市建设的深基坑陆续 增多，设计和施工在不断的实践中积累了大量的经验，为了总结各地的经 验和理论，由中国土木学会和中国建筑学会土力学和基础工程学会组织， 相继在北京、上海、天津等地召开过全国和地方性的深基坑会议，并出版 相关论文集，进入上世纪9 0 年代，为了总结我国深基坑支护设计与施工 经验，上海市、深圳市、武汉市、广东省等地区陆续颁布了关于深基坑设 计的地方规程，国家行业标准亦颁布使用。 国内外大量的工程实践的经验表明，许多工程的最危险阶段不一定是 在正常使用阶段，而是在建造阶段和老化阶段。而就深基坑工程事故而言， 其原因除了施工质量没有保证、施工方法不当、人为错误等原因外，主要 原因之一是由于对环境、地质、荷载等因素认识不足而导致设计、施工中 的某种失误和疏忽所致。 近几年来，高层建筑与市政工程建设处于大发展时期，设计与施工等 单位也在跨区域的拓展自己的业务，往往会出现设计与施工队伍对当地基 坑施工的地质条件不够熟悉、工程管理不善、工程数据不及时等因素，因 而发生了一些事故。而事故发生的原因，主要有以下几个方面： ( 1 ) 设计方面，设计时未对地质数据( 包括流沙、暗浜、洞穴、承压水 层等) 了解清楚，没有查明周围各种地下管线、已有建筑物或构筑物的基 础形式、方位及使用要求，未能根据基坑的开轸深席选择合适的围护结构 与支撑系统等。 ( 2 ) 施工方面，在施工中往往会出现施工质量把关不严、超挖、施工管 理不善等问题。 ( 3 ) 检测方面，深基坑工程中的监测工作是指导施工、避免事故发生的 必要措施，也是进行信息化施工的手段；检测也是检验设计理论的正确性 和深化发展设计理论的重要依据。近年来，有的基坑工程为了节约工程成 本而不进行施工监测，或减少监测费用；有的工程对测试数据不认真分析， 或者分析水平不高。因而造成各种大大小小的事故和不应有的损失。 1 2 土钉支护技术的发展概况 土钉支护是以土钉作为主要构件的边坡支护技术，它由密集的土钉 群、被加固的原位土体、喷射混凝土面层和必要的防水系统组成。 土钉技术发展始于7 0 年代，至今也不过三十几年的历史，但是由于 施工方便、造价低等优势，在边坡工程、基坑工程中得到广泛的应用。美 国最早应用土钉支护是在1 9 7 4 年，早期称为原位土加筋的侧向支护体系， 并称土钉为锚杆，只是在国际上开展土钉支护技术的交流以后才改为土 钉。我国首例土钉支护技术是用于山西柳湾煤矿的边坡加固，随着近几年 的发展，除了不良地层如软土和降水困难的地区外，只要存在允许设置土 钉的地下空间，土钉支护往往成为基坑工程开挖中的首选支护方案。 1 3 锚杆支护技术的发展概述 锚杆是一种新型的受拉构件，它的一端与工程结构物或挡土桩墙联 结，另一端锚固在地基的土层或岩层中，以承受结构物的上托力、拉拔力、 倾侧力或挡土墙的土压力、水压力，利用地层的锚固力维持结构物的稳定。 目前，虽然土层锚杆已广泛的应用于各种土质坡、基、洞工程中，但 是土层锚杆技术理论研究滞后于工程实践，其研究水平不及岩石锚杆。岩 石锚杆应用和发展都要早于土层锚杆，各种测试、试验及现代分析方法均 已达到较高水平。1 9 5 8 年德国的一家公司首先在深基坑中将土层锚杆应用 于挡土墙支护，引起各国岩土界的重视，并相继应用于各种支护结构中， 同时投入大量力量进行研究开发，土层锚杆的应用数量及质量迅速提高， 施工工艺日趋完善。上世纪8 0 年代初土层锚杆应用于我国深基坑支护工 程，随着该技术的应用与推广，土层锚杆研究在我国取得了一定进展。但 对锚固机理，即锚固体与土体之间的相互力学作用机理缺乏系统的研究。 土体强度低，锚固体与土体的刚度差别较大，相互作用机理与岩石锚杆是 不同的。同时锚固体与土体之间接触特性，不同的土层锚杆的接触特性不 同，均影响锚杆的承载力。所以，通过对锚杆的锚固机理分析研究，对于 改进锚杆的施工工艺，提高锚杆单位锚固长度的承载力具有重要的现实意 义。 1 4 论文主要内容 本文在前人研究的基础上，采用a n s y s 有限元程序建立二维土钉、锚杆支护 模型，分析其位移、应力、稳定性，具体内容如下： ( 1 ) 根据现有的深基坑支护方式，分析不同地质条件、工程环境下对 深基坑支护方式的选择及方案比较。 ( 2 ) 采用有限元法分析土钉、锚杆支护基坑的整体稳定性。通过绘制模拟 的位移与应力的云图，分析了土钉、锚杆基坑支护的机理以及影响土钉锚杆支护 的因素。 ( 3 ) 建立二维土钉、锚杆支护模型。考虑土体的弹塑性特性、土钉与土体、 锚杆与土体的相互作用以及分步施工过程，采用合理的网格划分，使土体、土钉、 锚杆、面层协调受力，变形协调。对土体和土钉、锚杆的变形进行分析，得到其 稳定性、位移、应力等方面的一些基本规律，进而提出一些关于土钉、锚杆支护 设计等方面的建议。 ( 4 ) 结合安徽省立医院基坑工程实例，在充分了解该工程的地质条件、 周边构筑物等相关要素后，利用合理的计算方法进行深基坑支护结构设 计。 第二章深基坑工程支护类型及结构选型 2 。1 常用深基坑工程支护类型分析 2 1 1 支护类型 深基坑支护从其类型上分，主要分为以下几种： ( 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 ) 土钉支护结构； ( 7 ) 其它型式支护结构，主要有门架式支护结构；拱式组合支护结构， 喷网支护结构，沉井支护结构，加筋水泥土墙支护结构，冻结法支护等。 2 1 2 放坡开挖及适用范围 放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证开挖过程中边坡的稳定性，包 括坡面的自立性和边坡整体稳定性。放坡开挖适用于地基土质较好，开挖 深度不深，以及施工现场有足够的放坡条件的工程，放坡开挖一般费用较 低，能采用放坡开挖应尽量采用放坡开挖。有时虽有足够的放坡场所，但 挖土及回填土方量大，考虑工期、工程费用并不合理，也不宜采用放坡开 挖。 在放坡工程中，为了增加基坑边坡稳定性，减少挖土土方量，常采用 简易支护。如在坡脚采用草袋装土或块石堆砌挡土或在坡脚采用短桩隔板 支护等。边坡表面要采取保护措施，确保不被雨水冲刷，减少雨水渗入土 体，降低边坡强度。通常可采用在土坡表面抹一层钢丝网水泥砂浆，或喷 射砂浆等保护，并设置排水孔。 2 1草袋档土或干砌块石简易档土 2 2 短桩隔板支护 2 1 3 悬臂式支护结构及适用范围 悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土 板桩、地下连续墙等型式。值得关注的是，钢筋混凝土咬合桩和s w m 工 法目前已经被广泛使用，钢筋混凝土桩常采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、 沉管灌注桩及预制桩等。悬臂式支护结构依靠足够的入土深度和结构的抗 弯能力来维持整体稳定和结构安全。悬臂式结构对开挖深度非常敏感，容 易产生较大的变形，对相邻建( 构) 筑物易产生不良影响。悬臂式结构适 用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。 心形幺沁 心心么 2 3悬臂式支护结构 2 1 4 水泥土重力式支护结构及适用范围 水泥土重力式支护结构是目前工程中用得较多的一种支护结构，常采 用深层搅拌法形成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为节约资金，常采 用格构体系。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支护周围土体，保 持基坑边坡稳定。深层搅拌水泥土桩重力式支护结构常用于软粘土地区开 挖深度约在6 o m 以内的基坑工程。 ；二1 n 以心 以s 、彩幺心 j 勿 ， 2 4 水泥重力式支护结构 2 5 格构式重力式挡墙 2 1 5 内撑式支护结构及适用范围 内撑式支护结构由支护结构体系和内支撑体系两部分组成。支护结构 体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙、s w m 工法、钢筋混凝土咬合桩和地下 连续墙型式。内支撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又 可采用单层水平支撑、二层水平支撑和多层水平支撑，当然基坑面积很大， 而且开挖深度不大时，宜采用单层斜支撑。 内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管( 或型钢) 支撑两种。钢筋混凝土 支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收， 且加预应力方便。内支撑结构适用范围广，可适用于各种土层和不同的基 坑深度。 吣彳抵 4 孙弧 厂 孵桃x x 、x ? j x 尉么触么 2 6内撑式支护结构 2 1 6 拉锚式支护结构及适用范围 常见的拉桩式支护结构是钢筋混凝土灌注桩加锚杆的支护体系，锚杆 施工多采用一般性灌浆的土层锚杆，随深度的不同，可分为单层锚杆、二 层锚杆和多层锚杆。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式。地面拉锚式结 构需要有足够的场地设置锚桩或其它锚固物，应用范围有一定的局限性。 锚杆式需要地基土能提供较大的锚固力。锚杆近年来在深基坑支护中被广 泛采用，随着扩孔技术和注浆技术以及优化设计的推广，它的应用范围正 进一步扩大。它的一端通过围檩或腰梁与围护墙联结，另一端通过锚固体 而稳定在土体中。锚杆的锚固段必须设置在滑裂面之后，由于软粘土地基 不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。锚杆式支护体系一般钻孔倾 角成l5 0 左右，拉杆端部用螺栓固定，以槽钢组成水平或垂直联结板，锚 固于坑壁上。由于其具有较高的可靠性，可适用于不同的场地条件，而且 经过工程实践检验其经济效益良好。 ( q )地面拉锚式 2 1 7 土钉支护结构及适用范围 洙心 t t 心 “心多捧孤 ( b ) 双层锚杆式 2 7 拉锚式支护结构 土钉是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于2 0 世纪7 0 年 代在德国、法国和美国发展起来的一种主动支护形式。土钉一般通过钻孔、 插筋和注浆来设置，也有采用打入或射入方式设置土钉。土钉围护结构的 机理可理解为通过基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土 作用。土钉主要可分为钻孔注浆土钉与打入式土钉两类。钻孔注浆土钉是 最常用的土钉类型。即先在土中钻孔，置入钢筋，然后沿全长注浆，为使 土钉钢筋处于孔的中心位置，有足够的浆体保护层，需沿钉长每隔2 3 m 设 对中支架。土钉外露端宜做成螺纹并通过螺母、钢挚板与配筋喷射混凝土 面层相连。打入土钉是在土体中直接打入角钢、圆钢和钢筋等，不再注浆。 打入钉的优点是不需预钻孔，施工速度快，但效果差。近年来国内开发了 一种打入注浆式土钉，它是直接将带孔的钢管打入土中，然后高压注浆形 成土钉，这种土钉特别适合于成孔困难的砂层和软弱土层，具有广泛的应 用前景。 2 8 土钉支护结构 2 1 8 其它形式支护结构及适用范围 其它形式支护结构主要有门架式支护结构、拱式组合型支护结构、喷 网支护结构、加筋水泥土墙支护结构、沉井支护结构和冻结法支护结构等。 门架式支护结构的支护深度比悬臂式支护结构支护深度要大，适用于开挖 深度己超过悬臂式支护结构的合理支护深度的基坑工程。喷网式支护结构 是由锚杆( 锚索) 、钢筋网喷射混凝土面层与边坡组成，其结构形式与土 钉支护结构类似，其受力机理类同锚杆，又称为土中锚杆，常用于土坡稳 定加固，不适用于含淤泥质土和流砂的土层。加筋水泥土挡墙支护结构是 在水泥土中插入型钢而形成，以提高水泥土的抗拉强度，增加水泥土重力 式挡墙支护结构的深度。 2 2土钉支护结构型式分析 在土钉支护体系中，土钉是重要的受力构件，土钉的作用为：将作用 于面层或水泥土桩上的水土压力，通过土钉和土体的摩阻力传递到稳定的 土层当中，类似于土层锚杆。土钉支护通过密而短的土钉将支护结构后土 体的变形约束起来，形成由土体、注浆体及土钉组成的复合土体，复合土 体类似于加筋挡土墙。不管用什么形式施工的土钉( 钻孔法、打入法或顶 入法) ，土钉通道同时也是注浆孔，该注浆不仅形成土钉支护体系与土层 之间的摩擦带，同时以劈裂、渗透及压密注浆的形式加固墙后土体。 土钉安装初期，完成注浆但注浆体与土层之间的粘结尚未形成，这时 土钉基本不受力；注浆体将土钉粘结于土层中，随着丌挖深度的加深，土 钉将拉力集中在与面层粘结的部位，此时内力分布类似于无自由变形的土 层锚杆，靠近面层处拉力最大，往后逐渐减小；基坑开挖至足够深度，土 钉的大部分处于滑裂范围内，这时土钉内力表现为中间部分最大，两端最 小。 2 3 拉锚支护结构型式分析 2 3 1 拉锚支护结构型式简介 拉锚支护结构是基坑工程中被广泛应用的一种支护结构形式，在各种 地质条件下都有成功的应用实例。拉锚支护结构由挡土结构物与土层锚杆 两部分组成，挡土结构物包括灌注桩、挖孔桩及各类板桩；土层锚杆系统 由锚杆( 索) 、锚固段、锚头、垫块组成。该支护体系的特点是： ( 1 ) 锚杆在基坑支护体系中主要作为受拉构件，提供反力维持土体平 衡； ( 2 ) 锚杆拉力的大小及作用点可根据需要调整； ( 3 ) 维护桩在开挖前施工，拉锚与开挖工作并行施工，对土方开挖和 运输干扰较小； ( 4 ) 能够提供宽敞的工作空间，便于地下结构施工； ( 5 ) 在各种土层中均能较好的应用； ( 6 ) 能采用与其他支护结构形式相结合支护形式： ( 7 ) 锚杆能施加预应力，与支护结构组合受力，有效控制支护结构的 变形； ( 8 ) 施工比较简单，安全性能好。 这些特点使拉锚支护结构在基坑工程中特别是周边环境较复杂的条 件下得到广泛的应用。 2 3 。2 拉锚支护结构体系设计要求 拉锚式支护结构主要是灌注桩加锚杆。锚杆施工多采用一般性灌浆的 土层锚杆，钻孔倾角与地面成15 0 左右，拉杆端部用螺栓固定，用槽钢组 成水平或垂直联结板，锚固于坑壁上。用于支护结构的灌注桩的直径一般 为5 0 0 一12 0 0 m m 。邻桩的间距不大于桩径的1 5 倍，最大不超过桩径的2 倍。对于疏排桩和双排桩，为防止桩间土的剥落，可采用桩间表面抹水泥 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 c 2 0 ，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， 则必须预埋于主体结构的梁、板、柱中。 桩项圈梁的宽度不小于桩径，高度一般为桩径的0 5 - 0 8 倍，且不小 于4 0 0 m m 。桩顶纵向钢筋应植入圈梁内，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。适用混凝土的强度等级 不小于c 2 0 。对处于转角或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5 0 0 m m ，其剪力和弯矩可 按连续梁或简支梁计算。 2 3 1 锚杆的类型 锚杆由锚头、锚具、锚筋( 粗钢筋、钢绞线、钢丝索) 、套管、分割器 及腰梁等组成。 锚杆一般分为以下三种类型： ( 1 ) 是一般注浆锚杆( 压力为0 3 0 5 m p a ) ，孔内注水泥浆或水泥砂浆， 适用于拉力不高，临时性的锚杆。 ( 2 ) 是扩大的圆柱体或不规则体，系用压力注浆，压力从2 m p a ( 二次注 浆) 到高压注浆5m p a 左右，在粘土中形成较小的扩大区，在无粘性土中 可以扩大较大区。 ( 3 ) 第三种锚杆类型是采用特殊的扩孔机具，在孔眼内沿长度方向扩一 个或几个扩大头的圆柱体，这类锚杆用特制扩孔机械，通过中心杆压力将 扩张式刀具缓缓张开削土成型，在粘土及无粘性土中都可适用，可以承受 较大的拉力。 2 3 2 锚杆抗拔原理 锚杆所以能锚固在土层中作为一种受拉构件，主要是由于锚杆在土层 中具有一定的抗拔力，当锚固段锚杆受力，首先通过锚索( 粗钢筋或钢绞 线) 与周边水泥砂浆握裹力传到砂浆中，然后通过砂浆传到周围土体。传 递过程随着荷载增加，锚索与水泥砂浆粘结力( 握裹力) 逐步发展到锚杆 下端，待锚固段内发生最大粘结力时，就发生与土体的相对位移，随即发 生土与锚杆的摩阻力，直到达到极限摩阻力。 2 4 复合土钉支护技术 ( 1 ) 复合土钉支护是2 0 世纪研究开发成功的一项深基坑支护新技 术。它是由普通土钉墙与一种或若干种单项轻型支护技术( 如预应力锚杆、 竖向钢管、微型桩等) 或截水技术( 深层搅拌桩、旋喷桩等) 有机组合成的 支护截水体系，分为加强型土钉墙，截水型土钉墙，截水加强型土钉墙三 大类。复合土钉墙具有支护能力强，适用范围广，可作超前支护，并兼备 支护、截水等性能，是一项技术先进，施工简便，经济合理，综合性能突 出的深基坑支护新技术。 ( 2 ) 复合土钉支护目前尚无完善的技术标准，其主要组成要素普通土 钉墙、预应力锚杆、深层搅拌桩、旋喷桩等。另外，微型桩一般桩径2 5 0 - - 3 0 0 ，间距o 5 2 0 m ，骨架可采用钢筋笼或型钢，端头伸入坑底以下 2 0 4 o m 。竖向钢管一般中4 8 - - - 6 0 ，壁厚3 5 m m 。复合土钉墙在水位 以下和软土中，采用4 8 、厚3 5 m m 钢花管土钉，直接用机械打入土中， 并从管中高压注浆压入土体。 ( 3 ) 复合土钉支护可用于回填土、淤泥质土、粘性土、砂土、粉土等 常见土层：可在不降水条件下采用，解决了在城市建设中因环境限制不宜 人工降水的难题；在无环境限制时，可垂直开挖与支护，易于在场地狭小 的条件下方便施工；在工程规模上，深度2 0 m 以内的深基坑均可根据具体 条件，灵活、合理地推广使用。 ( 4 ) 已应用的典型工程复合土钉墙由于技术上和经济上的综合优势， 目前在北京、上海、深圳、广州、浙江、南京、武汉等地得到了广泛的应 用 第三章基坑支护结构计算的研究现状 基坑工程设计是以保证支护结构在开挖过程中稳定，结构构件满足强 度要求，基坑支护和周围土体的变形在控制范围内为设计目标而开展的基 坑开挖设计、支护体系设计、地面沉降和支护体系变形预测和监测及应急 预案设计等组成的系统工程，目前基坑工程设计常用的计算方法包括极限 平衡法、土抗力法和有限元法。 3 1 极限平衡法 极限平衡法在基坑支护早期提出，一直被广泛应用，是目前我国相关 设计人员最熟悉的基坑支护设计计算方法之一。由于它计算简单，使用方 便，常用于空间效应不明显、地层较稳定、周围环境较简单的悬臂支护结 构及单点支护结构。另外在目前情况下即使应用弹性地基反力法计算支护 结构内力，但嵌固深度还是要用极限平衡法确定。所以，在今后一段时期 内，极限平衡法还会得到一定范围的应用。 极限平衡法总体思路是：采用c o u l o m b r a n k i n e 的土压力理论或经验土 压力包络图得到极限条件下挡墙上的土压力解答，将其作为作用荷载，再 做某些力学上的假设，把超静定的力学问题简化为静定问题求解，得到作 用于挡墙上的内力和变形。常用的极限平衡法包括等值梁法、静力平衡法、 太沙基法、二分之一分割法等。国内用的较多的是等值梁法和静力平衡法。 等值梁法是将计算宽度的围护墙视为竖梁，按一定假设取开挖面下某点的 梁弯矩为零。在该处将竖梁断开为两段，则断梁的弯矩与原整梁的弯矩一 样，即断梁是原整梁的等值梁。静力平衡法则认为围护墙在各力作用下绕 开挖面以下某点转动，该点围护墙无变位。转动点以上墙体向坑内偏移， 坑外侧作用着主动土压力，坑内侧开挖面以下作用着被动土压力；转动点以 下墙体的主、被动土压力则与上述相反。据此，可按静力平衡条件计算围 护墙的入土深度和内力。 极限平衡法的关键和难点在于土压力的计算许多学者对土压力计算 做了大量研究，这些研究涉及到了超固结土的土压力计算、水土压力的分 算与合算、不同工况土压力计算图式的选择、土压力的模型试验等众多内 容。然而土压力与挡墙的刚度和高度、填土的性质、接触面的摩擦性状、 挡墙的位移、土体的应力路径、土的渗透性和排水条件、基坑边界条件、 基底抗隆起稳定性、软土层的深度等众多因素有关，因此准确计算挡墙上 的土压力是困难甚至不可能的。等值梁法和静力平衡法也不能考虑施工工 序、土体的非线性、土体的流变特性、挡墙与土之间的摩擦特性的影响， 不能给出地面沉降等变形资料，所以，极限平衡法无论在理论上还是在应 用中都存在一定的局限性。 3 2 土抗力法 土抗力法又称为基床系数法或地基反力法。当假定地基为w i n k l e r 弹性 地基时也称为弹性地基反力法。土抗力法在横向受荷桩的分析中广泛应 用。按地基反力的不同假设，主要有以下三种： 3 2 1 极限地基反力法 该方法是针对刚性结构的应力问题，按极限状态下的应力平衡推求桩 的横向抗力，不考虑桩的变形，假设地基反力只是深度的函数 p = p ( 2 ) ( 3 一1 ) 式中：尸一桩侧单位面积上的地基反力 3 2 2 弹性地基反力法 该方法假定地基土为弹性体，按梁的弯曲理论求解桩的横向抗力，地基反 力的通式为： 口皇= g g ) 一p ( 3 1 ) 以z 式中：桩身材料的弹性模量 ，一桩横截面的惯性矩 非线性弹性地基反力法可以更广泛地说明桩的动态，该方法可用于竖 直桩等有较大位移的计算。但由于该法的复杂性，实用中往往受到限制。 我国学者也提出了一些非线性弹性地基反力法，但由于计算参数测定上尚 存在一些问题，应用并不广泛。 3 2 3 复合地基反力法 该方法把桩周土分为塑性区和弹性区两个区域，对塑性区按极限地基 反力法计算：对弹性区按线性或非线性弹性地基反力法计算。从理论上说， 该法更接近实际情况，问题在于对弹、塑性区的划分及土性的模拟十分困 难，处理不当将使最终结果严重失真。早期的基坑支护结构分析土抗力法 由于受计算技术的限制，都对实际情况做了很大的简化，以便可以用解析 方法求解。例如日本的“山肩邦南法 、弹性法、弹塑性法等，它们都假 定围护墙后作用已知的主动土压力。“山肩邦南法和“弹塑性法”将开 挖面以下墙前土分成塑性区和弹性区；“弹性法”则假定开挖面以下均为弹 性区。随着计算机的发展，土抗力法可以采用数值方法求解。p a l m e r 和 t h o m p s o n 首先提出了w i n k l e r 基床上梁弯曲的微分方程的有限差分方法。 随后t u r a b i 和h a l i b u r t o n 在板桩和加撑挖方中使用弹性杆系有限元法分析 了挡墙的变形和土压力分布。h a l i b u r t o n 还对施工工序的模拟、桩壁摩擦的 模拟和土的非线性反应提出了一些近似方法，我国学者也做了类似研究。 从以上分析可见，土抗力法是一种成熟的基坑支护结构内力变形计算 方法， ， 应用广泛，并可采用数值方法求解。与极限平衡法相比，土抗力法可以考 虑支撑轴力、墙体弯矩、土压力等随开挖过程的变化，能合理解释结构刚 度和土刚度的作用，可以讨论由于结构挠度差异所引起的应力重分布效 应。土抗力法的缺陷是不能模拟桩壁摩擦力的发展，不能得到挡墙后土体 的变形资料，不能考虑土体的非线性、流变性及应力路径对挡墙和土体变 形的影响，不能得到土体内塑性区的发展情况。 3 3 有限元法 由于深基坑工程的复杂性，使得采用常规方法很难反映诸多因素的影 响，近年来多采用数值方法( 主要是有限元法) 来分析深基坑的整体性状， 即把包括地基土在内的整个围护结构作为一个结构体系，考虑开挖过程、 围护墙与土的共同作用、渗流、时间等因素的影响，综合分析围护结构的 内力、变形及开挖引起的环境效应。 有限元法己广泛应用于岩土工程中的许多问题分析，如软土的固结、 坝体的应力和变形分析等。c h a n d r a s e k a r a n 首先采用增量有限元法模拟简 单挡土结构开挖土压力的发展、挡墙变形和地面沉降，随后许多学者对复 杂的深基坑开挖进行了数值模拟。这些分析都采用了平面应变假定，将基坑 工程视作临时工程而采用了总应力分析方法，土体采用四节点或八节点等参元离 散，并采用非线性的本构关系，土与围护结构之间的接触摩擦效应采用接触面 单元来模拟，支撑或锚采用杆单元来模拟。根据开挖工序，利用有限元模 拟能够得到每一工况中土体的高剪应力区域、墙后地面沉降、围护结构的 内力和变形信息，不仅充分展示了有限元方法在基坑工程设计中的作用和 应