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深基坑桩锚土钉复合支护结构的变形及内力计算 摘要 随着现代建筑不断的向高空发展，对地基要求的提高，基坑工程向深、 大方向发展。基坑工程的设计仅仪满足强度要求已经不够，还要满足变形 控制的要求，这就要求在设计阶段要对基坑的变形有合理的计算和预测。 本文回顾了基坑工程的发展和现状，对目前存在的问题进行了总结分 析，总结了土压力、变形计算方法理论的发展历史，对各种计算方法进行 了分析、比较、总结，指出了各种方法的优点和局限。 目前基坑设计计算方法中，有的并未考虑基坑开挖过程中变形的影 响，如常规设计方法；有的简单地考虑了变形的影响，如弹性抗力法。但 是目前的基坑变形计算中，加在支护结构上的主要荷载土压力的计算 都采用的是经典土压力计算方法。即土体变形达到极限状态时的压力，不 考虑基坑的开挖过程中支护结构和土体的变形对土压力的影响。目前，土 体位移和土压力之间的关系的研究成果很多，但很少有人将位移土压力理 论进一步应用于变形计算中。 本文将考虑变形对土压力的影响的位移土压力理论进一步应用于支 护结构的变形计算中，对弹性抗力法进行了小小的改进，使之用于基坑工 程的变形预测，同时为设计提供依据。选择较有代表性的桩锚土钉联合支 护的实例，并借助大型数值模拟软件f l a c 3 。对基坑的开挖和支护过 程中的内力和变形进行模拟。一方面，运用模拟的结果与其他方法的计算 结果进行比较；另一方面，用数值模拟的结果，为本文方法的相关参数的 选取提供依据。在本文的位移土压力的计算过程中就是戍j f j 了f l a c 的变 形计算结果，并将据此计算出的土压力作用于支护结构上，结合弹性抗力 法计算出支护结构的变形和内力，并与f l a c 、理正设计软件的设计结果 以及相关的实测数据进行对比。 计算过程中发现，对于深度在五米以上的基坑，支护结构的变形大 小对于土压力的变化是很敏感的。对于深基坑来说，引入位移十压力理论 计算变形是很有意义的。 结果的对比分析显示，引入位移土压力理论的变形计算的结果远小 于运用经典土压力的计算方法进行设计的理正软件计算的结果，而且更接 近实测值；此方法的结果略大于f l a c 的结果，但这两科- 方法与实测结果 都比较接近。证明将位移土压力理论进一步引入变形计算的做法对于变形 预测以及指导工程设计向更安全更经济的方向发展是具有一定的意义。 关键词变形，内力，位移土压力，f l a c ”，桩锚土钉联合支护 t h ed e f o r m a t i o na n dr n t e r n a lf o r c e c a c u l a t i o n o ft h ec o m b n 、e ds u p p o i u s t r u c t u r eo f s o i l n a i l i n ga n dp i l e a n c h o r a b s t r a c t w i t hm o d e mb u i l d i n g sd e v e l o p i n gt o u pa i r , i tr e q u i r e sh i g h e r - g r a d e g r o u n d s i l la n dt h ef o u n d a t i o n - p i te n g i n e e r i n gd e v e l o p e sd e e p e ra n dl a r g e r t h ed e s i g no ff o u n d a t i o n p i te n g i n e e r i n gn o to n l yn e e dt o s a t i s f yi n t e n s i t y r e q u e s t b u ta l s os h o u l ds a t i s f yt h ed e f o r m a t i o n c o n t r o l l i n g r e q u e s t ，w h i c h r e q u i r e s t oc a l c u l a t ea n df o r e c a s tt h ed e f o r m a t i o no f f o u n d a t i o n p i t e r g i n e e r i n gd u r i n gd e s i g n t h i st e x tr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dp r e n s r e n ts i t u a t i o no f f o u n d m i o n p i te n g i n e e r i n g ，s u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h eq u e s t i o n sc u r r e n t l y e x i s t e da n ds u m m a r i z e dt h e d e v e l o p m e n th i s t o r yo fe r a t hp r e s s u r e a n d d e f o r m a t i o nc a l c u l a t i n gm e t h o d i ta l s oa n a l y z e d ，c o m p a r e da n ds u m m a r i z e d v a r i o u sc a l c u l a t i n gm e t h o d sa n di n d i c a t e dt h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n so f v a r i o u sm d t h o d s i nc u r r e n tf o u n d a t i o n p i t d e s i g nm e t h o d s ，s o m e d o n tc o n s i d e rt h e i n f l u e n c eo ff o u n d a t i o n p i td e f o r m a t i o n ，s u c ha sr o u t i n ed e s i g nm e t h o d ；a n d s o m ej u s ts i m p l yc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo f f o u n d m i o n p i td e f o r m a t i o n ，s u c ha s e l a s t i c r e s i s t a n c em e t h o d b u ti nc u r r e n t f o u n d m i o n p i t d e f o r m a t i o n c a l c u l a t i o nm e t h o d s ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h em a i nl o a da p p l i e do nt h e r e t a i n i n g s t r u c t u r e s e a r t hp r e s s u r eu s u a l l yi sc l a s s i c a le a r t hp r e s s u r e c a l c u l a t i n gm e t h o d i ti st h ee a r t hp r e s s u r ew h e nt h es o i ld e f o r m a t i o nr e a c h e d l i m i ts t a t e ，w h i c hd o e s n tc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ff o u n d a t i o n - p i ta n ds o i l d e f o r m a t i o nd u r i n gf o u n d a t i o n p i te x c a v a t i o n a tp r e s e n tt h e r e a r em a n y a c h i e v e m e n t s i nt h er e l a t i o nb e t w w e ns o i ld e f o r m a t i o na n d e a r t h p r e s s u r e ，h o w e v e r , f e wp e o p l ef u r t h e rp u td i s p l a c e ds o i lp r e s s u r et h e o r yf o r f o u n d a t i o n - p i td e f o r m a t i o nc a l c u l a t i o n t h i st e x tf u r t h e rp u td i s p l a c e ds o i lp r e s s u r et h e o r yw h i c hc o s i d e r e dt h e i n f l u e n c eo fd e f o r m a t i o nt os o i lp r e s s u r ef o rf o u n d a t i o n p i td e f o r m a t i o n c a l c u l a t i o n t h e ni tm a d es o m es m a l li m p r o v e m e n tt ot h ee l a s t i c - r e s i s t a n c e m e t h o d ，w h i c hm a d ei t u s ei nt h ef o r e c a s to ff o u n d a t i o n - p i td e f o r m a t i o n ， s i m u l t a n e o u s l yp r o v i d e d t h eb a s i sf o rt h e d e s i g n i t t o o kt h ec o m b i n e d r e t a i n i n gs t r u c t u r eo fs o i l - n a i l i n ga n dp i l e a n c h o rw h i c hw a sr e p r e s e n t a t i v ea s e x a m p l e a n d w i t ht h ea i do f l a r g e s c a l e n u m e r i c a lm o d e l l i n g s o f t w a r e f l a c 3 d , i ts i m u l a t e dt h ep r o c e s so ff o u n d a t i o n p i te x c a v a t i o na n d r e t a i n i n g o n es i d e ，t h es i m u l a t e dr e s u l tc o m p a r e dw i t ho t h e rr e s u l t s o n t h e o t h e rh a n d ，i tp r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h es e l e c t i o no fr e l a t e dp a r a m e t e ro ft h e m e t h o dt h i st e x tu s e d t h ed i s p l a c e ds o i lp r e s s u r ec a l c u l a t i o nh a su s e dt h e r u s u l to ff l a ca n da p p l i e dt h e e a r t h p r e s s u r e c a l c u l a t e do nr e t a i n i n g s t r u c t u r e s t h e nc a l c u l a t e dt h ei n t e m a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o nw i t ht h eu n i o no f e l a s t i c r e s i s t a n c em e t h o d ，w h i c hc o n t r a s tw i t ht h er u s u l to ff l a c ，l i z h e n g s o f t w a r ea n dt h em e a s u r e dd a t a d u r i n gt h ec a l c u l a t i n gp r o c e s si t i sf o u n dt h a tt h ed e f o r m a t i o no ft h e r e t a i n i n gs t r u c t u r ew a ss e n s i t i v et oe a r t hp r e s s u r ec h a n g e s t h e r e f o r e ，t od e e p f o u n d a t i o n p i t ，i ti sv e r ys i g n i f i c a t i v et h a tp u td i s p l a c e ds o i lp r e s s u r et h e o r y f o rf o u n d a t i o n - p i td e f o r m a t i o nc a l c u l a t i o n t h er u s u l ta n a l y s i si n d i c a t e dt h er u s u l to ft h ec a l c u l a t i n gm e t h o dw h i c h p u tp u td i s p l a c e d s o i lp r e s s u r et h e o r yf o r f o u n d a t i o n p i t d e f o r m a t i o n c a l c u l a t i o nw a sm u c hs m a l l e rt h a nt h a tc a l c u l a t e db yl i z h e n gs o f t w a r ew h i c h u s e dc l a s s i c a le a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i n gm e t h o d a n dt h ef o r m e ra p p r o a c h e d t h em e a s u r e dd a t am o r e t h er e s u l to ft e x t m e t h o dw a sal i t t l el a r g e rt h a nt h a t o ff l a c b u tb o t ho ft h e ma p p r o a c h e dt h em e a s u r e dd a t a ，w h i c hp r o v e dt h a ti t w a ss i g n i f i c a t i v et op u td i s p l a c e ds o i lp r e s s u r et h e o r yf o rf o u n d a t i o n - p i t d e f o r m a t i o nc a l c u l a t i o nf o rd e f o r m a t i o n f o r e c a s t i n g a n d d i r e c t i n g t h e e n g i n e e r i n gd e s i g nt od e v e l o pt oas a f e ra n dm o r ee c o n o m i c a ld i r e c t i o n k e yw o r d sd e f o r m a t i o n ，i n t e r n a lf o r c e ，d i s p l a c e ds o i lp r e s s u r e ，f l a c 3 a , t h e c o m b i n e d r e n t a i n i n go fs o i l n a i l i n ga n dp i l e - a n c h o r 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、 学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含 其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电 学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意 识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：巷砖力卜 签字f 期： 保证人( 导师) 繇韶金 川。幻 捌溉一z 喀7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华 北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库 提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、亍【：编以供查阅 和借阅。同意学校向围家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电予文 档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：套酃彬导师签名：毛害金 签字同期： 叩、0 签字日期：2 曲7 石 罗 。户i e 水利水- u 学院硕i 学亿论史 第一章绪论 1 1引言 随着国内外城求化进程的坷：断如i 快，使原本有限的可利用的土地急剧减少，城市 建筑物越来越密集，城市人口与摹础设施落后之f n j 的矛盾愈显突出，为缓和这一矛盾， 建筑物不断向空t i i 发展；人们在将建筑物不断向高空发展达到一定的水平之后，丌始 将目光转向地下，对地下空问的开发利用r 菇增长，这些地下空i h j 和设施包括高层建 筑地下室、地f 铁i 酋、越汀隧道、地下商业街、地f 仓库等各种形式。丌发和建造这 些地下空i 日j 和设施，首先要进行的就是人舰模的深丌挖，因此，作为深皋坑丌挖的保 障，深摹坑： 程技术也得到了不断的发展。 深基坑支护设计与施工既是我田各人城市基本建设工程中的重要关键问题，又是 岩土力学学科中比较复杂和困难的l 廿j 题。其所以重要，是【i 】于现代大城市高层建筑的 地下部分，城n r 地下交通、人防设施的要求地铁、地下竖并等均需要充分利用地下 空问。基坑丌挖深度已从几米发展到二、三十米，甚至更深”1 。可以晚，深基坑工程 朝着深、大方向发展，且多处于建筑密集地区，因此对深基坑丌挖技术提出了更严格 的要求，仅仅保证挡土支护结构的强度要求和边坡稳定是不够的，同时还要满足变形 控制的要求“”，以确保壁坑周日司的已有建筑、地下管线及道路等的安全。 掘统计近年来，我固深基坑工程一般事故发生率约占基坑工程数量的2 0 左右 有的城市甚至占3 0 左右，基坑工程事故的频频发生，造成了重大损失和严重后果 “。事故发牛的原冈有些是由于强度破坏而导致的，而近年来的事故有很多是由于 基坑的变形过大引起周l 同建筑物的破坏而造成的。凼此，深毖坑j l ：挖工程中基坑周 围的环境l u 】题是一个很晕要的工程技术题。不能把深基坑工程作为一个孤立的问题 柬考虑，如果仅仅侧重于基坑用护结构强度控制，是难于达到保护环境的目的的，而 应该把基坑工程与周r 同的环境作为一个系统加以分析，这就要求人们要从强度控制思 想到变形控制思想进行转变”。同时，在进行基坑设计时要利用多种手段对基坑内 力和变形进行合理地预测，在施 二过程【 l 要动态地做好临测。 1 2 基坑工程简介 基坑j 二程是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需j r 挖摹坑，进行施j = 降水和周 。产北水利水i u 学院坝i 学位论立 边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下管线进行监测和维护， 确保证常、安全施工的一项综合性工程，其内容包括勘测、设计、施工、环境监测和 信息反馈等工程内容。基坑工程的服务t 作面几乎涉及所有士木工程领域，如建工、 水利、港r 丁、路桥、市政、地下工程以及近海工程等“。 基坑工程是地下建筑箍工中内容丰富而富于变化的领域。工程界已越来越认识到 建筑基坑工程足一项风险工程，也是- f - 综合性很强的新型学科，它涉及到工程地质、 土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施【技术、土与结构共i j 作用以及 环境岩土工程等多门学科，是理论上尚待发展的综合性学科1 。 出于基坑工程很多都是临时性的，在造价方面限制比较紧，而影响基坑工程的因 素有很多 i z l 如工程地质条件、水文地质情况、具体工程要求、大气变化的影响、施 工顺序及管理、场地堵j 围环境等等。基坑工程的设计与施工，既要保证整个围护结构 在施工过程中的安全，又要控制支护结构及其周旧土体的变形，以保证周阳环境( 相邻 建筑及地下公共设施等) 的安全。在安全前提下，设计要合理，又要经济、方便施工、 缩短工期。因此，要提高基坑工程的设计与施 水平，必须币确选择土压力、变形计 算方法和参数，选择合理的围护结构体系，刊时还要有丰富的设计和施工经验。 基坑工程研究的主要问题有三个；稳定性、变形孱l 渗流1 。其主要内容包括：基 坑支护体系的强度和变形控制、基坑坑底和挡土墙后士体的安全和变形控制、周围 建( 构) 筑物的安全和变形控制、相关地面地下管线的安全和变彤控制、地下水的降水 止水措施等。 1 3 基坑工程的特点 随着城市建设的飞速发展，高层、超高层建筑和大中型地下市政设施门益增多， 基坑出现的问题也越来越多，一系列的问题都将促使工程技术人员以新的眼光去审视 基坑工程这一古老课题经过许许多多的工程的设计、施工，总结了新的理论和研究 方法工程一呈现“数量多、规模大、深度大、难度大”的趋势。 基坑工程的鲜明特点如下： 基坑工程具有较强的时空效应，基坑的深度和平面形状对基坑支护体系的稳定 性和变形有较大的影响；土体是蠕变体，作用在支护结构上的土压力随时i 日j 变化，蠕 变将使士体强度降低，使土坡稳定性变小。 基坑丁程具有很强的区域性，岩土是自然界很复杂的天然十才料之一，其分布离 牛北水利水f u 学院颂i 举化论文 散、随机、不均匀。基坑工程设计到点形念的土力学强度、稳定和变形问题，也设计 到土与支护结构的相互作用。耳静，对于基境工程的设计与旌工往往采用半经验半理 论的做法，要根据实际情况，强调地域性的经验和概念设计1 。 基坑工程综合性很强，不仅需要岩土知识也需要结构工程的知识。基坑工程涉 及力学中稳定、变形和渗流三个基本课题三者融在一起，需要综合处理。 一般情况下，基坑圈护是临时设施，与永久结构相比。临时结构的安全储备小 一些，因此具有较大的风险性。 1 4 基坑工程存在的主要问题 目前，基坑工程中存在的主要问题有：基坑稳定分析方法的不完善、孔隙水压力 的变化的考虑、孔隙水压力消散对土体强度及稳定性的影响、土压力理论、堆载问题、 土体的流变性”。1 。 ( 1 ) 基坑稳定分析方法 目前大多采川的是传统的极限平衡法“7 ，尽管极限平衡法多年来一直是一种边 坡稳定分析行之有效的工具，但是仍存在着一些问题，如对于填土边坡、自然边坡和 丌挖边坡统一采用极限平衡法，而不管实际情况中它们的差别。这种差别来源了挖方 边坡是卸载产生边坡，这与自然边坡和填方边坡有着本质上的4 ：同，虽然这一问题有 人进行研究，但仍不够深入。 ( 2 ) 孔隙水压力的变化 丌挖卸载将造成土体中7 l 隙水压力发，上变化，那么孔隙水压力发生变化的范围以 及以何种形式发生变化，文献“”虽有提及，但采用的是加荷引起的孔隙水压力变化的 公式。加荷与卸荷对于土体来说是两个不同的概念，以加荷时引起的孔隙水压力变化 的公式来计算反映卸荷时孔隙水压力的变化是否合适有必要作进一步的研究。 ( 3 ) 孔隙水压力消敝对土体强度及稳定性的影响 一般来说，卸荷将在土体巾产生负的孔隙水压力，随着负孔隙水压力随时i 日j 的消 散，土体中的有效应力将降低，这是一个众所周知的事实，问题是孔隙水压力消散对 土体强度及稳定性的影响怎样评估，以及如何利用负孔隙水压力这一有利的因素，值 得研究。 ( 4 ) 土压力理论 土压力的计算是褴个基坑工程中的关键，尽管对土压力的计算作过许多研究2 “， o f j t 水利水l u 学院坝i 学位论止 但学界并未对此问题达成统一认识。 ( 5 ) 堆载问题 基坑附近有超载时，会引起土压力的变化，现行的设计计算理论中需考虑了这一 问题，但是并不区分丌挖前超载与丌挖后超载，都直接当作丌挖前超载处理。事实上， 基坑丌挖过程中大量的超载是丌挖后超载，对于弹性问题，这一处理方法自然币确， 因为它合乎弹性叠加原理，但是由于土体具有明显的塑性性质，这种处理方法足否恰 当，有待商榷。 ( 6 ) 关于土体的流变性 出于土体的流变特性将导致土压力及变形随时问变化，工程实践中这种事例很 多，但对这种问题的认识仍存在着很多的问题。如黄文熙”“指出，由于蠕变，主动土 压力将变小，叶书麟则继承了这一说法”3 。但在实际工程中，实测到的主动土压力随 时问的增长而变大，被动土压力则随时i 日j 的增长而减小，因此在这罩不但存在着认识 上的问题，还存在着怎样描述的问题。 i 。5 本文所做的工作 从上述诸多事实可见，深基坑工程内力、变形预测及控制目i i i 已成为一个非常迫 切而重要的课题，需要人们在理论和实践中去深入研究。对这一课题的认谚 和深入研 究是工程分析和环境问题研究的基础，也是城市环境岩土工程研究的一个重要方面 【2 o 1 5 1 技术路线 基坑。r 程足一项复杂的岩土工程难题，本文不强调岩土工程j u j 题的某一方面，如对 岩土材料本构关系的深究，因为从解决实际工程问题的角度出发，所建立的奉构模型 能够与实际工程问题尽可能地吻合并能从根本上解释工程中所出现的各种现象已经达 到h 的。复杂的本构模型所要求的现场或室内上工试验参数很多，而以日前上工试验 及现场测试的水平很难精确获得这些复杂的数据。本文的重点放在如何运用萨确的思 想和恰当的方法去有效地解决实际工程问题上。 在基坑丌挖与支护过程中如何在安全与经济两个主要因素中寻求一个合理的平衡 点，这是基坑工程中值得考虑的一个问题。因此可以考虑部分土体出现塑性变形，而 将土体或外荷载所产生的作用主要出支撑结构来承担，因为从强度角度考虑，在基坑 丌挖与支护过程中，充分发挥和利用支护结构的高强和弹性工作状态特性( 相对土体 4 。产北水利水t u 学院颅i 学化论史= 而言) ，为问题的解决提供了一个较好的途径。 本文对现f 掸性抗力法巾的i - 压力的计算疗法作适当改进，并借助于数值模拟的手 段，将人型数值模拟软件儿 c 的有关计算结粜应用- j 本文所采用的理论计算方法的参 数选取中，并对采f j 的位移u 1 ；力理论计算： i 的j ：压力的分伽作出适假定，在此基 础l ：结合弹性抗力法的计算思路计算j ；吏务 t 结构的变形和内力。 利 反分析的分析思路，即j 1 】理论计算和数值模拟的结果指导实践，然后利 j 现 场的实测数杯反过柬再修币珲论设计结果，再用来指导实践，如此反复，使辟论设计 的结果尽量地接近实际。 1 5 2 本文所做工作 本文回顾了基坑工程的发展和现状，对目前存在的问题进行了讨论，总结了土压 力、变形计算方法理论的发展历史，对各种计算方法进行了分析、比较、总结，指出 了各种方法的优点和局限。 签于【j 前关于变形计算比较常j h 的弹性抗力法所引入的横向抗力的概念，只足简 单考虑了丌挖过程巾土体的水平变肜对于支护结构的影响，而支护结构上所受的主要 水甲荷载土压力的计算，并未考虑支护结构和土体的位移对土压力的影响。仍采 用的足经典的的朗岢库仑l 压力公式，引入了位移上压力珲论，将弹性抗力法中 作用于支护结构的水甲荷载的计算加以改进，使丌挖过稃巾支护结构 ：所受的水甲荷 载更接近真实，币j 计算出的上压力的分布如果按照实际的分伽计算足有些粥难的，本 文又对引入位移土压力理沦进行变形计算的j 二压力的分佰作了适刍的假定。 而对于位移 二压力理论中的参数s 的耿值，先足玎i 给s 初值，而足直接将s 作为一个未知量，通过公式推导柬从数学方法上求出s 。在j 具体操作过程巾发现这种 做法行不通。最后的做法是选j f jf i ， c 的计算结果，给位移l 压力模型巾的s 赋仞值 计算m 土压力，再刚弹r f 抗力法汁算 5 支护结构匕的变形。再与变形实测值进行对比。 结合工程实例，用人型数值模拟软件f l a c ”对皋坑丌挖过程，进行动念模拟， 较好地解决了桩、铺杆、土钥。联合支护，中各个结构单元的连接问题，使模掣的受力性 能更接近现场情况，对模拟得的壤坑的变形和内j 进行了分析，并与实测纣i 果以及 以前的研究成果进行对比e 证；另外，引入位移土压j j 珲沦的变肜计算的结果远小于 运用经典上压力的计算方法进行设计的理i f j 软件计算的结果，而n 更接近实测值；此 方法的结果略大于f l a c 的结果，但这两种方法与实测结果部比较接近。证明将位移 土压力理论进一步引入变形计算的做法对_ - 变形预测以及指导工程设计向更安全更 牛北水利水i u 学院坝j 学位葩立 经济的方向发展足具有一定的意义。 6 牛匕水利水i u 学院顾f 予化论文 第二章基坑支护理论与实践发展 2 1 基坑支护工程发展历史 在固外，战后的2 0 多年j 白j ，欧美地区的发达囤家在蕈建家同需要和工业化进程 的推动下，为兴建高层和超高层大厦，修建城市地铁而出现了大量的蟮坑工程。基坑 支护技术的研究随之丌展起来。最甲i 提 i 皋坑分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他 们早在2 0 纪4 0 年代就提出了预仙挖方稳定程度_ 手1 1 支撑荷载大小的总应力法”。这 一理论原理一直沿用奄今，期问经过了许多改进与修改。5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 给 出了分析深坫坑坑底隆起的方法。6 0 年4 - ) r 始奥斯陆_ 手i l 景西哥城的软枯上深肇坑中 使用了仪器进行监测。这一时期基坑支护技术发展的成就主要表现在：深化并完善了 对琏坑支护概念的认i = ，发展了j 二爪力理论，提j j 了较符合1 ：程实际的挡| ：乡占构内力 分析模型和计算方法，试验和黾测技术以及对j ：性参数的确定和土体本构模型的研究 等部得到了迅速发展。尤其是嚣种新型捎f ：结构的j j j 现和应f j 为基坑支护技术的进一 步发展丌辟了广阔的i i i 景，并积累了大量的工程经验，形成r 有较好适用r i ：的、卜经验 的设计、施j i i 和预测堆坑变形的力法。 从2 0 1 1 1 ：纪7 0 , h - 到现在的：1 0 余年洲，基坑支护技术的发展进入了一个新的发展阶 段。此期f r j 随着肇坑工程的发展i 各种挡上结构幸h 适应的设计理论不断完善，产生 了指导肇坑丌挖的法规；基坑支护的概念也发! 匕了变化，在原来的外部支护设计的 基础上提出了以加同i 二体、提高j ：体自承能力为h 的的内部支护的方法；施工机械的 发展、施j = 工艺的小断改进、新犁挡上结构材科的应用为复合型挡土结构在复杂的 深人摹坑r p 的心f h 提供了良好的条件；计算方法上应斤j 有限元理论对上_ u 三力、基坑 稳定性和基坑变形等进行联合分析的方法得到了较大发展。目丽，发展新型材料用于 加同和支挡_ j ：体， 提高坑壁土体在麟坑支护中的利j 】效果、改进施工工艺和加强施 工管理，应 j 汁算机进行计算和分析等，已经成为堆坑支护- 技术新的发展方向”。 神：我罔，从2 0h 纪8 0 年代初丌始，摹本建设蓬勃发展，高层建筑不断涌现相 应的建筑甚 l | ；埋深也往不断增加，深层丌挖电征逐渐i 钟加。这时我国丌始逐渐承 5 i ! 深 基坑设计与施i ：领域的研究，并逐渐应用r 实际工程。存深圳地区的第一个深堆坑支 护工程率先应川了信息反馈施i ：法，人人地竹省了上- t f f l 造价。 。扛i l 水利水i u 学院坝i 学位论立 进* 9 0 年代，人们对三维立体化空问的需求小断增长。一方面城市高层建筑成为 发展趋势、建筑基坑越挖越深；另一方面，地f 空i 日j 的j r 发利_ 也已成为发展趋鳄 之一，地铁、地f 商城、地f 油库和地下停年场等人型建筑物小断增多：基坑丌挖与 城市建设密集、地下管线众多、建设场地狭小、周i 到环境要求高等不利圳素的矛盾更 加突 l ：。大坡度大深度的基坑丌挖给设计、施 及蒯嘲环境保护都提：b 了许多新的问 题，使岩土工程的经典理论面临着新的课题。这一阶段，全园各地的科研机构、设计 和旌工单位，在学习国外先进理论、借签国外先进技术的基础j 二，彩l 板j r 展了基坑工 程的理论研究、试验和实测分析：各种各样的新型支护结构在我国j r 始大量应用：为 总结我国深基坑设计与施工经验，有关深基坑设计与施工的法规规范也丌始着手编制 或已经完成”“。 2 2 基坑支护结构的分类和特点 支护结构一般山支挡结构( 挡土墙) 和支撑( 或拉锚) 两部分组成。支护结构设 计必须根据基坑丌挖的深度、地质情况、场地条件、环境条件及施工条件，通过多方 案对比选择，确定安全可靠、技术可行、施工方便、经济合理的支护结构方案，以保 证工程的顺利进行。 基坑丌挖支护的方法很多，其分类目前尚无统一标准：从结构形式上分类如人 工挖孔桩、钢扳桩等足悬臂式结构，钢撑则是顶撑结构：从受力特点进行分类，如桩、 板、墙、管、撑等具有被动受力特点，喷锚支护刷则有主动特点；根据丌挖与支护特 点进行分类等1 。 2 2 1 传统方法的特点 传统方法包括桩( 人工挖孔桩、机械钻孔桩、预制钢筋混凝t ：桩、搅拌桩) ，板 ( 槽钏钢板桩、工字钢扳桩) ，墙( 地f 连续墙) ，管( 钢管桩) ，撑( 铡支撑、木 支撑、沙袋堆撑) 。 传统方法曾经对我幽城市建l 垃作 l 过重要贡献，且至今仍在发挥一定的作用。它 受力叫确，易于设计；设备简单，便r 操作；工序简化，易于施r 。其中人工挖孔桩 造价较低，工程采用率高。在工程地质条件较好，或基坑较浅( 4 - - g m ) 时，仍常见 这类方法的应用。但是，随着经济建设的发展和基坑工程新特点的出现，它与基坑的 不适应性r l 渐突 h 。 例如，当基坑沿建筑红线垂直下挖( 这种情况越来越多) 时，无论足搅拌枉i ! 或人 牛i 七水f 1 j 水i u 学院珂! i 学化论艾 工挖孔桩或足机械钻孔桩均无法施： ；基坑位于住宅区或办公楼附近，则钢板桩、预 制桩或机械钻孔桩的有害噪音对居民及上废族的影响严重，往往引起强烈反响。基境 过深( 1 5 m ) 时，土层自稳时问过短( 小于半小时) ，则地下连续墙或难于施工或肥 厚不经济；此时若使j 】钢板桩、预制桃或其他桩，也极其困难：各类支撑则是施工困 难，玎= 挖不便，拆除费事。 2 2 2 改良方法的特点 改良方法包括板锚、桩锚、墙锚、管锚、撑锚，它是当今国内外较流行的方法， 在基坑支护过程中占有二i 三导地位。改良方法的最大优点是安全度较高且其设计方法 已基本形成，施工工艺办| 1 趋完善，故近年来发展较快。目前深圳、广州较重要的工 程大都采用桩锚、墙锚或板锚法建造。为了减少工程事故，有的城建管理部门还硬性 规定，在一定深度一下，如采j j 人工挖孔桩护壁，则必须加设锚杆。 工程实践表明，采j 1 】改良法支护基坑，失败的概率确实很低”。实际上，这 是在引入先进的锚同技术之后，传统的桩、板、管、墙、撑法，变成了桩锚、板锚、 管锚、墙锚、撑锚受力性能大为改善的结果。就挡上而言，在悬臂结构上端附近加 一排或一排以上锚丰t 或拉锚，即可简化为简支( 外仲) 梁或超静定简支( 外伸) 梁， 挡土效果截然不同，土体变形将得到有效限制。 山上可见，改良方法是对传统方法的段迸，已成为一类在全i 廿界广泛应用 j 行之 有效的摹坑支护方法。但令人遗憾的足，采用改良方法建造的工程造价太高、工期过 长、噪音仍大，综合经济效益甚差。因此，改良方法也难以做到既安令又经济。 2 2 3 喷锚网支护法的特点 喷锚网支护是i 喷射混凝上、各类锚杆( 管、索、栓) 和钢筋网联合支护的简称。 它随着新奥法而j x l 靡全f i = 界。这一技术在国外岩土高边坡、人坝和l l j 体、桥墩和塔座、 地f 电站厂房、机库和油库、铁路、公路隧道及矿上巷道、人防与国防1 程巾已获得 广泛的应用”、。 岩土深举坑的喷铺网支护法，是针对不同工程地质条件尤其是特殊不良地质体如 淤泥、流砂、软上及强膨胀：和建筑设计要求所提i | j 的一整套喷锚网史护参数设计计 算方法和建造方法的总称。采用喷锚网支护法闱护岩上深基坑，不要一根杜、一块扳、 一堵墙、一根管、一根撑，完全摒弃了传统法及其被动支挡概念。它一经应用，就以 其技术的先进性显示出了强人的市场竞争力和广阔的应j f j f i i 景。 9 仁北水利水i b 学院硕l j 学位沦义 深基坑喷锚嘲支护法。以尽可能 5 i 持和最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强 度，变土体荷裁为支护结构体系的一部分为其基奉原理。喷射混凝上在高压气体作用 下高速喷向土层表面，先期骨料嵌入表土层内，并为后续料流所冲填包裹，在喷层与 土层| 日j 产生“嵌固层效应”，并随r 挖逐步形成全封闭式支护系统；喷层与嵌固层一 同具有保护和加固表土层，使之避免风化和雨水冲刷、浅层坍塌和局部剥落。锚轩( 索、 管等) 内锚固段深固于滑移面之外的土体内部，其外锚同段同唢网联为一体，可把边 壁不稳定“危机”转移到内锚同段及其附近，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。喷锚网主动支护土体，并 与土体共同工作，具有施工简便、快速、及时、机动、灵活、适用性强、随挖随支、 挖完支完、安全经济等特点。其工期一般比传统法短3 0 天到6 0 天以上，工程造价低 l o 3 0 。目莳支护最大垂直坑深己达1 8 m ，建成淤泥基坑深达l o m “。喷锚阕支 护法不仅能有效地应用于一般岩土工程深基坑支护，而且能有效地用于支护流砂、淤 泥、厚杂填士、饱和土、软土等不良地质条件下的深基坑。 2 2 4 土钉和复合型土钉墙法的特点 土钉作为一种原位加筋技术形成于7 0 年代，发展于8 0 年代。美、法、德等幽郜 曾对此做过较多的试验研究、理论分析计算和1 ：丰u 应i 旷5 。“1 。洲此，改法在囤外享誉 很高。由于其具有造价低、 ：期短、施“| i 简单等优点。近f 。年水在囤内也得到了迅速 发展和广泛应用。 土钉墙又称锚钉墙，是以短巾密的锚钥安入或打入基坑边壁士体内，将i - 体加周 成为能自稳的重力坝式的挡t 墙结构。在确定土= 钉参数、施工工艺及施t 顺序时，应 遵循下列原则：一应保持与其强度棚适应的三维应力状态，尽可能避免坑壁产生 有害的松动；二充分掌握上体的工程特性，选择与 体相适应的土钉几何布局；三迅 速及时地进行支护，支护结构宜具有一定的柔性，刚度要适宜，以适应f 韧岩的限量变 形，同时要避免产生不利的应力集中；四采用低台阶式丌挖，尽量减少土体松弛与 扰动；血合理选择每一台阶高度与每次丌挖长度，由上而f 依序丌挖，依铡上性变 化，合理选择施工机械；六对土体及土钉支护结构的应力和变形进行系统的监测， 按信息优化设计施工要求，检验设计的合理性，并及时补充修f 原设计存在的不符合 土性的缺点。 基于此，进行加筋域内部稳定分析是极为重要的。而其中潜在破裂面的确定是首 0 。产化水利水i u 学院顾i 擘化论丈 要问题。目前，在黄土类土、粉土及粉质粘土中，采用简化折线型计算模式均取得了 良好效果。 表格2 一l 列小了土钉堵法和喷锚网支护法的区别和相同之处。 表2 一l十钉和锚卡t 的比较 对比项阳锚 丰f 十钉 锚朴一殷分为内锚段、外锚i i l i i 段和i 十钉不分段 nf n 段段 构造 锚朴较k = ，其内锚i 州段般何1 ：滑移i - 5 ；j 一般较短( 3 l o m ) 钥的内端 线以外的稳定f ：体内人都首r 滑移线以内或附近 锚朴i 5 筒问”i 相对较人 ：ej 问妍；较南 1 1 i ：较女r 的岩 ：层巾铺朴以p 衡小稳 i ，作原理 定卜体压力为：e ：在特殊不良地质体 十钊旨住建芷一种斩的稳定地质体 ：剀墙 f 1 1 则以改造介质物理力学忭质为t 锚杆( 管、索、栓) 在流砂，杂填十、 十钊不适川丁流砂、杂填十、软十、， 适川范隔 软十、淤泥r 等介质均有较女r 的适j t 淤泥等枯结力较低的介质 性 复合型土钉墙是h 1 防渗帷幕、超前辅助支护与士钉组合而成，能对软土地基进行 加固，从而使上钉技术有更广泛的用途。 2 3 基坑支护结构的选择 支护结构的作用足挡士、挡水( 地下水渗流) ，为基坑丌挖和基础结构的安全， 顺利旌工创造条件：同时，要保b e 基础施工期l i 阿j 对邻近建筑物和周围环境( 道路、地 下管线、河道及防汛设施等) 不产生危害。 支护结构通常都是临时性结构，一般肇础施1 二完毕以_ i 亓就