（水利工程专业论文）深基坑支护技术在水利工程中的应用.pdf

摘要 深基坑支护技术是由于建筑物放在较深的地卜空间，基坑需要开挖，但基坑平面以外没有足够的空间供 放坡之用或此空间内存在邻近建筑物、地下管线、运输道路等不允许放坡而只能采用支护结构保护下进行垂 直开挖的设计方法和施：i 技术。高层及多层建筑的地卜室、地f 商场、地f 下库、地铁站等r 程施t ，都会 面临深基坑问题。水利水电工程中的水电站、供水泵站、排涝泵站、船闸、水闸等施工也经常遇到深基坑问 题。这类问题需要应用深基坑支护技术解决。需要认识各类支护结构的特点，根据现场条件和地质条件，选 择合适的基坑支护方案。进而采用古典力学方法、数值解析法、有限元法或其一种简化计算方法，进行支护 结构内力和变形计算，选择结构截面、支撑尺寸等。通过一定的施_ 丁方法，在支护结构保护下完成基坑开挖 及永久建筑物施_ 1 ：。 广东省潮州供水枢纽西溪发电厂房基坑最大开挖深度达1 8 5 m ，地质层火多为淤泥，设计采用地下连续 墙加钢管支撑为支护结构，冈施t i 需要修改为连续墙加钢筋混凝十支撑，并增大支撑的水平间距。基坑稳 定需要重新计算。采用弹眭地基粱法的简化实用方法计算支护结构内力，结果表明替换方案满足安全要求。 该厂房基坑施1 ：过程中遇到原设计没有考虑的高水头地f 承压水，基坑底抗浮稳定是个难题。经比较，决定 采用“局部总旋喷加吲基底+ 减压井排水”方案，通过计算抗浮稳定，满足要求。解决了开挖过程基底浮托问 题。从施：乃立程和结果来看，应用的深基坑支护技术成功地解决基坑稳定问题。 关键词：深基坑支护水利工程 a b s t r a c t m a n yb u i l d i n 昏a r el a i di i ld e 印e r 咖d e 睁吼m dw h e r ef o u i l d a t i o np i te x c a v 撕0 ni sn e e d e d b u ti 1 1 m a n yc a s e s ，m e r ei sn os u 伍c i e n ts p a c ef o rs i d e - s l o p i n gs e t c i n g - o u to u t s i d et 1 1 ef b 咖d a t i o np i to r s i d e - s l o p i n gs e 妇g - 0 u tc 锄n o tb ec a m e do u ti fo t l l e rb u i j d i 们g s ，u 1 1 d e r g i d u l l dp j p e l i n e0 r 仃锄s p o r t r o a d se x i s ti 1 1t h i ss p a c e t h e r e f o r e ，t 1 1 ed e s i 印a n d n s 仰c d o no fv e n i c a le x c a v a t i o nu n d e rt 1 1 e p r o t e c 垃o no fs u p p o n i n gs 劬c t u r e s ，n 咖e l y ，s u p p o m n gt e c l l r d q u ef o rd e e pf o u n d a t i o np i t ，i st 1 1 eo n 】y w a yt ob el l s e d t h ec o n s t r u c t j o no fl u l d e r g r o u n dc e l l a r so ft l i g h - l a y e ra n dm u h i l a y e r b u i l d i n g s ， u n d e r g r o u l l ds h o p p i n gm a l l ，u n d e r 孕o u n dg a r a g ea n ds u b 旧ys t a t j o n 晰l ib ec o 幽n t e d 州t h l e p r o b l e mo fd e 印f 嘶n d a t i o np i t 1 1 1t h ef i e l do fw a t e rc o l l s e r v a n c ya i 】dh y d r o p o w c re n 西r l e e r i i 唱，t 1 1 e c o n s m l c d o l l so fh y d i d p o w e rs t a t i o n s ，p u m p h gs 叫o n sf o rw a t e rs u p p l ya n d 蛳n a g e ，n a “g a t i o n 1 0 c k sa n ds 】i l i c e sa r eo 髓nf k e d 州t h 也ep r o b l e mo fd e 印f o u n d a d o np i t 1 h ep r o b l 锄o f t l l i s 幽d 、v i i lb es e 砌e db ys u p p o r t i n gt e c l l i l i q u ef o rd e 印f o u n d a t i o np i t i ti sn e c e s s a r yt ou i l d e r s c a i l dt h e c h a m c t e r so fm es u p p o n i n gs h u c t u r e so fv 撕o u s 卯e sa n dt oc h o o s et 1 1 es u i t a b l es c h e m ef o r f o u l l d a t i o np i ts u p p o r tb a s e do ni t sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa i l d1 0 c a lc o n d i n o n s 1 1 1 ei 彻e rf o r c e sa i l d d e f o n n a t i o no fs u p p o m n gs 仃u c n 聆sc a l lb ec a l c u l a t e db yc l a s s i c a lm e c h 砌c a lm e l l l o d ，a n a l y t i c a lo r n 啪e r i c a lm e m o d ，f e mo ras i m p l 访e dm e m o d ，s oa st od e t e r n l 心m es i z eo rd i i l l e n s i o n so f s l l p p o n j n g s 舡1 j c m r e s b yc e n a i n c o n s n c t i o nm e t l l o d ，f o u f l d a t i o np i te x c a v a t i o na n dm e c o 璐咖c t i o n so fp e m a n e ms t r u c t i l r e s 、v i l lb ec o m p l e t e du 1 1 d e rt h ep r o t e c t i o no fn l es u p p o r t i i l g s t r l l d 础s m p o w e rh o u s eo f 融i ( w e s t e mb r o o k ) e l e 砌cp o w e rp l a n to fc h a o z h o u ，a t e rs u p p l y p r o j e 瓯g u 锄鲥o n gp m v i t l c e ，i sa nu 1 1 d e r g r o u t l ds t n j c t u r e 1 1 1 eg e o 】o g i c a lc o m p o s i 石衄o fi 谘 f o u n d a t i o ni ss i l ta i 】d l em a x i r n u md e p to f i 乜f o u n d a t i o np i ti s1 8m h 1o r d e rt om e e t 血e r e q u i r e m e n to f c o 咖州o n ，m eo r i g i n a ld e s i 驴i nw 1 1 i c ht 1 1 es u p p o m n gs t i u c n ew a sc o n t i n u o u sw a l l s p l l l ss t e e lb e 撕n gp i p e s ，h a dt 0b ec h a n g e di 1 1 t oan e wo n ei nw h j c h 出es u p p o n i n g 咖c n 鹏忸s c o r n i n u o u sw a l l sp l u sr e 枷b r c e d 删eb e 撕n gb e a m so fe x p a n d e dh o r i z 0 n t a li i l t e r v a l s h e n c e ， t 1 1 es t a b i l n yo ft l l ef 0 咖d a t i o np i ts h o u l db er e c a l c u l a t e d n ei n t e m a lf b r c e so f 廿1 es u p p o r 面g s 衄l c t u r ew e r ec a l c u l a t e db yas i m p l i n e da 1 1 dp r a c t i c a lm e t l l o do fb e a r no ne l a s t i cf o u n d a t i o n ，a n dm e r e s u h ss 1 0 wt h a t 出es u b s t i n l t m gs c h e m ec a ns a t i s 母t h er e q u i 代m e n t sf b rs 缸b 吼d 岫gm e c o n 咖c t i o no f f o u n d 砒i o np i to f “sp o w e rh o u s e ，c o 曲n e dg r o u n d w a t e ro f h i 曲w a t e r h e a dw a sm 乩 w 1 1 i c hw a sn o tt a k e ni m oc o n s i d e r a t i o n 血血eo r i g i n a ld e s i g n ，t h u st h es t a b i l i 口a g a m s tn o a 廿i 培o f t 1 1 e b e do ff o 岫删o np i tw a sv 唧s 耐o u s a 船rc o m p 撕s o n ，t 1 1 es c h e m eo fm eb e ds 订e n g t h e i l i n go f f o u n d 撕o np i tb yr o t a t i l l gs p o u 血gp l l l sd r a j n a g eb yr e l i e f w e l l sw a sa d o p t e d ，a n dt h es 诅b i l 毋a g a i 埘 n o a t i n gw a ss a t i s f i e da 船rc a l c u l a t i o n t h ep r o b l e mo f m ep o t e n t i a ln o a t i n go f b e do f f o u n d 鲥o np i t d u r i n 2c o n s 虹u c t i o n 、v a ss o l v e d n l ep r o b l e mo fm es t a b i l j 母o ff o i d 撕o np i tw a ss u c c e s s 缸l l y s e m e db ys u p p o m l 培t e 蛳q u e sf o rd e 印f o u n d a t i o np i t ，a c c o r d i n gt o 血ep r o c e s sa n dr e s u l t s o f c o n s t n 】c 石o n k e yw o r d s ：d e e p f o u n d a t i o np i t s u p p o r t i n g w a t e rc o n s e r v 锄c ye n g i n e e 曲g 第一章绪论 第一章绪论 深基坑支护技术是由于建筑物放在较深的地下空间，基坑需要开挖，但基坑平面以外 没有足够的空间供放坡之用或此空间内存在邻近建筑物、地下管线、运输道路等不允许放 坡而只能采用支护结构保护下进行垂直开挖的设计方法和施工技术。 1 1 深基坑支护是水利工程施工中需要解决的问题 1 1 1 东深供水改造工程 广东省东江深圳供水工程是向香港、深圳以及工程沿线东莞城镇提供饮用源水及 农田灌溉用水的跨流域大型调水工程。它始建于1 9 6 4 年2 月，1 9 6 5 年3 月建成投产，曾 先后进行过三期工程扩建。3 0 年来，该工程对保证上述地区的经济发展和人民生活稳定起 到了重要作用。原有供水系统主要利用天然河道输水，但随着沿线地区经济发展和人口增 加，天然河道的水质持续恶化，已不能满足城市供水对水质的要求。对东深供水工程进行 改造，建设供水专用渠道，实现清污分流，并适当增加输水能力，可从根本上解决天然河 道对供水水质的二次污染问题。 东深供水改造工程主要建筑物有供水泵站、明槽、箱涵、隧洞、渡槽等，改造输水线 路总长约5 0b 。其中c 一标段主要建筑物为砼箱涵，净空尺寸为7 6 3 m ， 全线均埋入 地下，该标段大部分地段场地较开阔，可以采用临时稳定边坡进行施工，但在桩号 j 1 1 + 8 5 2 j 1 2 + 0 1 1 、j 1 4 + 0 4 5 j 1 4 + 2 2 9 两段箱涵因周边有厂房而没有足够的空间不能放坡 开挖，要采用支护技术。 根据现场实际情况，箱涵j 1 1 + 8 5 2 j 1 2 + 0 1 1 段支护采用混凝土钻孔灌注桩加锚杆支 护，儿4 + 0 4 5 儿4 + 2 2 9 段的支护方案采用混凝土地下连续墙加钢管支撑。 1 1 2 广东省潮州供水枢纽工程 潮州供水枢纽工程位于广东省潮州市境内的韩江干流，紧靠潮州市城区。该工程通过 合理调配水资源为城镇及工农业用水创造条件，是一座结合发电、兼顾航运、水环境保护 等综合利用的枢纽工程。枢纽由拦河闸、发电厂房、船闸、土坝等建筑物组成，东、西溪 各布置1 6 孔拦河水闸，东溪右岸及西溪左岸各布置一座发电厂房。 西溪发电厂房厂址处河床高程为v 2 o m ，厂房的建基面高程为v 一1 6 3 5 m ，基坑开挖 最大开挖深度达1 8 5 m ，周边环境不允许放坡开挖，采用钢筋混凝土地下连续墙加混凝土 第一章绪论 对撑支护技术，从而保证基坑开挖安全。 1 _ 2 城市地下空间的利用更加促进了深基坑支护技术的快速进展 近十多年来，广州地区高层建筑物的建设发展得很快，地下空间的充分利用，促进了 深基础的发展，随之产生了深基坑支护设计与施工问题，作者曾参加多次工程的旋工：如 广州地铁芳村站工程、广州荔湾广场、广州越秀广场、广州美国银行中心地下车库以及广 州火车东站综合楼等，都涉及到深基坑支护的应用。深基坑支护对提高工程的经济效益、 确保建设工期起到了重要作用。如何保证深基坑支护的安全可靠和经济合理，已成为当前 城市地下空间工程建设中的一项重要课题。 1 3 深基坑支护问题的研究将是长期的、充满活力的、具有挑战性的 作者从事工程施工多年，相信在未来的时间内仍可能遇到关于深基坑支护问题。水利 工程建设，特别是广东水利建设，经过一段时间开发建设后，电站建设已不多，更多的可 能是供水泵站、排涝泵站、水闸等工程的建设。一般来说，这些工程的施工现场大多不宜 进行放坡开挖，需要采用基坑支护。比如已完工建成的深圳市罗雨泵站、珠海市洋关泵站、 中山市大涌口水闸等都应用了深基坑支护技术。保证深基坑开挖安全可靠和经济合理，并 进行技术改革、创新，对未来工作都具有重要的指导意义。目前基坑支护技术在我国尚处 于发展阶段，对支护结构的计算方法尚未完全统一，因此深基坑支护问题的研究将是长期 的、充满活力的。 2 第二章深基坑支护方案选择 第二章深基坑支护方案选择 基坑开挖的施工工艺一般有两种：放坡开挖( 无支护开挖) 和在支护结构保护下开挖( 有 支护开挖) 。前者既简单又经济，在空旷地区或周围环境允许时能保证边坡稳定的条件，应 优先选用。较深基坑的开挖一般选用有支护开挖，支护分挡土部分和支撑或( 拉锚) 两部分， 结构形式有多种，深基坑支护方案的选择就是确定支护结构。 2 1 支护结构类型 支护结构分类型如下。 锚部 第二章深基坑支护方案选择 一般来说，支护结构挡土部分应具有挡土、挡水功能，有的支护结构本身既能挡土又 能挡水，有的支护结构本身不具备挡水、防渗功能，如果将此类结构用于地下水位较高地 区就需在其背后加作防水帷幕。 水泥土挡墙支护结构，依靠其本身的自重和刚度保护坑壁，一般不设支撑，属重力式 支护结构。 排桩和板墙支护结构，通常由围护墙、支撑结构、防渗结构组成，与重力式支护结构 相比，其区别不仅在于形式上，即它不仅有支护墙体，还有维持墙体稳定的支撑；而且受 力特点也与重力式支护结构不同，它主要由支护墙体起到挡土挡水的作用，而由支撑反力 和墙体入土部分所受到的被动土压力抵抗主动土压力等外荷载，达到维持支护结构平衡的 目的。 常用的支护结构特点和适用范围如下： ( 一) 挡土部分 ( 1 ) 深层搅拌水泥土桩 深层搅拌水泥土桩是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌，形成连续搭 接的水泥土柱状加固土挡墙。属重力式挡墙，利用其本身的重量和刚度来进行挡土和防渗， 截面呈格栅形，相邻桩搭接长度不小于1 5 0 m m 。 该支护结构的特点：一般坑内无支撑，便于机械化快速挖土，具有挡土、止水双重功 能，但位移相对较大，尤其是基坑长度大时。一般情况下，在软土地区优先考虑采用，基 坑深度6 m 。 ( 2 ) 钢板桩 钢板桩是一种较老的基坑支护，锤击打入地下，可作成悬臂式、坑内支撑、上部拉 锚等支护方式。作为在土方开挖和基础施工时抵抗板桩背后的水土压力，达到基坑内外稳 定。型式有u 型、一字型、h 型和组合型。 该支护结构的特点：一次性投资大，但可以拔出重复使用。一般的钢板桩刚度不够大， 用于较深的基坑时要大量的支撑( 或拉锚) ，否则变形大。适用于软土、淤泥质十及地下水 多地区，密砂及硬粘土中很难打入，多用于深5 8 m 的基坑。 ( 3 1 钻孔灌注桩 钻孔灌注桩支护结构是排桩式中应用最多的一种，用钻机钻到设计深度成孔进行灌注 砼。桩与桩之间町以有净距( 一般 1 m ) ，也可以密排( 少量缝隙) ，桩顶做连梁，使桩起整 4 第二章深基坑支护方案选择 体作用。 钻孔灌注桩支护结构的特点：刚度大、抗弯能力强、变形相对较小；施工无噪声、无 振动、无挤土。土质较好的地区可以做成悬臂式基坑，基坑内不设支撑，便于施工。适用 于各种粘土、砂土、软土等，多用于深7 1 5 m 的基坑。 ( 4 ) 地下连续墙 地下连续墙是于基坑开挖之前，用特殊挖槽设备，在泥浆护壁下开挖深槽，然后下钢 筋笼浇注砼形成的地下土中的砼墙，墙厚度多为6 0 0 8 0 0 m m 。 该支护结构特点：刚度大、整体性好、变形相对较小，处理好接头部位时，能有较好 的抗渗止水作用。施工时振动少、噪声低，对相邻建筑物和构筑物影响小，缺点是成本较 高。可用于较深基坑，基本适用于所有土质。 ( 二) 支撑或拉锚部分 深度较大的基坑，为使挡土部分经济合理和受力后变形控制在一定范围内，都需沿挡 土桩( 墙) 竖向增设支承点。如在坑内设支承称为内支撑，如在坑外拉设支承则称拉锚( 或称 土锚) 。内支撑受力合理、安全可靠，易于控制变形，但内支撑的设置给基坑内挖土和地下 结构施工带来不便，需通过换撑加以解决。用土锚挡墙，坑内施工无任何阻挡，但于软土 地区土锚的变形较难控制，且土锚有一定长度，在建筑物密集地区如超出红线尚需专门申 请，否则是不允许的。一般情况下，在土质好的地区，应用土锚，在软土地区，用内支撑。 ( 1 ) 自立式( 悬臂无支撑) 支护 自立式支护指单纯借助挡土结构自身刚度和埋深来承受土压力、水压力及上部荷载以 求得平衡及稳定，不须支撑、或拉锚的支护结构。根据受力原理，桩( 墙) 入土深度是主要 的，一般按最大弯矩计算。 该支护结构特点是坑内无须设支撑，挖土方便。各种土质皆可采用，但悬臂部分不能 太深，故较深基坑采用不合理。 ( 2 ) 土锚 土锚是一种新型受力构件，它的一端与挡土桩( 墙) 联结，另一端锚固在地基的土层中， 以承受挡土结构的侧压力，它利用了地层的锚固力维持稳定。 该支护的特点是：使用后挖土方便，锚杆要有一定的覆盖深度，要有一定抗拔力，实 际抗拔力应作试验后确定。一般适用于粘土、砂土地区，软土、淤泥土地区要试验后才可 应用，多用于灌注桩、地下连续墙等挡土结构。 ( 3 ) 钢管型钢支撑( 钢支撑) e 第二章深基坑支护方案选择 钢管型钢支撑是长期以来常用的水平支撑方法，结构由围檩、支撑和立柱组成。钢管 多用中6 0 9 、中5 8 0 等钢管、壁厚有多种选择，壁厚大者承载力高；型钢多用h 型钢，多种 规格适应不同的承载力。 钢支撑的特点是：安装和拆除速度快，材料可以重复利用，可以施加预紧力，还可以 根据挡土结构变形发展情况，多次调正预紧力值以限制挡墙变形发展，但整体刚度相对较 弱，支撑的间距相对较小，用钢量多，一次投资费用多。软土、淤泥质土、粘土地区皆适 用，对钢板桩、地下连续墙软土地区配合应用较多。 ( 4 ) 钢筋混凝土支撑 钢筋混凝土支撑结构整体刚度好、变形小、安全可靠，现场浇筑方便，但不能重复利 用，自重大，施工麻烦等，常用的支撑型式为对撑与角撑。 就支撑结构的发展方向而言，应该推广使用钢支撑，努力实现钢支撑杆件的标准化、 工具化，使制作、安装、维修一体化，但支撑结构应因地而宜，在特定条件下，钢筋砼支 撑仍有其优越性。 2 2 支护方案选择 深基坑采用何种支护型式，一方面要深刻认识上述支护型式的特点，包括其合理性、 优点和缺点，另一方面要根据工程周围环境、主体工程地下结构型式、工程地质和水文地 质情况，本着经济合理、安全可靠的原则进行选择。 2 2 1 基础资料收集 为了选择合适的支护结构和合理地组织施工，需要对影响基坑支护结构设计和施工的 基础资料，全面地进行收集，并加以深入了解和分析。主要是收集三方面的资料：工程地 质和水文地质资料；场地周围环境及地下管线状况；地下结构设计资料。 ( 1 ) 工程地质和水文地质资料 在进行基坑工程设计和施工时，必须勘察清楚基坑所处基地的工程地质和水文地质情 况。基坑工程的岩土勘察一般与主体建筑物的地基勘察同时进行，一般应提供下列资料： 场地土层的成因类型、结构特点、土层性质及夹砂情况； 基坑及挡墙边界附近，场地填土、古河道及地下障碍物等小良地质现象的分布范 围与深度，并表明其对基坑的影响； 场地浅层潜水和吭地神不承压水的埋藏情况、土层的渗流特性及产生管涌、流砂 的可能性； 支护结构设计和施工所需的土、水等参数。 第二章深基坑支护方案选择 基坑范围及附近的地下水位情况，对基坑工程设计和施工有直接影响，尤其在软土地 区和附近有水体时。为此在进行岩土勘察时，应提供下列数据和情况： 地下各含水层视见水位和静止水位； 地下各土层中水的补给情况和动态变化情况，与附近水体连通情况； 基坑坑底以下承压水的水头高度和含水层的界面； 当地下水对支护结构有腐蚀性影响时，应查明污染源及地下水流向。 ( 2 ) 场地周围环境及地下管线状况 基坑开挖带来的水平位移和地层沉降会影响周围邻近建筑物、道路和地下管线，该影 响如果超过一定范围，则会影响正常使用或带来较严重的后果。所以基坑工程设计和施工， 一定要采用措施保护周围环境，尽量减少基坑施工带来的影响，或使该影响限制在允许范 围内。为限制基坑施工的影响，在施工前要对周围环境进行以下方面的调查： 基坑周围邻近建筑物状况调查； 基坑周围地下管线状况调查； 基坑周围邻近的地下构筑物及设施的调查； 周围道路状况调查； 周围的施工条件调查。 ( 3 ) 主体工程地下结构设计资料 在进行基坑工程设计之前，应对下述地下结构设计资料进行了解： 主体工程地下室的平面部置和形状，以及与建筑红线的相对位置： 主体工程基础的桩位部置图； 主体结构地下室的层数、各层楼板和底板的布置与标高，以及地面标高。 2 2 2 支护方案的选择 收集资料完成后，就根据各种支护结构的特点选择支护方案。一般初选两个以上方案 进行费用估算，从技术经济角度综合考虑，最终选定安全可靠、经济合理的支护形式。由 于深基坑施工的特殊性，施工过程中存在大量的不可预见因素，这些因素都从不同的角度 对基坑的施工设计提出较高的要求，从而增加基坑工程的施工措施，影响基坑工程的费用， 因此选择支护形式时应综合考虑以下几个方面： 第一，基坑工程的设计旌工首先要求确保安全，方便施工，同时尽可能降低工程费用。 基坑支护是基础施工中一项临时措施，不是永久性设施，因此设计的安全度不同于永久工 程。但另一方面，深基坑施工和土方开挖，其难度和风险都很大，如无足够的安全保证， 7 第二章深基坑支护方案选择 其后果较为复杂和严重。因此设计安全度的选用对基坑工程的技术经济效果有很重要的影 响。设计中应按基坑工程的安全等级，选用相应的重要性参数，使基坑安全可靠、经济合 理。 第二，基坑支护是为基础施工服务的，因此在满足安全原则下，又要强调尽量方便土 方开挖和地下室工程施工，使综合施工费用最低。要解决好这个问题，关键是选择好支护 方案，设计前应进行多方案比较，在安全和现场条件允许下，仅可能采用自立式支护、拉 锚式支护、水平拱圈支护、锚杆支护或以上支护与内支撑结合等方案，避免采用井格式支 撑等密布复杂的支撑形式。 第三，设计支护时要十分重视合理选用土层的c 、中指标。 实践证明，软土c 、巾值选择合理与否对基坑支护的安全性和经济性有很大影响。因 此设计时要查清勘察报告中c 、中值的取值标准，并与邻近工程的勘察资料相比较，按照 有关规范的规定合理确定基础工程土体的c 、中取值。 2 3 基坑支护的设计与施工内容 基坑支护设计中首要任务就是选择合适支护型式，然后进行支护结构的计算分析，根 据计算分析进行支护结构的设计，包括结构截面、支撑或锚杆尺寸、入土深度等。 基坑支护设计一般包括以下内容： 支护的方案比较和选型 支护结构的强度和变形计算 基坑内外土体的稳定性验算 围护墙的抗渗验算 降排水要求和降排水方案 确定挖土的工况以及挖土、运土的主要措施 监测的内容 基坑支护施工，是根据设计要求，选择正确的施工方法，采用相应的施工机械进行施 工，关键是保证支护结构的质量，它关系到基坑支护的成败。 基坑支护施工一般包括以下内容： 支护结构施工； 降低地下水； 基坑土方j r 挖。 第三章深基坑支护结构计算 第三章深基坑支护结构计算 这里所研究的深基坑支护是指用于支护垂直岩土坡的桩或墙及支撑或锚杆等的支护 结构。 支护桩或墙的作用是挡土和挡水，并将主动区土压力传递到支撑系统和墙体坑底以下 入土部分的被动区土体上；支撑系统的作用是维持支护墙体的稳定。 支撑系统由围檩、支撑、立柱构件组成，其中围檩为受弯构件，将支护墙体传来的荷 载传递至支撑；支撑主要承受压力的作用，抵抗围檩传来的荷载，维持支护体系的稳定。 立柱承受支撑的自重，对支撑起支承作用，提高支撑构件的承载力和稳定性。 图3 1 为支护结构的一般形式。 7 7 倒保 缪 。： 支撑 0 ：一 荔衫 ， ，7厂一 = l 一j l ，。 支撑立柱 + ， 7 工二二二二二 一。i 7 ， ： 7 一 ；， 形 ， ： 图3 1 板墙支护体系 支护结构计算主要包括桩或墙的内力计算、支撑内力计算、基坑底稳定计算及各构件 的配筋计算，本节重点论述支护结构内力计算方法，及基坑底稳定计算方法。 3 1 支护结构的内力计算方法 一般情况下，深基坑支护结构可简化为一个受侧向土压力作用的受力结构，目前对这 种结构的计算沿用传统理论，主要分为三类：古典方法、解析方法、有限单元方法。 3 1 1 古典方法 古典方法主要是考虑力的平衡的方法，取单位宽度受侧向荷载作用的梁，作为计算模 q 第三章深基坑支护结构计算 型，这种方法可以手算，计算较简单，缺点是不能计算支护结构的位移。常用有以下几种： 悬臂式墙体计算方法： 主要依靠嵌入土内深度，以平衡侧压力，通过计算主动土压力和被动土压力来求得入 土深度和最大弯矩。如图3 2 所示。 h 、 7， 面。、 图3 2悬臂式计算简图 浅埋单层支点墙计算方法 该方法假定支点铰结无移动，墙的 入土深度不太深，故不作固端，按地下 简支计算。 ( b ) 图3 3 浅埋单层支点墙计算简图 ( a ) 土压力图( b ) 弯矩图 1 0 第三章深基坑支护结构计算 深埋单层支点墙的等值梁法 该方法假定支点为铰点，墙底为固定端，通过等值梁原理求得最大弯矩。 深埋多层支点墙的等值梁法 该方法假定多层支点为弹性嵌固，墙底为固定端，按连续梁进行，求解墙身弯矩和支 座反力。 3 1 2 解析方法 支护墙结构分析的解析方法主要有山肩邦男法、弹性法、弹塑性法，主要应用于地下 连续墙等截面刚度较大的支护结构，这三种方法中，前两种方法都假定开挖的全过程中， 支撑轴力和墙体弯矩均不发生变化。计算过程中，只考虑墙体变形，不计支撑的变形。弹 塑性法则假定支撑轴力和墙体弯矩随开挖过程变化，它同时考虑了墙体和支撑的变形。 弹性地基梁是这种方法最常用的计算方法，该法把墙看作一竖放的弹性地基梁受侧向 土压力的作用，基坑面以上的支撑可看作为一弹性支点，基坑面以下的土层可用一系列的 土弹簧的作用来代替，这样可把支护结构看作为一弹性支承的地基梁，如图3 4 所示。 7 、j 、p 、r 一1 ho e 。k 卜7 t 一 ：j 一 ， h d、? 、r - 、 图3 4 弹性地基粱法 该方法需要确定土弹簧刚度和支撑的弹簧刚度，后者可按材料力学方法，按受压或受 拉构件的弹簧刚度定义来计算。关键是土体弹簧刚度的确定，目前计算土弹簧刚度方法有 m 法、e 法、c 法等。 目前国家建筑基坑支护技术规程推荐采用的弹性支点法，就属弹性地基梁法，根 据弹性地基梁的变形方程和不同的边界条件分段列出其微分方程，如图3 4 所示。 基坑开挖面以上： e i 掣一p 口磕幻：o( o = 吃) 比 式中e i 支护结构计算宽度的抗弯刚度；y 水平位移；吃第n 工况时的基 坑深度；b s 侧向土压力计算宽度；b 0 土的抗力计算宽度；m 地基土水平抗力 系数的比例系数。 当地基为分层土时，对不同土层m 值不同，都要分别建立上式方程，由于方程式较 多，因此，上述方程求解一般采用杆系有限元方法求解，过程较为复杂。支撑力按下式计 算： 乃= ( 一) + 式中：一支撑弹簧刚度；”一由以上方法计算得到的支撑j 处的水平位移； 一支撑j 处支撑设置前的水平位移：一支撑预加的轴力： 由于在支撑设置前已产生的位移儿并不使支撑产生轴力，故应减去。 通常的弹性支点法解法较复杂，一般要采用杆件有限元数值解法求解。 3 1 _ 3 有限单元法 随着计算机的普及和发展，有限单元法得到广泛应用。 基坑开挖过程中，架设的支撑数量、作用在挡土结构上外荷载、挡土结构的位移以及 支撑轴力都会发生变化。例如，作用在挡土结构上被动侧和主动侧的水压力和土压力会发 生变化；随开挖深度的增加，支撑的架设数量会发生变化；挡土结构位移及支撑轴力在开 挖过程中，特别在支撑架设前后，都会逐渐得到调整；支撑的预加轴力会影响挡土结构的 内力变化以及三维挡土结构的空间效应问题等等。 有限单元法可真实而有效地计入上述基坑开挖过程中的各种影响因素。 这种方法把墙、土都划分为单元，通过矩阵方程，求得结构单元各结点的位移值，从 而求得结构内力。该方法理论上较完善，但计算过程复杂，对一般工程的设计，目前应用 还不很普遍。 支护结构有限单元分析方法有两类，即“弹性支点法”和“连续介质有限单元法”。建设 部建筑基坑支护技术规程j g j l 2 0 一9 9 推荐应用“弹性支点法”。弹性支点法是一种简化的 有限冗法，是最通用的有限冗分析方法，亦称为弹性地基杆系有限单元法，是弹性地基梁 第三章深基坑支护结构计算 法通过有限元求解的一种方法。 3 1 4 深基坑开挖中多支撑支护结构的增量计算法 该法是采用弹性地基粱上的结构力学解法，土弹簧刚度系数用变形模量e o 来确定。 是在弹性地基梁方法基础上进行发展和完善的实用方法。它考虑了土、墙、支撑共同作用， 特别是考虑先开挖后变形再支撑的这种基坑支护结构所特有的施工受力过程，本节介绍这 一方法。 对于地下连续墙，取单位米为宽度进行计算，把其作为一受土压力作用下的弹性地基 梁，土对墙的作用可以像w i l l k l e r 模型一样用一系列的土弹簧来表示，而弹簧的刚度系数 k 则由定义k = n 来确定，为由弹性力学中的b o u s s i n e s q 解求得的位移，n 为相应的 力。由此确定的k 是土体的变形模量e o 、泊松比“、弹簧所代表的受压土体面积6 f d 的 函数。如图3 5 所示，对开挖面以上挡土侧的土弹簧如果是受拉，则弹簧不起作用，因土 不能受拉力。此时j j ：0 ，设一个土弹簧产生的集中力为置，该弹簧代表受压土的面积为 6 i 。d ，d 为墙单元的宽度，一般取d ：1 m ，则作用于该面积上的分布压力为： 捌 g ，2 瓦万 设d 6 ，则由b o u s s i n e s 解可得在g f 作用下的位移为 ：塑g 二坐土：虫g 二坐殳国 4 蛾 一一一 图3 5 增量法计算简图 ( 1 ) 是与b d 有关的形状系数，当6 ，d ：1 o 时，( 1 ) = o 8 ，当6 d ：1 5 ，u = 1 0 8 ，当 6 d ：2 时，= 1 - 2 2 。由于不同土层相应的矗可以由e 0 来反映，因而，硬层的助大，相 应的胁也大，故由此确定的t f 可以考虑软层和硬层土的衙的差别。 1 3 尚 = 一 = 则 砖 第三章深基坑支护结构计算 为简单方便，现以图3 6 ( a ) 所示只有一个支撑的情况为例，说明增量法的计算过程 如下： “髂“。斛。薛 ( c )( d ) 图3 6增量法计算过程实例 为在开挖面以下h 处加支撑，必须先开挖到h + 日，此时，相应的荷载及计算简 图如图3 6 ( b ) 所示，吼为开挖面以上的土压力，求解后可得开挖面以下土弹簧的反力x ? 、 x ：x ：相应此时墙体的内力和位移目口可求得。 当在墙顶以下e 处加支撑，设该支撑的弹簧刚度为k ，然后由q + 日开挖到皿， 这一增量过程的计算简图如图3 6 ( c ) 所示，土压力增量为吼一目1 ，而在开挖到日。+ h 时， 即图3 6 ( b ) 的状态，k 、墨两土弹簧对土墙体作用有反力冀、x ：，当日+ h 开 挖到风时，该两个弹簧处的土体被挖去，相应的k 。、没有了，其相当于在墙上作用上 与譬、z大小相等，方向相反的两个力，如图3 - 6 ( c ) 所示，故g ：一g 。和小x ：即为这 一增量过程的荷载增量，这一荷载增量由支撑弹簧k 和开挖面以下的土弹簧共同承担，求 解之得各弹簧反力为z 1 、球一、毫、，如图3 6 ( c ) ，相应于这一增量过程的墙体内力和位 移增时即可求得。把各增量过程作用于墙上的荷载和弹簧反力增量迭加，即可得到作用 于墙上的力，如图3 6 ( d ) 所示即为图3 6 ( b ) 、( c ) 两个增量过程作用于墙上的力迭加的结果， 把图3 6 ( b ) 、( c ) 两个增量过程所得墙体内力和位移增量迭加即得到图3 6 ( a ) 所示的整个施 1 4 m 创 一 ，lllllt 。叫 第三章深基坑支护结构计算 工过程最终的墙体内力和位移。 以上是增量法的计算过程，其同样可以应用于有多层支撑或多层锚杆的情况。 3 2 深基坑稳定分析 全面地对深基坑进行稳定性分析，是基坑工程设计计算的重要环节之一。稳定分析包 括整体稳定性分析、抗倾覆稳定性分析、基底抗隆起稳定性分析和抗管涌验算等。本节简 单论述这几方面的内容。 3 2 1 整体稳定性分析 采用圆弧滑动法验算支护结构和地基的整体抗滑动稳定性时，应注意支护结构一般有 内支撑或外锚拉结构，墙面垂直的特点，不同于边坡稳定验算的圆弧滑动，滑动面的圆心 一般在挡墙上方，靠坑内侧附近，通过试算确定最危险的滑动面和最小安全系数。考虑内 支撑作用时，通常不会发生整体稳定破坏，因此，对支护结构，只设一道支撑时，需验算 整体滑动，对设置多道内支撑时可不作验算。 3 2 2 抗倾覆稳定性分析 验算最下道支撑以下的主、被动力压力区的压力绕最下道支撑支点的转动力矩是否平 衡。对坑内墙前极限被动土压力计算中，考虑墙体与坑内土体之间的摩擦角6 的影响，同 时也考虑到地基土的粘聚力，因此极限被动土压力计算公式是以朗肯公式形式表达的修正 库仑公式。 尼= 嫠 k 抗倾覆稳定安全系数： m 。抗倾覆力矩，取开挖面以下墙体入土部分坑内侧压力对最下一道 一支撑点的力矩； m ， 倾覆力矩，取最下道支撑以下墙外侧压力对支撑点的力矩。 3 2 3 基底抗隆起稳定性分析 基底抗隆起稳定性分析具有保证基坑稳定和控制变形的重要意义，同时，由于基底抗 隆起稳定性支护墙体入土深度有着直接关系，因此确定合适的墙体入土深度就十分重要， l 第三章深基坑支护结构计算 既要保证不发生基底隆起，又要保证稳定的基础上尽量减小墙体入土深度。 基底抗隆起稳定验算方法较多，常用的方法有：太沙基派克验算基底稳定性公式， 同时c 、口隆起验算法、计及墙体抵抗弯矩的圆弧滑动面抗隆起法。 3 2 4 抗管涌和抗承压水验算 在地下位移较高地区基坑开挖以后，地下水形成水头差，使地下水由高处向低处渗 流。当渗流力较大时，就有可能造成基坑底部的渗流或管涌稳定性，故应进行抗管涌验算。 当基坑不透水层较薄，上覆土重不足以抵抗下部水压时，基底就会隆起破坏，墙体 就会失稳，故应进行抗承压水验算。 ( 1 ) 抗管涌验算采用下式( 图3 7 ) t 厂一一 f 下f l 一一 n m 一 h l n i j o i 上型 图3 7 抗管涌计算简图 1 5 7 ，。( 厅7 + 2d ) y 7 式中 儿、，分别为地下水重度和土 的有效重度( 尼肌3 ) ： 7 地下水位至基坑底的 距离( 神； d 墙入土深度( m ) 。 ( 2 ) 抗承压水按式验算 1 2y 。( 矗+ f ) 蔓，f 式中，基坑底隔水层厚度( r n ) ； 第三章深基坑支护结构计算 、y 分别为地下水重度和基坑底隔水层的土体重度( 危聊3 ) 基坑底以上的承压水水头( m ) 。 第四章地下连续墙支护结构的施工 第四章地下连续墙支护结构的施工 水利工程深基坑施工主要包括降低地下水位与土方开挖施工、支护结构施工两部分， 目前采用的降水方法一般分为两类：一是表面排水，二是井点降水，表面排水主要适用于 渗水量不大的土，井点降水根据土的种类、地下水位高程，基坑壁支护方式等选用轻型井 点、喷射井点、管井井点、深井井点排水方法。 地下连续墙是水利工程基坑支护应用较多的挡土、挡水结构，其施工是深基坑支护成 功与否的关键，本节主要论述地下连续墙支护结构的施工。 4 1 地下连续墙施工工艺过程 基坑开挖前，先根据地面建筑物布置定出连续墙位置，修筑导墙。用特制挖槽机械在 泥浆护壁的情况下，开挖一定长度的沟槽( 称为“单元槽段”) 。待沟槽开挖至设计深度并 清除沉淀的泥渣后，将地面加工好的钢筋骨架用起重机吊放入充满泥浆的沟槽内。采用水 下浇筑砼的方法，用导管在沟槽内由底向上浇筑砼。随着砼的浇筑，泥浆逐渐被置换，待 砼浇至设计标高，本单元槽段的地下钢筋砼墙施工完毕。 各单元槽段之间用特制接头连接成连续的地下钢筋砼墙。地下连续墙在基坑周l 重i 呈封 闭形状，既可挡土又可防水抗渗。 地下连续墙施工工艺过程通常如图4 1 所示。 图4 1 地下连续墙施工工艺过程 第四章地下连续墙支护结构的施1 ：= 4 2 主要施工方法 4 2 1 修筑导墙 4 2 1 1 导墙的作用 导向作用。作为地下墙成槽的导向标准： 容蓄泥浆。在成槽施工中稳定泥浆液位，以维护槽壁稳定： 维持表层土层的稳定，防止槽口塌方： 支承面槽等施工机械设备荷载： 作为测量基准线。 4 2 1 2 导墙施工 导墙一般采用c 2 0 混凝土，高出地面1 0 c m 左右，以防止地面水流入槽内： 施工工序 平整场地，测量定位卜挖槽及处理弃土+ 绑扎钢筋支模板 浇筑砼拆模卜导墙外侧回填土。 4 _ 2 2 泥浆护壁 4 2 2 1 泥浆作用 ( 1 ) 护壁作用。泥浆具有一定的密度，如槽内泥浆液面高出地下水位高度，泥浆在槽 内就对槽壁产生一定的侧压力，相当于一种液体支撑，可以防止槽壁倒坍和剥落，并防止 地下水渗入。 ( 2 ) 携渣作用 泥浆具有一定的粘度，它能将钻头式挖槽机挖下来的土渣悬浮起来，既便于土渣随同 泥浆一同排出槽外，又可避免土渣沉积在开挖面上影响挖槽机械的挖槽效率。 ( 3 ) 冷却和润滑作用 泥浆可降低钻具连续冲击或回转而引起的温度，又具有润滑作用，从而减轻钻具的磨 损。 4 2 2 2 泥浆拌制 泥浆的主要材料有：粘土、纯碱、羧甲基纤维素( c m c )