某高层住宅楼基坑工程设计.doc

1 前言1.1总述近年来我国随着经济和城市建设的迅速发展，特别是我国的大中型城市，高层和超高层建筑发展迅速。与此同时，地下工程愈来愈多。而高层建筑多有较深的地下室，所以高层住宅楼基坑工程的设计和要求日趋重要。基坑工程是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和周边的围挡，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。确保正常、安全施工的综合性工程。基坑工程面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，存在以下一些不确定因素11、外力的不确定性作用在支护结构上的外力不是一成不变的，而是随着环境条件、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变。2、变形的不确定性变形控制是支护结构设计的关键。但影响变形的因素很多，围护墙体的刚度、支撑(或锚杆)体系的布置和构件的截面特性、地基土的性质、地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管理水平等等均为产生变形的原因。3、土性的不确定性地基土的非均质性(成层)和地基土的特性不是常量，在基坑的不同部位、不同施工阶段土压力是变化的，地基土对支护结构的作用或提供的抗力也随之变化。 4、一些偶然因素变化所引起的不确定性施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素均会影响基坑的正常施工和使用。目前，在基坑工程中发生事故的概率，往往高于主体工程。由于存在以上四大不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工制订一套标准模式，或用一套严密的理论和计算方法，把握施工中可能发生的各种变化。只能采用理论计算与地区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计。1.2基坑工程的内涵基坑工程，为保证基坑施工，主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水、土方开挖和回填，包括勘察、设计、施工和检测等，称为基坑工程。基坑工程是土力学基础工程中一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程问题，既涉及到土力学中典型的强度、稳定与变形问题，同时还涉及土体和支护结构的共同作用问题。基坑工程具有以下特点：（1）建筑趋向高层化，基坑趋向深度化发展。（2）基坑开挖面积大，长度和宽度超过百米甚至数百米，给支撑布置带来较大难度。（3）在软弱地层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施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不利。（5）在相邻场地施工中，打桩、降水、挖土及基础浇筑混凝土等工序会互相制约与影响，增加协调工作的难度。基坑工程所包括的内容可以用下图大概的表示出来。基坑工程基坑支护工程 围护结构支护结构撑支锚体系撑锚体系降水技术降水技术土体加固土体加固土方开挖施工土方开挖施工施工监测与控制施工监测与控制基坑开挖根据场地条件、地质情况，施工开挖方法可采用无支护的放坡开挖和有支护的垂直开挖。放坡开挖时，开挖坡面不需任何支护，而用放坡方法开挖保持土体稳定，其优点是不必设置支护结构。主体结构施工时，场地较大，便于施工布置，而其缺点是开挖工程量相对较大，而且占用场地较大，适用在旷野采用明挖修建地下工程的情况。在场地受限的情况下，采用有支护的垂直开挖，这必须对基坑边壁设置支护，这样的基坑工程在城市大型工程中常可见到。为了保持基坑侧壁稳定及邻近建筑物的安全，需采用基坑边壁的支护加固措施，包括围护墙、支撑系统、围檩、防渗帷幕等总称为支护结构。基坑工程是建筑工程的辅助工程，基坑支护结构的主要功能是挡土和防水，以使主体结构顺利施工，且不影响或减少一些周边环境。从挡土功能考虑，基坑支护可分为两大类，即支护型和加固型。支护型是将支护结构作为主要受力构件支挡坑壁可能形成的水土压力；加固型则是加固土体强度，维持坑壁稳定。支护型包括板桩墙、排桩、地下连续墙等结构形式，加固型包括水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、土工锚杆支护、土钉支护等。实际工程中，常将它们结合起来而形成混合结构。目前经常采用的支护类型及其特点概括如下：（1）水泥搅拌桩围护结构 其优点是形成重力式挡土墙，不需要支撑，基坑内挖土方便，搅拌桩施工时无环境污染（无噪声、无振动、无排污）、造价低、防渗性好，但这种围护结构往往要求基坑周围有一定空间布置搅拌机，且只宜用于开挖深度不大的基坑工程。（2）排桩围护加内支撑（或土锚） 外侧加一排水泥土桩，形成抗渗帷幕，这种排桩支护适用于较深的基坑，但造价较高。（3）地下连续墙围护加内支撑（或土锚） 这种支护结构施工时对周围环境影响较小，对土层条件适应性强，墙体抗弯强度、防渗性能和整体性均较好，可做整体结构的一部分，但其造价更高，施工技术要求更高。（4）土钉墙支护 基坑周围不具备放坡条件，地下水位较低，邻近无重要建筑或地下管线，基坑外地下空间允许土钉占用时可采用土钉墙支护。基坑工程的设计涉及的内容包括围护结构、支撑系统、挖土方案、换撑措施、降水方案、地基加固等，这些方面常常是互相关联的，在基坑工程设计时必须综合考虑。目前，基坑支护结构设计一般是在主体结构施工前进行。值得注意的是一些场地狭小、主体结构与围护结构互相影响。围护结构兼作主体结构的一部分时，基坑支护结构设计应在主体结构方案中给予考虑，基坑支护结构的设计原则为八个字：安全经济、施工简便。（1）安全可靠 满足支护结构强度、稳定及变形的要求，确保周围环境的安全。（2）经济合理 在安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工及环境保护等方面综合确定具有明显经济效果的方案。（3）施工便利并保证工期 在安全可靠、经济合理的原则下，最大限度的满足方便施工（如合理的支撑布置，便于挖土施工），缩短工期。根据国家标准建筑基坑支护技术规程（JGJ120-1999）的规定，基坑支护结构应采用分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。基坑支护结构的极限状态，可以分为下列两类：（1）承载能力极限状态 对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。（2）正常使用极限状态 对应于支护结构的变形已妨碍地下结构的施工或影响周边环境的正常使用功能。基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行计算。建筑基坑支护技术规程（JGJ120-1999）规定，基坑侧壁的安全等级及重要性系数0，见表 1-1 。表 1-1 基坑侧壁安全等级及重要性系数安全系数破坏后果重要性系数0一级支护结构破坏，土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏，土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏，土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.90近年来，武汉、深圳和上海等地陆续制定了基坑工程方面的地方标准，总结了基坑工程的设计、施工经验，用以指导工程实践。例如根据上海市标准基坑工程设计规范（DBJ 08-61-1997）,可把基坑按重要性分为以下3级：（1） 符合下列情况之一时，属于一级基坑工程：1）支护结构作为主体结构的一部分时；2）基坑开挖深度大于等于10m时；3）距基坑边两侧开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需要严加保护时。（2）开挖深度小于7m，且周围环境无特别要求时，属于三级基坑工程。（3）除一级和三级基坑工程以外的，均属于二级基坑工程。1.3基坑工程设计，施工现状 基坑工程是设计与施工、理论与实践密切相关的一门学科。基坑工程的成败，当然与计算理论有关，但亦与施工方案的正确与否、是否严格按计算采用的施工工况进行施工、施工质量的好坏等密不可分。 基坑工程施工，是否严格遵照设计要求，是很关键的问题。回顾过去基坑工程施工中产生的事故，除设计错误或考虑不周者外，绝大多数皆与此有关。 对水泥围护结构，施工过程中搅拌是否均匀，搭接长度是否足够，水泥掺入量是否符合设计要求，相邻桩的施工间歇时间是否超过规定，土方开挖前的养护时间是否达到设计要求，土方开挖是否分层开挖等一系列的问题，皆影响水泥围护结构的强度、稳定和抗渗透能力。该围护结构的成败，在很大程度上取决十施工质量。 板式支护体系由围护墙、围镖与支撑体系、防渗与止水结构等组成。围护墙结构常用形式有桩排式围护墙和板墙式围护墙。对十这类支护体系，同样，施工质量产生巨大的影响。如钢板桩的施工，打设的垂直度如何，相互咬合是否紧密，支撑是否顶紧等，都影响板桩墙的变形和抗渗能力。 如目前应用较多的钻孔灌注桩围护墙，其桩位偏差和桩身垂直度偏差，桩孔成孔的质量，钢筋笼加工质量和下放位置、混凝土的强度等级，防渗帷幕水泥土搅拌桩的施工质量，支撑和围镖的施工质量和形成时间等，皆影响这种支护体系的强度、稳定、变形和抗渗能力。一旦某个环节的施工质量不保证，土方开挖后会带来一些麻烦，须及时补救，严重者则会带来后果严重的事故。地下连续墙围护结构是一种整体性较强、受力性能和抗渗能力较好的围护结构。但如果接头不好，墙身浇筑质量不保证，混凝土强度等级达不到要求，亦会削弱其受力性能和抗渗能力，给基坑工程带来不利影响。 为此，基坑工程施工是基坑工程的重要组成部分，要严格按照设计要求和有关施工规范规程进行施工。2基坑支护的形式和合理选型22.1常用基坑支护的形式2.1.1放坡开挖无支护式放坡开挖的基坑工程是指不需要采用支护结构的基坑开挖工程，开挖深度可深可浅，主要取决于工程要求和地质条件及周边场地环境条件。根据地下水条件及排水方式可分为无地下水的一般放坡开挖、明沟排水放坡式开挖及井点排水放坡式开挖等。放坡基坑工程可以为地下结构主体的施工创造最大限度的工作场地，方便现场工程布置，因此在场地环境条件和地质条件允许的情况下，应优先选择放坡开挖。见图 1 。图 1 放坡开挖50年代初，轻型井点试验成功后，在放坡开挖基坑周围用井点降水法疏干地层，提高边坡和基坑底的稳定性。随着井点降水技术的不断发展，使开挖深度得以不断加深，放坡角度逐渐加大。1973年，上海石化总厂排水泵站工程的基坑深度达78米。1979年，在宝钢总厂排水泵站工程中采用多层井点，使放坡开挖的基坑深度达8.5米，边坡坡角超过600；在宝钢总厂砂性土层的7米深排管沟槽开挖中，沟槽两侧采用喷射井点降水，使边坡坡角增大至65。1985年，在上海真北路下立交箱涵顶进基坑中，对很软弱的流塑粘土层采用电渗井点降水法加固基坑边坡，使6米深，45边坡的基坑得以稳定。适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制无严格要求，价钱最便宜，回填土方较大；但是在城市建筑物日益密度化的今天，放坡开挖已经逐渐不能体现当年的优势。2.1.2深层搅拌水泥土围护墙支护深层搅拌水泥土围护墙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体挡墙。它是近年来发展起来的一种重力式支护结构。它是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌，形成柱状的水泥加固土（搅拌桩），见图 2 。 图 2 水泥土墙 1搅拌桩 2插筋 3面板用于支护结构的水泥土其水泥掺量通常为12%15%（单位土体的水泥掺量与土的重量之比），水泥土的强度可达0.81.2MPa，其渗透系数很小，一般不大于10.6cm/s。由水泥土搅拌桩搭接而形成水泥土墙，它既具有挡土作用，又兼有隔水作用。它适用于4m6m深的基坑，最大可达7m8m。水泥土围护墙优点：由于一般坑内无支撑，便于机械化快速挖土；具有挡土、止水的双重功能；一般情况下较经济；施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微，因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点：首先是位移相对较大，尤其在基坑长度大时，为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移；其次是厚度较大，只有在红线位置和周围环境允许时才能采用，而且在水泥搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。2.1.3高压旋喷桩支护高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆，它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体，相互搭接形成排桩，用来挡土和止水。高压旋喷桩的使用费用要高于深层搅拌水泥土桩，但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，并且施工机具的震动很小，噪音也很低，不会对周围建筑物带来震动的影响和产生噪音等公害，它可用于空间较小处，但施工中有大量泥浆排除，容易引起污染。对于地下水流速过大的地层，无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质，由于喷射的浆液无法再注浆管周围凝固，均不宜采用该法。见图 3 。 图 3 高压旋喷桩1钻机 2高压注浆泵 3空压机 4高压水泵 5喷嘴 6单管 7双重管8三重管 9储浆桶 10灰浆搅拌机 11水箱 12水泥库 13喷射注浆加固体 2.1.4锚喷网支护锚喷网支护技术是一种新兴的边坡支护技术，与普通的桩及桩加锚杆支护相比，具有施工工艺灵活，无噪音，无污染，工程造价低等特点。与传统支护方法相比，其支护造价可节省50%60%。具有明显的经济效益和社会效益，推广应用前景良好。喷锚网支护是靠锚杆、钢筋网和混凝土层共同作用来提高边坡岩土的结构强度和抗变形刚度，减小岩（土）体侧向变形，增强边坡的整体稳定性。见图 4 。主要适用于岩性较差、强度较低、易于风化的岩石边坡；或虽为坚硬岩层，但风化严重、节理发育、易受自然应力影响、导致大面积碎落，以及局部小型崩塌、落石的岩质边坡；或岩质边坡因爆破施工，造成大量超爆、破坏范围深入边坡内部，边坡岩石破碎松散、极易发生落石、崩塌的边坡防护。图 4 普通锚杆与喷射砼面层连接大样2.1.5槽钢钢板桩支护5060年代初，对开挖深度大于3米的沟槽和基坑，基本上都采用槽钢板桩作支护结构，但因其接头不密封而且刚度较小，开挖深度限于6米左右。60年代开始，在下水道开槽施工中，采用在沟槽外侧或内侧设置轻型井点或喷射井点疏干地层的措施，使饱和含水砂性土和软弱粘性土加砂层中的钢板桩支护开槽深度可达8米。1966年，为上海打黄浦路隧道工程引进20米长的赖森5型钢板桩，用以完成黄浦江两岸矩形暗埋隧道段的12米深大基坑的施工。70年代，在上海军工路下立交工程中，采用上部放坡开挖与下部钢板桩支护开挖相结合的施工方法，并辅以井点降水措施，满足了基坑开挖深度的要求。80年代初，在建设宝钢的排水工程中，采取同样方法，使基坑开挖深度达12米。80年代中期，开始在控制地面变形要求不高的大型基坑工程中，采用锚杆做拉撑的钢板桩支护体系，解决钢板桩支护基坑的稳定。为解决拔钢板桩所引起的土层移动问题，1991及1992年，上海浦西和浦东两个紧靠多层建筑的钢板桩支护的基坑拔桩时，跟踪打设布袋桩或压注粘土、粉煤灰及水泥拌制的浆体，充填拔桩所形成的地层空隙，有效的控制地面沉降和地下结构沉降。其特点为：钢槽具有良好的耐久性，基坑施工完毕回填土后可将钢槽拔出回收再次使用；施工方便，工期短；不能挡水和土中的细小颗粒，在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施；抗弯能力较弱，多用于深度小于等于4米的较浅基坑或沟槽，顶部宜设置一道支撑和拉锚；支护刚度小，开挖后变形较大。见图 5 。图 5 板式支护结构1板桩墙 2围檩 3钢支撑 4斜撑 5拉锚 6土锚杆 7先施工的基础 8竖杆2.1.6钢筋混凝土板桩支护70年代末，上海宝钢厂区排水工程施工中，采用企口式钢筋混凝土板桩，作为大型管道开挖沟槽的支护结构，而且又与内衬管道的边墙相结合，成为永久性结构的一部分，具有施工简洁和将板桩用于结构的优点。80年代建造的上海龙吴路立交和延安东路隧道浦西引道段，均采用这种支护方法。钢筋混凝土板桩具有施工简便、现场作业周期短等特点，曾在基坑中广泛应用，但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法，震动与噪音大，同时沉桩过程中挤土也较为严重，在城市工程中受到一定限制。此外，其制作一般在工厂预制，在运至工地，成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计，目前已可制作厚度较大（如厚度达500mm以上）的板桩，并有液压静力沉桩设备，故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。2.1.7钻孔灌注桩支护钻孔灌注桩是按沉桩方法分类而定义的一种桩型。灌注桩由最早的100多年前的1893年，因为工业的发展以及人口的增长，高层建筑不断增加，但是好多城市的地基条件比较差，不能直接承受由高层建筑所传来的压力，地表以下存在着厚度很大的软土或中等强度的粘土层，建造高程建筑如仍沿用当时通用的摩擦桩，必然产生很大的沉降。于是，工程师们借鉴了掘井技术发明了在人工挖孔中浇筑钢筋混凝土而成桩。于是在随后的50年之后，即20世纪40年代初随着大功率钻孔机具的研制成功首先在美国问世，二战后，世界各地特别是欧美发达国家经济复苏与发展，钻孔灌注桩在高层、超高层的建筑物和重型构筑物中北广泛应用。当然，在我国，钻孔灌注桩设计及施工水平也得到了长足的发展。其多用于坑深715米的基坑工程，在我国北方土质较好地区已有89米的臂桩围护墙。施工顺序见图 6 。图 6 泥浆护壁钻孔灌注桩施工顺序图1泥浆泵 2钻机 3护筒 4钻头 5钻杆 6泥浆 7沉淀泥浆 8导管 9钢筋笼 10隔水塞 11混凝土 钻孔灌注桩具有以下技术特点：（1）施工时基本无噪音、无振动、无地面隆起或侧移，因此对环境和周边建筑物危害小；（2）大直径钻孔灌注桩直径大、入土深；（3）对于桩穿透的土层可以在空中做原位测试，以检测土层的性质；（4）扩底钻孔灌注桩能更好的发挥桩端承载力；（5）经常设计成一柱一桩，无需桩顶承台，简化了基础结构形式；（6）钻孔灌注桩通常布桩间距大，群桩效应小；（7）某些利用“挤扩支盘”钻孔灌注桩可以有效减少桩径和桩长，提高桩的承载力，减少沉降量；（8）可以穿越各种土层，更可以嵌入基岩，这是别的桩型很难做到的；（9）施工设备简单轻便，能在较低的净空条件下设桩；（10）钻孔灌注桩在施工中，影响沉桩质量的因素较多，质量不够稳定，有时候会发生缩径、桩身局部夹泥等现象，桩側阻力和桩端阻力的发挥会随着工艺而变化，且在较大程度上受施工操作影响；（11）因钻孔灌注桩的承载力非常高，所以进行常规的静载试验一般难以测定其极限荷载，对于各种工艺条件下的桩受力，变形记破坏机理现在尚未完全被人们掌控。设计理论有待进一步完善。2.1.8地下连续墙支护（支护结构中最强的支护形式）虽然地下连续墙已经有了50多年的历史，但是要严格分类，仍是很难得。（1）按成墙方式可分为：1）桩排式；2）槽板式；3）组合式。（2）按墙的用途可分为：1）防渗墙；2）临时挡土墙；3）永久挡土（承重）墙；4）作为基础用的地下连续墙。（3）按墙体材料可分为：1）钢筋混凝土墙；2）塑性混凝土墙；3）固化灰浆墙；4）自硬泥浆墙；5）预制墙；6）泥浆槽墙（回填砾石、粘土和水泥三合土）；7）后张预应力地下连续墙；8）钢制地下连续墙。（4）按开挖情况可分为：1）地下连续墙（开挖）；2）地下防渗墙（不开挖）。地下连续墙是在地面以下为截水防渗、挡土、承重而构筑的连续墙壁。1951年，意大利用连锁冲孔法，在那不勒斯水库及米兰地下汽车道施工中，构筑帷幕墙取得成功。1954年起在欧洲广泛使用。1956年，墨西哥、巴西、加拿大开始采用。1963年，美国开始采用。1958年，中国在山东月子口水库，开始采用冲孔桩排式地下连续墙作为坝体防渗帷幕墙。70年代初，在工业与民用建筑及矿山建设中推广。适用范围：地下连续墙施工震动小、噪声低、墙体刚度大、防渗性能好，对周围地基无扰动，可以组成具有很大承载力的任意多边形连续墙代替桩基础、沉井基础或沉箱基础。对土壤的适应范围很广，在软弱的冲积层、中硬地层、密实的砂砾层以及岩石的地基中都可施工。初期用于坝体防渗，水库地下截流，后发展为挡土墙、地下结构的一部分或全部。房屋的深层地下室、地下停车场、地下街、地下铁道、地下仓库、矿井等均可应用。施工工艺：在挖基槽前先做保护基槽上口的导墙，用泥浆护壁，按设计的墙宽与深，分段挖槽，放置钢筋骨架，用导管灌注混凝土置换出护壁泥浆，形成一段钢筋混凝土墙。逐段连续施工成为连续墙。工序示意图见图 7 。图 7 地下连续墙施工工序示意图1成槽机 2接头管 3钢筋笼 4导管 5混凝土地下连续墙之所以能得到广泛的应用，是因为其具有两个突出的优点：一是对邻近已有建筑物和地下管线的影响较小，二是施工时无噪声、无振动，属于低公害的施工方法。对于一些新建或扩建地下工程因四周临街或与现有建筑物紧相连接；有的由于地基比较松软而打桩会影响邻近建筑物的安全和施工产生噪声；还有的工程由于受环境条件的限制或由于水文质地和工程地质条件复杂，很难放置排水井点等；这些情况下，采用地下连续墙支护具有明显优越性。除此之外，地下连续墙施工工艺也较其它施工方法具有其优越性，如施工振动小。无噪声，能在建筑物、构筑物密集地区施工，而不影响邻近建筑物安全；地下连续墙能兼作基坑支护和地下主体结构的一部分；可结合逆作法施工，加快工程进度，缩短工期等。地下连续墙也存在一定得局限性和不足，这些主要体现在，在坚硬地层中成槽困难，施工管理不当时可能造成泥浆污染施工现场，需要有大型专用施工机械设备。2.1.9土钉墙支护“土钉”源自法文Clouage de Sol,英文翻译为Soil Nailing,在国外又被称为原位加筋横向支撑系统。国内使用土钉时常将其称为砂浆锚杆，土钉支护也被称为锚钉支护或喷锚网支护。土钉时国外先发展起来的边坡支护技术，由于土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来完成的，因此也被国内岩土工程界称为砂浆锚杆，近年来，我国沿海地区又提出复合土钉支护技术。“复合土钉”是今年来在我国沿海地区发展起来的复合型土钉支护。其背景是我国沿海地区经济建设活跃但多数城市地层条件差，而普通土钉支护不能适用于不良地层。在工程实践中，我国广大科技人员在土钉支护的基础上因地制宜的采用多种支护形式共同作用，以弥补普通土钉支护在防水、变形、强度等方面的不足。施工简图见图 8 。图 8 土钉墙施工简图土钉是一种边坡稳定式的支护，其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同，它是起主动嵌固作用，增加边坡的稳定性，使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好的地区，我国华北和华东北部一带应用较多，目前我国南方地区亦有应用，有的已用于坑深10米以上的基坑，稳定可靠、施工简便且工期短、效果好、经济性好，在土质较好的地区应积极推广。2.2基坑支护的选型基坑支护设计中的首要任务就是选择合适的支护型式，然后进行支护结构的计算分析。2. 2. 1基坑支护选型的原则要合理选择基坑支护的型式，一方面要深刻了解各种支护型式的特点，包括其合理性、优点和缺点，另一方面要结合地质条件和周边的环境和工程造价进行综合考虑。因此，大的原则主要考虑三个方面: 1）、不同基坑支护型式的特点; 2）、地质条件和周边的环境; 3）、工程造价; 而对不同基坑支护型式的特点的认识是很重要的。2. 2.2基坑支护选型的建议 基坑支护型式的合理选择，是基坑支护设计的首要工作，应根据地质条件、周边环境的要求及不同支护型式的特点、造价等综合确定。 一般当地质条件较好的，周边环境要求较宽松时，可采用柔性支护，如土钉墙等;当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩或地下连续墙等。同样，对于支撑的型式，当周边环境要求较高，地质条件较差时，采用锚杆易造成周边土体的扰动并影响周边环境的安全，可采用内支撑型式较好;当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求高时，可采用地下连续墙加逆作法这种最强的支护型式。基坑支护最重要的要保证周边环境的安全。2. 2. 3支护结构方案选择的依据基坑支护结构方案的选择主要依据以下几个方面: 1、基坑开挖的深度、基坑的面积及形状; 2、地下室的层数及结构状况，如地下室层高、底板及中楼板的厚度、地下室墙板的厚度、内墙分布状况等; 3、地下室所在场地的工程地质与水文地质条件，主要是土层分布、各土层的含水量、重度、抗剪强度、c,值渗透系数、压缩模量、基床系数及地下水位等; 4、基坑周围环境，包括临近建筑物、地下管线、其他恒荷载及活荷载; 5、挖土及降水方法及总的施工流向;6、施工工期及工程造价。2. 2. 4基坑支护结构方案选择的建议1、支护结构可根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件，按下表选用排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙、原状土放坡。2、支护结构选型应考虑结构的空间效应和受力特点，采用有利支护结构材料受力性状的形式。3、软土场地可采用深层搅拌、注浆、间隔或全部加固等方法对局部或整个基坑底土进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力。2.3设计依据及设计原则2.3.1设计依据（1）国家行业标准岩土工程勘察规范（GB50021-2001）；（2）国家行业标准建筑基坑工程技术规范（YB9258-97）；（3）国家行业标准建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）；（4）上海市标准建筑基坑支护技术规程（DBJ08-61-97）；（5）国家标准建筑地基基础施工规范（GB50007-2002）；（6）上海市标准地基基础设计规范（DGJ08-11-97）；（7）国家标准混凝土结构设计规程（GB50010-2010）；（8）国家标准混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）；（9）国家标准建筑地基基础工程施工质量验收规范（GB50204-2002）；（10）其他相关规范和规程。2.3.2设计原则（1）施工过程中确保基坑内工程桩的完好。（2）在确保基坑安全施工的情况下，使工程施工尽可能方便、快速及造价低廉。（3）保证基坑支护结构安全可靠及土体的整体稳定性，同时确保支护结构在施工期的安全。3工程实况本工程是位于武汉市江夏区的某高层住宅楼，拟建工程地上为16层，地下为2层，占地面积约为8600m2。本基坑东侧、北侧和西侧已用围墙围好，东侧围墙以外为二层砖房。北侧围墙外为环城公路，公路已北为6层框架结构办公大楼（桩基础）。西、南面为高速公路。基坑平面形状为规则长条形，本工程+0.000相对于黄海高程6.15m,场地平整后的绝对地面高程4.350m（相对高程-1.800m）。基坑尺寸约11255m,平均开挖深度为13m,开挖深度范围内下部土质条件比较差。根据岩土工程勘察报告，本工程无地下管网，基坑开挖影响范围内底层主要为细中砂、砂质粘土和粉质粘土。本基坑可定为II级基坑工程。4工程地质条件及周围环境条件4.1工程地质条件根据岩土工程勘察报告，在基坑开挖影响范围内土层情况如下：1层 杂填土黄色、灰色，干湿，松散，由混凝土块、块石、碎石混少量粘性土组成，均一性差。本层全场分布，平均厚度2.0m。2层 粉质粘土灰色、黄灰色，饱和，软塑（稍密），似层状，粉粒含量较高，局部为粉质粘土。切面粗糙，韧性、干强度低，摇震反应迅速。本层全场地分布，具中压缩性，平均层厚3.8m。3层 砂质粘土层灰色、饱和，流塑，厚层状，局部含有机质及泥炭，干强度、韧性高，摇震无反应。本层全场地分布，层厚6.80m。4层 细中砂土层灰绿色、灰黄色，含铁、锰质斑。本层全场分布，平均厚度4.8m。5层 中粗砂土层砖红色，上部呈硬塑粘性土状，下部碎块状，节理发育。平均厚度9.2m。基坑开挖影响范围内底层物理力学参数见下表： 表4-1 各土层物理力学序号土体名称土层厚度（m）重度（）粘聚力C（）内摩擦角（度）1层杂填土218.30102层粉质粘土3.81928253层砂质粘土6.81826264层细中砂土4.818.80344.2地下水条件地下水位在地面以下4.5m处，含水层平均渗透系数为：。5基坑支护结构形式选择基坑支护结构形式必须综合考虑地下室特点、周围环境和工程地质条件等因素，才能得到安全可靠、经济合理、施工方便的基坑支护方案。5.1土钉与加筋土挡墙、土层锚杆的比较5.1.1土钉与加筋土挡墙比较尽管土钉技术与前述加筋土挡墙技术有一定得类同之处，但仍有一些根本的区别。（1）主要相同之处：1）加筋体（拉筋或土钉）均处于无应力状态，只有在土体产生位移后，才能发挥其作用。2）加筋体抗力都是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供的，加筋土内部本身处于稳定状态，它们承受着其后外部土体的推力类似于重力式挡土墙的作用。3）面层（加筋土挡墙面板为预制构件，土钉面层是现场喷射混凝土）都较薄，在支挡结构的整体稳定中不起主要作用。（2）主要不同之处：1）虽然竣工后两种结构的外观相似，但其施工程序却截然不同。土钉施工是“自上而下”，分步施工。加筋挡土墙的施工则是“自下而上”。这对筋体应力分布有重大影响，施工期间尤为明显。2）土钉是一种原位加筋技术，主要是用来改良天然土性的，不像加筋土挡墙那样，能够预定和控制加筋填土的性质。3）土钉设置时通常使用灌浆技术，使筋体和其周围土层黏结起来，荷载通过浆体传递给土层。在加筋土挡墙中，摩擦力直接产生于筋条和土层间。4）土钉既可水平布置，也可倾斜布置，当其垂直于潜在滑裂面设置时，将会充分发挥其抗力；而加筋挡土墙内的拉筋一般为水平设置（或很小角度的倾斜布置）。5.1.2土钉与土层锚杆比较表面上，当用于边坡加固和开挖支护时，土钉和预应力土层锚杆间有一些相似之处，两者之间仍有较多的功能差别。（1）土层锚杆在安装后便于张拉，因此在运行时能理想的防止结构发生各种位移。相比之下，土钉则不予张拉，发生少量（虽然非常小）位移后才可发生作用。（2）土钉长度（一般为310m）的绝大部分和土层相接触，而土层锚杆则通过在锚杆末端固定的长度传递荷载。其直接后果是在支挡体内产生的应力分布不同。（3）由于土钉安装密度很高，因而其单筋破坏的后果未必严重。另外，土钉的施工精度要求不高，他们是以相互作用的方式形成一个整体。（4）因锚杆承受荷载很大，在锚杆的顶部需安装适当的承载装置，以减小出现穿过挡土墙结构而发生“刺入”破坏的可能性；而土钉则有需要安装固定的承载装置，其顶部承担的荷载小，可由安装在喷射混凝土表面的钢垫板来承担。（5）锚杆往往较长（一般在1545m），需用大型设备来安装。锚杆体系常用于大型挡土结构，如地下连续墙和钻孔灌注桩挡墙。5.2围护结构选型根据本工程特点，本支护方案设计应本着结构安全、造价经济、施工方便的基本原则，综合考虑多种不利因素和不利条件及周边环境对变形要求比较严格。根据工程地质条件和工程支护需要，此工程可以采用钢筋混凝土灌注桩支护、桩锚支护、土钉墙支护。但采用钢筋混凝土灌注桩支护造价较高，施工难度大；采用桩锚支护，施工技术不好控制，有一定的变形，造价也较高；而采用土钉墙支护效果好，经济性好，造价可以比其它支护节约30%。因此此工程我们采用土钉墙支护。6基坑降排水6.1方案选择与论证根据工程地质及水文条件和降水要求，此工程可选用喷射井点和管井井点降水均可。（1）喷射井点既属于真空抽水法，此法设计十分复杂，能量消耗大，其工作效率一般只有其它方法的30%，喷嘴与混合室常需检验并换掉，特别是滤层填料不好时，常有细砂带入，使喷嘴特别易于磨损，并且此方法占地面积大。（2）管井井点是靠重力作用降水，即重力作用下井内的水方可排出，此方法施工设备简单，占地面积小，管理方便。 综合（1），（2）方法此降水方案采用管井井点降水法，设计管井为潜水非完整井。由于管井井点的滤水直径大于200mm，这里选用直径为450mm，钢筋骨架外密竹竿，再缠两层塑料纱网，纱网的长度为管井的滤水管全长（这里选择滤水管为2m）。填砾厚度取75mm，井点距坑壁1.5m。6.2降水方案计算6.2.1井点系统的布置 图 9 降水剖面图根据基坑尺寸采用环状井点布置。井点管距离基坑边1.5m布置，这样，井点管中心至基坑中心的水平距离为： 查表得水利坡度为： 滤水管长度，抽水影响深度。井管设置深度应为： 井点管埋设深度： 因，所以满足降水要求。6.2.2计算涌水量抽水影响深度为： ； 潜水含水层中的降水影响半径为： 基坑远离边界，涌水量可按下式计算： 6.2.3单井抽水量计算井点数量计算和确定井点间距，可由下面几个式子求出。其中单井抽水量为： 井点数量为： 可根据井点系统的布置方式量出沿基坑布置井点的长度： 则井点间距为： 取整数，令。图 10 基坑降水井点分布6.2.4降水设备及管具 （1）滤水器 直径为450，过滤器部分采用在钢筋骨架外沿周围密排竹竿栅栏，再包缠双层塑料纱网的滤水管，管外投入75 的砾料成井。 （2）水泵采用型号4JD10*10；流量10(m3/min)；扬程30(m)；电机功率1.41(KW)；排水管入井最大长度（28 m）； 比转数250； 效率58%。6.2.5降水工程施工（1）成孔方法 根据地质条件，采用合金钻头清水冲洗回转钻进成孔。（2）成井工艺1）冲孔换浆：用清水冲孔，使孔内渣物含量降低到最底程度，孔内水体的含泥量不大于5%。2）井管安装：井管分为井壁管 滤水管 沉砂管，井壁管其保护和输水作用，滤水管起过滤和引导含水层中水的作用。采用升降级投吊法3）填砾：采用浑圆型河砂对滤水管周围进行人工填砾，形成过滤层，以增大滤水管周围土体孔隙率，减少水头损失，增大降水井抽水量。4）孔口封闭止水：滤料之地面以下1.52.0 改用黏土球均匀地投入井管与井管之间并分层捣实。试抽：如果试抽发现设备及管路有问题，找出原因并且进行及时处理。6.2.6降水施工技术 井点施工的质量直接关系到降水的效果，特别是在黏土土层中降排水，土层易产生缩孔塌孔，孔内泥浆比重大易堵塞井点管过滤器，使充填的滤料不能顺利下到孔底或将滤料空隙堵塞，起不到导水作用，造成上部弱透水层的水不能疏导下部过滤器而被抽出。这样势必影响降水，因此对井点成孔施工工艺必须严格要求。 （1）在上部黏土层中易缩孔，塌孔中钻进施工时，应采用清水回转钻探； （2）应采用清水钻孔要求送水泵泵压不得低于2，流量不小于； （3）钻孔深度应比设计井管埋设深度大2 m，以保证井点管下至预定深度； （4）钻进到设计预定孔深后应加大泵量冲洗，将孔内土块及泥浆冲洗出孔口，使孔内水体的含泥量不大于5%； （5）钻探成孔后，应立即下入井点管，井点管应居孔中心，严禁将井点管强行压入孔中； （6）在井点管周围投入滤料，宜采用边向孔内送水边投滤料的办法，以保证填入的滤料孔隙不被泥砂堵塞，有利于上层地下水通过井点，孔向下不疏导。滤量投量不小于计算值的95%，滤料添置地面以下1.5 时。改用黏土添置地面，并压实封闭孔口，以防止地面水的渗入，实现真空降水； （7）井点施工结束，应立即组织洗井，洗井宜采用自上而下进行，洗至水清基本不出砂，出水正常，井点底部不存砂为止； （8）当每组井点施工结束，即着手组装水泵泵组应尽量降低高度，使泵组吸水口与集水管，井点连接管的高程尽可能一致，泵组应尽可能设置在集水管的中部； （9）降水系统各部件均匀应连接严密，不得漏气，漏水，漏电，检查水泵正反转，防止反转；（10）降水系统安装完毕，应及时组织试抽，再试抽过程中应定时观测抽水流量，工作水压力等并做好记录。校核抽水量与设计值是否相符，一般抽水量大于设计值（再试抽阶段）。如出现交大出入，应及时调整降水设计方案。6.2.7降水监测与管理 （1）降排水前观测一次自然水位，再试抽开始的510 要求每天早晚各观测一次水位，流量；以后改为每天观测一次，并做好记录； （2）对观测记录应及时整理，绘制（抽水量与时间）与（水位下降值与时间）关系曲线图，分析水位下降达到设计要求的时间根据实际抽水情况，研究降水设计的可靠程度或提出调整措施，查明抽水过程中的不正常的情况极其产生的原因，及时组织排除； （3）应观测抽水井的水位，流量，注意调整水泵合理运行的深度，尽可能不露出水面又不被井内泥砂淹埋； （4）对抽水设备应建立定期检修保养制度，保持设备的正常运行，降水期不得停泵；（5）抽出的水应排出降水区以外，不应产生回渗。偶有大雨或暴雨，应及时排除地面和基坑积水以减少下渗，保证降水。降水对周边地面、建筑物的影响分析及后备处理措施。7基坑土方开挖7.1挖深本工程设计+为黄海高程7.350m，场地平整后的绝对地面高程4.350m（相对标高-1.800m）。地下2层，平均开挖深度为13m。已知土的可松性系数。7.2挖土要求及开挖顺序基坑开挖施工是整个地下工程施工的关键工序，其具体实施方案由土方施工单位提出，以下是一些挖土的基本要求和顺序：（1）坑开挖前先进行场地内清理，保证坑边荷载小于设计值，场地清理结束后可在坑内挖若干集水坑，用泵抽水以降低坑内水位；同时施工坑边排水沟及集水井按设计要求挖基坑外侧土体。（2）挖土应分层分段进行，每段长度以15-25m控制，土钉墙处：每次挖土深度以该层土钉下30cm控制，按挖土一层施工一道土钉进行，上下两层土钉施工间隔时间要求大于48小时。坑边开挖到底后应立即用C15混凝土浇筑宽约5m的坑边垫层。（3）在坑边垫层封底后，二次开挖，间隔6-8m施工承台、设垫层及砖模。（4）挖土以机械挖土为主，人工挖土为辅。底板底以下土体须用人工开挖。（5）用机械挖土时必须注意，挖土深度严禁超过设计标高，不得损坏工程桩及围护结构。（6）土体开挖时不得留陡坡，以免基坑内土体滑移而引起工程桩或支撑立柱桩偏位。（7）基坑内挖出的土方及时外运，基坑四周5m范围内不得堆载，否则会使围护结构变形过大，危及基坑安全。（8）基坑挖土施工应做到“五边”，即：边挖、边凿、边铺、边浇、边砌的施工方法，保证基坑土体不长期暴露，确保基坑稳定。（9）分区分段挖土到底后应在24小时内浇筑垫层，尤其是雨天必须做到。（10）基坑挖土方案应经监理、建设等有关单位各方认可后方能实施，并由监督单位监督执行。7.3计算基坑开挖土方量 该土方量指开挖前天然状态的土方量，为满足施工要求，基坑底面尺寸在基础外每侧留0.6m宽的工作面。按拟柱体公式计算，即： 考虑基础外侧工作面宽度，基坑底面积为： 基坑顶面面积为： 基坑中截面面积为: 因此基坑采取的是垂直开挖，所以三个面上的基坑面积是相同的。由此可得基坑开挖土方量为： 7.4计算现场留做回填土用的土方量该土方量指松散状态下的土方量，基坑回填体积为： 即： 回填所需松散土的体积： 土经开挖后的松散土的体积： 现场多余土的体积： 7.5运土车次 应该要安排的车次为： 取整数，本工程土方运输应安排2586车次。8基坑支护设计8.1方案选择与论证土体的剪力强度较低，抗拉强度几乎为零，但原位土体一般具有一定的结构整体性。如在土体中放置土钉，使之与土共同作用，形成复合土体，则可有效的提高土的整体强度，弥补土体抗拉、抗剪强度的不足。这是因为至于土体中的土钉具有箍束骨架、分担荷载、传递和扩散应力、坡面变形约束等作用。实验研究表明：（1）土钉在使用阶段