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基坑支护结构设计原则与勘察要求

基坑支护结构设计原则与勘察要求

3.1 设 计 原 则

3.1.1 基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。
3.1.2 基坑支护结构极限状态可分为下列两类：
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施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。
3.1.3 基坑支护结构设计应根据表3.1.3选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。

表3.1.3 基坑侧壁安全等级及重要性系数
安全等级 破 坏 后 果 Υ0
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 1.10
结构施工影响很严重
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 1.00
结构施工影响一般
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 0.90
结构施工影响不严重

注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。

3.1.4
支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。
3.1.5
当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下水控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。
3.1.6 根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定进行计算和验算。
1 基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容应包括：
1) 根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算；
2) 基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算；
3) 当有锚杆或支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。
2 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验算。
3 地下水控制验算：
1) 抗渗透稳定性验算；
2) 基坑底突涌稳定性验算；
3) 根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。
3.1.7 基坑支护设计内容应包括对支护结构质量检测及施工监控的要求。
3.1.8 当有条件时，基坑应采用局部或全部放坡开挖，放坡坡度应满足坡稳定性要求。

3.2 勘 察 要 求

3.2.1
在主体建筑地基的初步勘察阶段，应根据岩土工程条件，搜集工程地质和水文地质资料，并进行工程地质调查，必要时可进行少量的补充勘察和室内试验，提出基坑支护的建议方案。
3.2.2 在建筑地基详细勘察阶段，对需要支护的工程宜按下列要求进行勘察工作：
1
勘察范围应根据开挖深度及场地的岩土工程条件确定，并宜在开挖边界外按开挖深度的1～2倍范围内布置勘探点，当开挖边界外无法布置勘探点时，应通过调查取得相应资料。对于软土，勘察范围尚宜扩大；
2 基坑周边勘探点的深度应根据基坑支护结构设计要求确定，不宜小于1倍开挖深度，软土地区应穿越软土层； 3
勘探点间距应视地层条件而定，可在15～30m内选择，地层变化较大时，应增加勘探点，查明分布规律。
3.2.3 场地水文地质勘察应达到以下要求：
1 查明开挖范围及邻近场地地下水含水层和隔水层的层位、埋深和分布情况，查明各含水层(包括上层滞水、潜水、承压水)的补给条件和水力联系；
2 测量场地各含水层的渗透系数和渗透影响半径；
3 分析施工过程中水位变化对支护结构和基坑周边环境的影响，提出应采取的措施。
3.2.4 岩土工程测试参数宜包含下列内容：
1 土的常规物理试验指标；
2 土的抗剪强度指标；
3 室内或原位试验测试土的渗透系数；
4 特殊条件下应根据实际情况选择其它适宜的试验方法测试的参数。
3.2.5 基坑周边环境勘查应包括以下内容：
1 查明影响范围内建(构)筑物的结构类型、层数、基础类型、埋深、基础荷载大小及上部结构现状；
2 查明基坑周边的各类地下设施，包括上、下水、电缆、煤气、污水、雨水、热力等管线或管道的分布和性状；
3 查明场地周围和邻近地区地表水汇流、排泻情况，地下水管渗漏情况以及对基坑开挖的影响程度；
4 查明基坑四周道路的距离及车辆载重情况。
3.2.6 在取得勘察资料的基础上，针对基坑特点，应提出解决下列问题的建议：
1 分析场地的地层结构和岩土的物理力学性质；
2 地下水的控制方法及计算参数；
3 施工中应进行的现场监测项目；
4 基坑开挖过程中应注意的问题及其防治措施。

深基坑开挖降排水设计 罗衍俭 提要　主要介绍了深圳地铁××车站深基坑开挖所采用的管井井点降水方案的设计情况。由于深圳地区浅部土层分布较均匀，层位稳定，故该文介绍的方法具有一定的普遍性。 关键词　管井井点降水　深基坑开挖　排水设计1　引言 　　在地下水位较高的地区开挖深基坑，由于含水层被切断，在压差作用下，地下水必然会不断地渗流入基坑，如不进行基坑降排水工作，将会造成基坑浸水，使现场施工条件变差，地基承载力下降，在动水压力作用下还可能引起流砂、管涌和边坡失稳等现象，因此，为确保基坑施工安全，必须采取有效的降水和排水措施。 　　一般情况下，在进行深基坑开挖施工时应具备如下条件： 　　1)基坑在开挖期间保持干燥状态； 　　2)保持基坑边坡的稳定和基坑底板的稳定； 　　3)不影响邻近建筑物及地下管线的正常使用。 2　工程概况 　　深圳地铁××车站为地下二层，基坑开挖深16～17m，基坑围护结构采用Φ1200人工挖孔桩(密排布置)，桩长21m，基坑平面尺寸为19.1m×237.1m，开挖过程中采用Φ600钢管对围护结构分层支撑。 　　地质报告表明：车站范围内地层从上至下主要为：1)第四系全新统人工堆积层(Qml4)，黄褐～褐灰色，硬塑～坚硬，夹少量砂砾及路基填石，厚1.6～4.5m；2)海相沉积层(Qm4)：粘土，褐黄、灰白、灰黑、深灰色，可塑～坚硬，厚1.5～5.1m；粗砂，灰褐色，含粘土，稍密，很湿，厚0.00～1.75m；砾砂，灰白～深灰色，稍密～中密，很湿，厚0.0～3.3m；3)第四系中更新统残积层(Qel2)，砾质粘性土，灰黄、褐黄、棕黄、棕褐、棕红色、夹灰白色，可塑～坚硬，厚4.4m及大于14.5m；4)燕山期花岗岩，褐黄、黄褐色，全风化，岩芯呈土夹砂砾状。各土层的物理力学性质指标见表1。 表1　各土层物理力学指标(推荐值)
土层名称 γ kN/m3 W % GS 　 e 　 IP 　 IL 　 a1-2 MPa-1 ES MPa φ (°) c kPa K m/d fk kPa
素填土(粘土) 18.5 19.2 2.67 0.74 18.1 -0.60 0.40 4.5 24 30 0.01 100
粘土 18.6 32.9 2.67 0.91 21.7 0.24 0.28 6.6 8.7 11 0.0076 160
粗砂 19.9 16.5 2.72 0.59 　 　 　 　 30 10 3.0 180
砾砂 19.9 25　 2.72 0.65 　 　 　 　 32 5.0 5.0 200
砾质粘性土 18.9 27.3 2.68 0.81 15.3 0.04 0.49 4.81 25.1 16 0.1 300
全风化花岗岩 19.4 21.0 2.69 0.68 12.6 0.00 0.42 5.0 30 10 0.5 300

深基坑开挖降排水设计 罗衍俭 提要　主要介绍了深圳地铁××车站深基坑开挖所采用的管井井点降水方案的设计情况。由于深圳地区浅部土层分布较均匀，层位稳定，故该文介绍的方法具有一定的普遍性。 关键词　管井井点降水　深基坑开挖　排水设计1　引言 　　在地下水位较高的地区开挖深基坑，由于含水层被切断，在压差作用下，地下水必然会不断地渗流入基坑，如不进行基坑降排水工作，将会造成基坑浸水，使现场施工条件变差，地基承载力下降，在动水压力作用下还可能引起流砂、管涌和边坡失稳等现象，因此，为确保基坑施工安全，必须采取有效的降水和排水措施。 　　一般情况下，在进行深基坑开挖施工时应具备如下条件： 　　1)基坑在开挖期间保持干燥状态； 　　2)保持基坑边坡的稳定和基坑底板的稳定； 　　3)不影响邻近建筑物及地下管线的正常使用。 2　工程概况 　　深圳地铁××车站为地下二层，基坑开挖深16～17m，基坑围护结构采用Φ1200人工挖孔桩(密排布置)，桩长21m，基坑平面尺寸为19.1m×237.1m，开挖过程中采用Φ600钢管对围护结构分层支撑。 　　地质报告表明：车站范围内地层从上至下主要为：1)第四系全新统人工堆积层(Qml4)，黄褐～褐灰色，硬塑～坚硬，夹少量砂砾及路基填石，厚1.6～4.5m；2)海相沉积层(Qm4)：粘土，褐黄、灰白、灰黑、深灰色，可塑～坚硬，厚1.5～5.1m；粗砂，灰褐色，含粘土，稍密，很湿，厚0.00～1.75m；砾砂，灰白～深灰色，稍密～中密，很湿，厚0.0～3.3m；3)第四系中更新统残积层(Qel2)，砾质粘性土，灰黄、褐黄、棕黄、棕褐、棕红色、夹灰白色，可塑～坚硬，厚4.4m及大于14.5m；4)燕山期花岗岩，褐黄、黄褐色，全风化，岩芯呈土夹砂砾状。各土层的物理力学性质指标见表1。 表1　各土层物理力学指标(推荐值)
土层名称 γ kN/m3 W % GS 　 e 　 IP 　 IL 　 a1-2 MPa-1 ES MPa φ (°) c kPa K m/d fk kPa
素填土(粘土) 18.5 19.2 2.67 0.74 18.1 -0.60 0.40 4.5 24 30 0.01 100
粘土 18.6 32.9 2.67 0.91 21.7 0.24 0.28 6.6 8.7 11 0.0076 160
粗砂 19.9 16.5 2.72 0.59 　 　 　 　 30 10 3.0 180
砾砂 19.9 25　 2.72 0.65 　 　 　 　 32 5.0 5.0 200
砾质粘性土 18.9 27.3 2.68 0.81 15.3 0.04 0.49 4.81 25.1 16 0.1 300
全风化花岗岩 19.4 21.0 2.69 0.68 12.6 0.00 0.42 5.0 30 10 0.5 300

　　场地内的地下水埋深3.3～6.8m，主要含水层为砂层，为第四系孔隙潜水，主要补给来源为大气降水。 3　基坑降水方案设计 3.1　降深要求 　　因本工程基坑围护结构采用人工挖孔桩，为保证排桩的人工开发安全，降水设计时，将基坑降水和支护排桩的施工降水作统一考虑，务必保证使地下水位降到排桩桩底0.5m以下，且基坑中心线处要求降深S应低于开挖基底不少于0.5m。综合考虑最小降深为20.2m。 3.2　降水方案 　　适用于深圳地区的深基坑降水常用的只有明沟降水和管井井点降水。由于基坑明沟降水适用于降水深度不大的工程，因此，本工程采用管井井点降水，同时基坑开挖也应设计明沟，但它只是收集基坑中和坑壁局部渗出的地下水和其它施工时的地下水。 　　由于本工程位于城市交通主干道之下，为减少对地面交通的干扰，将井点设置于基坑内。 3.3　基坑涌水量计算和井点设计 　　基坑降水的涌水量与场地水文地质条件、基坑的形状大小及补给水边界条件等有关。本车站基坑工程长度与宽度之比大于10，属窄长式基坑。根据工程地质勘察报告所提供的工程水文地质条件，本工程降水按无压完整井计算。 　　a.最小要求降深S。 S=20.2m 　　b.影响半径R0查《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》(SJG05-96)表12.2.5取R=100m。渗透系数K取降水深度范围内各土层的渗透系数加权平均值，经计算取K=1.0m/d。 　　c.确定井点管的埋置深度。 　　假定井点管间距20m 　　d.基坑涌水量。 　　采用大口井法来预测基坑涌水量。把窄长式基坑看作一个“大井”，其计算半径 基坑涌水量为 　　e.计算每根井点最大出水量。 　　f.确定井点数。 　　g.降深验算。 　　不满足降深要求，应增加井点管数量。经过进一步的计算，需增加井点管至26根。 满足降深要求。 以上各式中： 　　Q--基坑涌水量，m3/d; 　　K--含水层渗透系数，m/d; 　　L--基坑长度，m; 　　H--潜水含水层水头高度，m; 　　S--地下水位要求降深，m； 　　S′--地下水位降深，m； 　　R--影响半径，m； 　　H0--井点管的埋设深度，m； 　　H1--井点管的埋设面至基坑底的距离，m； 　　i--地下水降落坡度； 　　B--基坑宽度，m； 　　X0--基坑的假想半径，m； 　　q--单井出水量，m3/d； 　　l0--过滤器工作部分长度，m； 　　r0--井点管半径，m； 　　ri--各井点管至水位降深验算点之间的距离，m。 　　h.抽水设备选择。 　　管井井点降水每一个管井单独用一台水泵进行抽水以降低地下水位。由于本工程降水深度较大，考虑到潜水泵安装简单、耗能少、效率高、成本低，可采用深井泵式潜水泵。根据管井井点的进水量，选用潜水泵号为：1500QJ20-39/6。 3.4　方案制订 　　根据基坑涌水量的理论计算和降深验算的结果，结合本工程的特点，沿纵向在基坑内南北两侧各布置一排井点，每排井点距排桩1m，按20m间距布置26根井点管，并在基坑中心布置观察井4个，以观测水位降深情况。 4　排水方案设计 　　1)排水沟和集水井设置在排桩围护结构之外1m处。 　　2)基坑中的明沟与集水井随基坑的不断开挖而逐步加深，其离开排桩不小于0.3m，明沟的断面采用梯形，其沟底宽度为0.3m。 　　3)集水井设置在基坑角或每隔30～40m设一个，其直径为0.5m，深约1.0m。井壁可用挡土板作临时支护，井底铺0.3m厚的砾石，以防泥砂堵塞水泵。 　　4)排水沟与集水井保持一定高差，集水井比排水沟应低0.5～1.0m，排水沟应比挖土面低0.3～0.5m。 　　5)用抽水设备将集水井中的水排至基坑外部，严禁排出的水回流于基坑内。 　　6)雨期施工前应检查现场的排水系统，保证水流畅通。 　　7)人工挖孔桩施工时，降水以管井降水为主，辅以桩孔内污水泵明排抽水，边抽边挖。 5　结束语 　　基坑降水工程设计，根据土层的渗透系数，要求降水的深度和工程特点，经过技术、经济和节能比较后确定，但由于土层地质条件的复杂性，有关计算参数如土层的渗透系数K和抽水影响半径R等取值是否正确将影响井点系统涌水量计算结果的准确性，从而致使目前基坑降水工程设计在技术、经济上不够合理的情况是相当普遍的。降水实践中要采用信息化施工，定时检测降深、出水量，采用抽水试验验证降水效果，以便进一步优化降水设计的施工方案。 本文参考了深圳市勘察测绘院主编，深圳地区建筑深基坑支护技术规范，SJG 05-96(深圳市标准)，深圳市勘察测绘院，1996。 作者简介：罗衍俭，男，36岁，硕士、高级工程师，主要从事地下工程、岩土工程勘察设计工作。 罗衍俭(铁道部第一勘测设计院城市轨道交通设计研究院　兰州市　730000) 参考文献 1，赵志缙等编.高层建筑基础工程施工.北京：中国建筑工业出版社，1994 2，余志成等编.深基坑支护设计与施工.北京：中国建筑工业出版社，1998

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深基坑支护不仅要求确保边坡的稳定，而且要满足变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物 、地下管线、道路等的安全。如今支护结构日臻完善，出现了许多新的支护结构形式与稳定 边坡的方法。

根据本地区实际情况，经比较采用钻孔灌注桩作为挡土结构，由于基坑开采区主要为粘性土 ，它具有一定自稳定结构的特性，因此护坡桩采用间隔式钢筋混凝土钻孔灌注桩挡土，土层 锚杆支护的方案，挡土支护结构布置如下：(1)护坡桩桩径600mm，桩净距1000mm；(2)土层 锚杆一排作单支撑，端部在地面以下2.00mm，下倾18°，间距1.6m；(3)腰梁一道，位于坡 顶下2.00m处，通过腰梁，锚杆对护坡桩进行拉结；(4)桩间为粘性土不作处理。

2.深基坑支护土压力

深基坑支护是近些年来才发展起来的工程运用学科，新的完善的支护结构上的土压力理论还 没有正式提出，要精确地加以确定是不可能的。而且由于土的土质比较复杂，土压力的计算 还与支护结构的刚度和施工方法等有关，要精确地确定也是比较困难的。目前，土压力的计 算，仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式进行。常用的公式为：

主动土压力：

Eα=1/2γH2tg2(45°-Φ/2)-2CHtg(45°-Φ/2)+2C2/γ

工中：Eα--主动土压力(KN)，γ--土的容重，采用加权平均值。H--挡土桩长(m) 。Φ--土的内摩擦角(°)。C--土的内聚力(KN)。

被动土压力：EP=1/2γt2KPCt

式中：EP--被动土压力(KN)，t--挡土桩的入土深度(m)，KP--被动土压力系数， 一般取K2=tg2(45°-Φ/2)。

由于传统理论存在达些不足，在工程运用时就必须作经验修正，以便在一定程度上能够满足 工程上的使用要求，这也就是从以下几个方面具体考虑：

2.1.土压力参数：尤其抗剪强度C/Φ的取值问题。抗剪强度指标的测定方法有总应力法和有 效应办法，前者采用总应力C、Φ值和天然重度γ(或饱和容量)计算土压力，并认为水压力 包括在内，后者采用有效应力C、Φ及浮容量γ计算土压力，另解水压力，即是水土分算。 总应办法应用方便，适用于不透水或弱透水的粘土层。有效应力法应用于砂层。

2.2.朗肯理论假定墙背与填土之间无摩擦力。这种假设造成计算主动土压力偏大，而被动土 压力偏小。主动土压力偏大则是偏安全的，而被动土压力偏小则是偏危险的。针对这一情况 ，在计算被动土压力时，采用修正后的被动土压力系数KP，因为库仑理论计算被动土压力 偏大。因此采用库仑理论中的被动土压力系数擦角δ，克服了朗肯理论在此方面的假定。可 以求得修正后的KP是：KP=〔CosΨDCosδ[KF)]-Sin(Ψo+ δ)SinΨo〕2

式中是按等值内摩擦角计算，对粘性土取ΦD=Φ是根据经验取值，δ一般为1/3Φ-2/3Φ 。

2.3.用等值内摩擦角计算主动土压力。在实践中，对于抗深在10m内的支护计算，把有粘聚 力的主动土压力Eα，计算式为：E=1/2CHtg2(45°-Φ/2)+2C2/γ。

用等值内摩擦角时，按无粘性土三角形土压力并入Φo，E=1/2γH2tg(45°-Φ/ 2)，而E=E由此可得：tg(45°-[SX(]Φo2= rH2tg2(45°-Ψ/2)-4CHtg(45°-Ψ/2)+4C2/r2rH2

2.4.深基坑开挖的空间效应。基坑的滑动面受到相邻边的制约影响，在中线的土压力最大， 而造近两边的压力则小，利用这种空间效应，可以在两边折减桩数或减少配筋量。

2.5.重视场内外水的问题。注意降排水，因为土中含水量增加，抗剪强度降低，水分在较大 土粒表面形成润滑剂，使摩擦力降低，而较小颗粒结合水膜变厚，降低了土的内聚力。

综上所述，结合本场地地质资料以及所选择的基抗支护形成，水压力和土压力分别按以下方 式计算：

2.5.1.水压力：因支护桩所处地层主要为粘性土层，且为硬塑中密状态，另开挖前已作降水 处理，故认为此压力采用水土合算是可行的。

2.5.2.土压力：桩后主动土压力，采用朗肯主动土压力计算，即：Eα=1/2γH2tg2(4 5°-Φ/2)-2CHtg(45°-Φ/2)+2C2/γ

桩前被动土压力，采用修正后的朗肯被动土压力计算，即：EP＝1/2γt2KP+2KP Ct。

式中：KP＝〔CosΨCosδ-Sin(Ψ+δ)SinΨ 〕2

3.护坡桩的设计

该工程支护结构主要采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加斜土锚的设计方案，桩的直径为600mm， 桩间净距为1000mm。考虑基坑附近建筑屋的影响，还有环城南路上机车等动截荷的影响，支 护设计时，笔者参照部分支护结构设计的相关情形取地面均布载荷q=40KN/m，其他结构及土 的工程地质概况见下图：

3.1.桩上侧土压力：①桩后侧主动土压力，因为桩后土为三层(杂添土、粘土、粉粘土)所以 计算时采用加权平均值的C、Φ、γ，Φ=21.32，得：Eα=4.7H2-2.76H+108.49；②桩 前侧被动土压力：因为桩前侧土为两层(粘土层、粉质粘土层)，所以计算时应采用加权平均 值的C′、Φ′、γ′，得：EP＝33.89676t2+104.5t；③均布载荷对桩的侧压力：由公 式Eq＝qKaH，得：Eq=18.672H。

3.2.桩插入深度确定：计算前须作如下假设：(1)锚固点A无移动；(2)灌注桩埋在地下无移 动；(3)自由端因较浅不作固定端，按地下简支计算。

3.2.1.建立方程：对铰点(锚固点)A求矩，则必须满足：ΣMA=0

所以有：1KEP(23t+h-a)=Eq〔23 (h+t)-a〕+Ep(h+t2-α)q

式中：K为安全系数，取2，得：8.31t3+82.97t2-138.75t=114.12

3.2.2.插入深度及柱长计算：根据实际情况t取最小正解；t=1.99m。

根据《建筑结构设计手册》及综合地质资料，取安全系数为1.2，所以桩的总长度为：L=h+1 .5t=8.5+1.2♀1.99=12.4(m)

3.3.锚拉力的计算：由于桩长已求出，对整个桩而言，由于力平衡原理可以求出A点的锚拉 力，ΣFA=0，即：Eα+Eq=Ep+TA，取t=1.99解得：TA=194.35(KN)