某深基坑工程支护选型与设计计算的研究

张 卫，赵善国

(1. 中国水电基础局有限公司，天津301700;2. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

0 引 言

近年来我国建筑、市政等工程得到飞速发展。在建筑向高发展的同时，地下空间的利用也成为一个重要方向。地下建设工程越来越多，基坑的开挖深度也越来越大。高层及多层建筑的地下室、地下商场、地下车库、地铁车站等工程施工，都会面临深基坑工程。近年我国对于深基坑支护技术也有很多的研究，并且也取得了一些成果［1－5］。随着高层建筑物的高度不断加大，其基础愈做愈深，相应的支护结构的设计施工难度也愈来愈大。为此我们以一具体深基坑工程的选型、支护设计与计算过程为例，对深基坑的支护设计理论进行了研究。

1 基坑支护的类型

深基坑支护型式常用的有: 钢板桩支护、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、土层锚杆、深层搅拌水泥土桩挡墙、旋喷桩帷幕墙等。

2 工程概况

拟建场地原始地貌为山前斜坡，狐尾山山前坡地地带，场地实测孔口高程为6.04 ～9.21 m，高差3.17 m，地势呈东北高西南低。建筑物设计室内地坪±0.00 m标高为7.20 m。拟建场地西侧、南侧目前为围墙，距拟建建筑物最近为8 m，围墙西南方向处有一公司，距基坑边线最近为14.0 m。北侧为该小区北区安置住宅部分，现有建筑物尚未拆迁完毕。东侧为公路，道路边线距拟建建筑物轮廓线最近约为15 m。拟建场地原为小区，目前尚未拆迁完毕，场地内埋藏有旧基础，堆填大量的建筑垃圾，未发现通信电缆，管道，人防工程建筑、地下铁道及其它地下埋设物。

根据本次勘察的地质资料，场地地基岩土自上而下主要由人工填土( 杂填土①1、块石①2) ，粉质黏土②、淤泥③、残积土( 残积黏性土④、凝灰岩残积黏性土④1) 和基岩( 全风化花岗岩⑤、全风化凝灰岩⑤1、强风化花岗岩⑥、强风化凝灰岩⑥1、强风化花岗岩⑦、强风化凝灰岩⑦1、中微风化花岗岩⑧、中微风化凝灰岩⑧1) 组成。场地内地下水类型主要为上层滞水及承压水两类。场地内地下水对混凝土结构无腐蚀性。各岩土层地基设计参数见下表1。

3 基坑支护选型

本场地基坑范围详见基坑总平面示意图，按地下室底板标高－3.10 m考虑，基坑开挖深度9.14 ～12.31 m，沿西、南侧基坑开挖边线目前有砖砌围墙，距西南角14.0 m处为一公司;北侧为拟建的北区安置住宅部分地下室，与本工程地下室相连为一整体; 东侧为公路。根据场地周边环境条件，基坑侧壁破坏后果，基坑开挖深度和场地工程、水文地质条件，本工程基坑工程安全等级，A—A 断面为一级，其余断面均为二级。

基坑分为A—A、B—B、B—H、J—J、I—I、H—H6个支护区段，如图1 所示。由于场地稳定地下水位处于地下室基坑底以上，本工程进行建设时应进行降水，根据地下水埋藏条件，并结合该地区以往的工程经验，基坑采用集水明排的方法降水，由于基坑周围环境简单，建筑稀少，加之该地区地基土因降水固结而产生的沉降量较小，不必设计设计止水结构，基坑开挖时，如基坑涌水量较大，可根据实际情况考虑在基坑周边加一排轻型井点管辅助降水。根据国家有关规程、规范结合地区深基坑支护实践经验，目前用于10.00 m左右基坑支护的主要支护结构形式有: 地下连续墙、桩锚支护结构和土钉墙支护结构。对基坑支护等级为一级、变形要求比较严格的基坑，常采用地下连续墙、桩锚支护结构; 对于基坑支护结构等级为二级、变形要求不甚严格的基坑，常采用土钉墙支护结构。从施工难以程度和工程造价考虑，本工程不宜采用地下连续墙支护结构。本基坑工程的支护等级除A—A 断面外均为二级，26 层办公楼A—A 断面附近有建筑物，对变形要求较高，为一级基坑，所以采用桩锚支护，根据已知地质情况，通过对基坑支护方案的选型和经济比较，确定了以土钉墙和桩锚护壁为主的基坑。

表1 岩土层地基设计参数建议值表

桩锚支护在重要基坑支护工程中的应用非常广泛，基坑侧壁变形较小，稳定性好，且成功的实例很多，同时也积累了丰富的施工经验。综合考虑西南侧可采用桩锚支护。其它各侧对基坑变形要求不高，可采用土钉墙支护。土钉墙支护技术在该地区已比较成熟，其施工工艺简便，采用人工洛阳铲成孔技术工艺简单，无噪音、无施工污水污染等环境危害，环卫条件良好; 可边开挖边施工，节约工期; 其造价也较低。综合考察现场的周边环境、道路及岩土组合等条件，为尽可能避免基坑开挖对周围建筑物、道路的影响，经过细致分析、计算和方案比较，本工程支护方案选用下列形式: 整个基坑除了A—A 断面采用土钉墙放坡+桩锚支护外，其余断面均采用土钉墙支护。基坑内采用集水坑排除地下水。

本文以基坑西南侧A—A 断面支护设计计算为例进行研究。

4 基坑支护的设计计算

4.1 基坑支护的设计

基坑西南侧A－A 断面支护等级为二级，采用上部放坡+桩锚支护结构，基坑深10.03 m，根据该地段的地层状况，并结合《建筑基坑工程技术规范》( JGJ120—99) 中的相关规定，可推出该断面允许放坡开挖，其放坡高度可设计为4.5 m，坡度系数为0.8，为了安全起见，放坡段可加三道土钉。其中的钻孔灌注桩直径为1 000 mm，桩心距为2.0 m，桩顶标高为－4.5 m，桩底标高为－19.93 m，桩长为15.43 m，采用C 25混凝土，沿基坑A—A 断面共布置59 根。设置二层锚杆，杆采用用Ⅱ级直径25 mm，第一层锚杆设计标高为－4.6 m，水平间距2.0 m，长度为15.0 m，锚杆倾角为35 度;第二层锚杆与第一层锚杆的竖直距离为2.5 m，水平间距为2.0 m，长度15.0 m，倾角35°。灌入水泥净浆，水灰比设计为0.5∶1。

4.2 支护结构设计计算

灌注桩桩径1 000 mm，桩心距2 000 mm，首层锚杆竖向间距为100 mm，第二层锚杆与首层竖向间距为2.5 m，两层锚杆 的 水 平 间 距 为2 m，倾 角 α = 35°，圈 梁 低 于 地面4.5 m。［6－8］

4.2.1 土压力系数计算

开挖深度范围内土体力学指标加权平均值:

为了保守起见，土压力系数均用郎肯法计算，所以:

4.2.2 内力计算

用逐层开挖锚杆支撑力不变计算法计算。计算时，不考虑支护桩体与土体的摩擦作用，且不对主、被动土压力系数进行调整，仅作为安全储备处理。

首先求A 点所受的水平力RA( 如图2) 。假设第一道锚杆已做完，第二道锚杆未做，必须挖深第二道锚杆以下0.5 m，即基坑开挖至3.0 m处。

对O1点弯矩总和为零:(3 +2.67) RA= M01

求B 点所受的水平力RB，在B 点处锚杆可以施工，但需求出水平力RB，如图3 待B 点锚杆施工完以后将土开挖到基坑底面即9.93 m处。

求最大弯矩为了安全起见，采用简支梁法计算

插入深度计算公式为:

4.3 土层锚杆设计

4.3.1 自由段长度的确定

土锚自由段长度Lf的确定，锚杆自由段长度≥5 m，且应超过潜在滑裂面1.5 m。

4.3.2 锚固段程度确定

钻孔直径d0为150 mm，因为采用二次注浆，所以锚固段直径D 为1.5 d0= 0.15 ×1.5 = 0.225 m。

设第一道锚固段长度为8.0 m，地面超载的高度折算h1(105/20) m=5.3 m。

则锚固段中点埋深

剪切强度:

取Lm1=12m，则锚杆总长度为:

同样地，设第二道锚固段为10 m:

取Lm2=14 m，可计算出锚杆总长度:

采用理正深基坑软件电算得出的锚杆长为: L1=21 m，L2=19.5 m。由于力学参数和安全系数取值的差别，再加上滑裂面的假设不同，造成了计算结果的不同，为了安全起见，建议锚杆取两者之间较长的。

4.4 桩锚支护的验算

4.4.1 整体稳定性验算采用瑞典条分法，运用理正深基坑软件电算结果为:

Ks=1.261≥1.200，满足规范要求。

4.4.2 基坑底部抗隆起验算按地基承载力公式验算方法，验算公式如下:

式中: γ 为土的重度; q 为地面超载; Nc、Nq为地基承载力系数。

满足规范要求( 见下图4) 。

图4 基坑底部抗隆起验算图

5 结 论

本文结合一具体深基坑工程。通过详细了解和分析现场的环境及地质情况，根据以往成熟的工程实践经验，并考虑支护、止水、降水、监控、应急等工程状况，从经济合理结构安全的角度，提出了适合本工程特点的支护结构方案。并对该基坑的选型和设计计算过程进行了详细分析研究。取得了良好的的效果，在类似的深基坑工程中具有较好的参考价值。

［1］王越. 浅谈深基坑支护的技术分析［J］. 城市建设，2009 ( 32) :261－262.

［2］李新玲. 浅谈深基坑支护的设计［J］. 科技资讯，2007(11) :82.

［3］张聚银，毛志童. 深基坑支护结构分析与经济性研究［J］. 甘肃科技，2009，25(5) :104－115.

［4］杨松. 深基坑支护结构分析与经济性研究［J］. 城市建设，2010(28) :56－57.

［5］吕科验. 试析复杂地层深基坑支护的设计和施工［J］. 建造技术，2009(5) :50－52.

［6］孙文怀. 基础工程设计与地基处理［M］，北京: 中国建材工业出版社，1999.

［7］龚晓南，深基坑工程设计施工手册［S］. 北京:中国建筑工业出版社，2001.

［8］卢延浩. 土力学［M］. 南京:河海大学出版社，2002.