第二章第二章 深基坑的支护结构深基坑的支护结构 补偿性基础，即以天然地面到建筑物基础埋置 深度之间的土体重量，来补偿一部分建筑物的 荷重，故高层基础埋深均较大。但基础埋深加 大给施工带来很多困难，尤其是在城市建筑物 密集地区，施工现场附近有建筑物、道路和地 下管线纵横交错，很多情况下不允许采用较经 济的放坡开挖，而需要在人工支护条件下进行 基坑开挖，本章即要研究这个问题。 采用深基坑随着基础埋深加大给施工带 来很多困难，尤其在城市建筑物密集地 区，施工场地的狭小，邻近建筑物、道 路和管线纵横交错，多数情况下不能放 坡开挖，需要采用支护结构，这就是本 章所要研究的问题。 应力圆与土的抗剪强度应力圆与土的抗剪强度 C B O1 1 3 O c f 支护结构的设计和施工，影响因素众多 ，不少高层建筑的支护结构费用已超过 工程桩基的费用。为此，对待支护结构 的设计和施工均应采取极慎重的态度， 在保证施工安全的前提下，尽量做到经 济合理和便于施工。 第一节第一节 支护结构的选型支护结构的选型 支护结构包括挡墙和支撑（或拉锚）两 部分。 档墙或支撑中任何一部分的选型不当或 产生破坏（包括变形过大），都会导致 整个支护结构的失败。 支护结构的型式 放坡开挖 悬臂式支护结构 内撑式支护结构 拉锚式支护结构 土钉墙支护结构 环梁护壁支护结构 其它形式支护结构 一. 挡墙的选型 （一） 钢板桩 1.槽钢钢板桩 2. 热轧锁口钢板桩 （二） 钢筋混凝土板桩 （三） 钻孔灌注桩挡墙 （四） H型钢支柱（或钢筋混凝土桩支柱） （五） 地下连续墙 （六） 深层搅拌水泥土桩挡墙 （七） 旋喷桩帷幕墙 1.槽钢钢板桩 由槽钢并排或正反扣搭接组成。 槽钢长68m，多用于深度不超过4m的 基坑。 顶部宜设一道支撑或拉锚。 （一） 钢板桩 2 热轧锁口钢板桩 其形式有U型、Z型、一字型、H型和组 合型。 U型 Z型 一字型 该板桩截面带企口，有一定的挡水作用， 顶部设圈梁，用后不再拔除，永留地基 土中。适于36m基坑，但应用较少。 （二）钢筋混凝土板桩 常用6001000mm，是支护结构中应用 最多的一种。宜形成排桩挡墙，顶部浇筑 钢筋混凝土圈梁。但施工难以做到相切， 挡水效果差。 （三） 钻孔灌注桩挡墙 该类支护结构适用于土质较好、地下水 位较低的地区。型钢或支柱按一定间距 打入，支柱间设木挡板或其它挡土设施 。 （四）H型钢支柱（钢筋混凝土桩支 柱）、木挡板支护墙 （五）地下连续墙 地下连续墙已是目前深基坑的主要支护 结构之一。在地下结构层数多的深基坑 的施工非常有利。地下连续墙常是采用“ 逆筑法”的支护结构的首选。 天津市的华联商厦、紫金花园、鸿吉大 厦、津汇广场等很多工程均采用地下连 续墙方法施工。 深层搅拌水泥土桩挡墙是用特制的进入 土深层的深层搅拌机将喷出的水泥浆固 化剂与地基土进行原位强制搅拌制成水 泥土桩，相互搭接，硬化后即形成具有 一定强度的壁状挡墙，既可挡土又可形 成隔水帷幕。 （ 六） 深层搅拌水泥土桩挡墙 （ 旋喷桩帷幕墙是钻孔后，将钻杆从地基 土深处逐渐上提，同时利用插入钻杆端 部的旋转喷嘴，将水泥浆固化剂喷入地 基土中，形成水泥土桩，桩体相连形成 帷幕墙。 旋喷桩帷幕墙可用作支护结构挡墙，也 可用于挡水。 （ 七） 旋喷桩帷幕墙 当基坑深度较大，悬臂挡墙的强度和变 形不能满足要求时，需增设支撑系统。 支撑系统有 基坑内支撑 基坑外拉锚（顶部拉锚土层锚杆拉锚） 常用的有 钢结构支撑 钢筋混凝土支撑 二. 支撑（拉锚）的选型 1 钢管支撑 对撑 （一） 钢结构支撑 1 钢管支撑 角撑 （一） 钢结构支撑 钢管支撑示意图 (一) 钢结构支撑 2 型钢支撑 型钢支撑主要采用H型钢，用螺栓连接 ，为工具式钢支撑，现场组装方便，可 重复使用。 有角撑、对撑、桁架式支撑，还有圆形 、拱形和椭圆形等形状的支撑。 圆形支撑 （二） 钢筋混凝土支撑 第二节第二节 支护结构计算支护结构计算 一. 支护结构的破坏形式和计算内容 支护结构可分为两类： 重力式支护结构 非重力式支护结构 重力式包括深层搅拌水泥土桩挡墙 旋喷桩帷幕墙 非重力式包括钢板桩、钢筋混凝土预制 桩、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙等。 包括 强度破坏 稳定性破坏。 强度破坏（非重力式） 1 拉锚破坏或支撑压曲 地面荷载增加过多、 （一）非重力式支护结构挡墙的破坏 土压力过大使拉杆断裂 ， 或锚固失败、腰梁破坏 、内支撑受压失稳。 强度破坏（非重力式） 2 支护墙体底部走动支 护墙入土深度不够或挖 土过深以及水的冲刷均 可产生这种破坏。 需正确的计算入土深度 （一）非重力式支护结构挡墙的破坏 3支护墙的平面变形过大 或弯曲破坏支护墙截面 过小、土压力估不准、 墙后增大量地面荷载或 挖土超深，需准确计算 最大弯矩值以验算截面 。 （一）非重力式支护结构挡墙的破坏 强度破坏（非重力式） 非重力式支护结构的稳定性破坏 1 墙后土体整体滑动失稳 拉锚的长度不够、 软粘腿发生圆弧 滑动，引起支护 结构整体失稳。 （一）非重力式支护结构挡墙的破坏 非重力式支护结构的稳定性破坏 2 挡墙倾覆 3 坑底隆起 如挖土深度大，由于 卸土过多，在墙后土 重及地面荷载作用下 引起坑底隆起。 （一）非重力式支护结构挡墙的破坏 非重力式支护结构的稳定性破坏 4 管涌 在砂土区，当地下水 较高坑较深时，在动 水压力作用下，地下 水绕过支护墙连砂土 一同涌入基坑。 （一）非重力式支护结构挡墙的破坏 （二）重力式支护结构的破坏 重力式支护结构的破坏包括 强度破坏 稳定性破坏 其强度破坏只是水泥土抗剪强度不足， 产生剪切破坏，为此需验算最大剪应力 处的墙身应力。 （二）重力式支护结构的破坏 重力式支护结构的稳定性破坏包括： 1. 倾覆 2. 滑移 3. 土体整体滑动失稳 4. 坑底隆起 5. 管涌 二 非重力式支护结构计算 （一）支护结构承受的荷载 支护结构承受的荷载一般包括 土压力 水压力 墙后地面荷载引起的附加荷载。 二 非重力式支护结构计算 1 土压力 主动土压力：若挡墙在 墙后土压力作用下向前位移 时随位移增大，墙后土压力 渐减小。当位移达某一数值 时，土体内出现滑裂面，墙 后土达极限平衡状态，此时 土压力称为主动土压力，以 Ea表示。 Ea - 滑裂面 二 非重力式支护结构计算 静止土压力：若挡墙 在土压力作用下墙本身 不发生变形和任何位移 （移动或滑动），墙后 填土处于弹性平衡状态， 则此时作用在挡墙上的 土压力成为静止土压力。 以E0表示。 E0 二 非重力式支护结构计算 (3)被动土压力：若挡墙在 外力作用下墙向墙背向移 动，随位移增大，墙所受 土的反作用力渐增大，当 位移达一定数值时，土体 内出现滑裂面，墙后土处 被动极限平衡状态，此时 土压力称为被动土压力， 以Ep表示。 + 外力Ep 滑裂面 土压力表示 主动土压力强度（无粘性土） 粘性土 对于粘性土按计算公式计算时，主动土 压力在土层顶部（H=0处）为负值，即 表明出现拉力区，这在实际上是不可能发 生的。可计算临界高度以下的主动土压力 ： 土压力分布土压力分布 Zc H 可计算此种情况下的临界高度Zc，进 而计算临界高度以下的主动土压力。 土压力分布土压力分布 土压力表示土压力表示 被动土压力强度 无粘性土 粘性土 土压力表示土压力表示 悬臂式挡土结构，对于土的性质、荷载 大小等非常敏感，它完全依靠足够的入 土深度来保持其稳定性，故其高度一般 不大于4。 为了施工的安全，支撑和锚杆宜根据最 大土压力计算，即根据实测压力曲线的 包络线来确定。该包络线近似梯形或矩 形，与库伦理论计算的三角形土压力不 同。 土压力分布土压力分布 悬臂无支撑挡墙 ，其压力分布为 主动土压力，是 三角形分布，被 动土压力也是三 角形分布。 被动土压力 主动土压力 土压力分布土压力分布 多支撑或多拉锚的挡墙背面上的土压 力分布图形砂土为梯形，粘土土压力 分布图是稍复杂的三角形。 土压力分布土压力分布 悬臂挡土墙所承受的 主动土压力完全由其 底部的被动土压力来 平衡； 而锚定板单支点的挡 土结构，其主动土压 力则由锚定板拉杆和 底部的被动土压力共 同承受，加以平衡。 T Ea1 Ea2 EP 土压力分布土压力分布 不同深度处土的内聚力C不是一个常数，它与 土的上覆荷重有关，一般随深度的加大而增大 ，对于暴露时间长的基坑，土的内聚力可由于 土体含水量的变化和氧化等因素的影响而减小 甚至消失。 、C 值是计算侧向土压力的主要参数，但在 工程桩打设前后的、C值是不同的。在粘性土 中打设工程桩时，产生挤土现象，孔隙水压力 急剧升高，对、C值产生影响。另外，降低地 下水位也会使、C值产生变化。 2. 2. 水压力水压力 作用于支护结构上 的水压力一般按静 水压力考虑。有稳 态渗流时按三角形 分布计算。 A B CDE F 2. 2. 水压力水压力 A B C E H F 在有残余水压力时， 水压力按梯形分布。 水压力和土压力水压力和土压力 水压力和土压力的分算或合算问题，目 前均采用。 一般情况下，由于粘性土中水主要是结 晶水和结合水，宜合算; 在砂性土中土颗粒之间的空隙中充满的 是自由水，受重力作用，为静水压力作 用，宜分算。 水压力和土压力水压力和土压力 合算时，地下水位以下土的重力密度采 用饱和重力密度sat ； 分算时，地下水位以下土的重力密度采 用浮重力密度 ; 另外单独计算静水压力，按三角形分布 考虑。 3. 3. 墙后地面荷载引起附加荷载墙后地面荷载引起附加荷载 有三种情况： 墙后有均布荷载 距离支护结构一定距离有均布荷载 距离支护结构一定距离有集中荷载（ 如塔吊、混凝土泵车等）由引起的附 加荷载分布在支护结构的一定范围2上 。 墙后有均布荷载墙后有均布荷载 如墙后堆有土方、材 料等地面均布荷载对 支护结构引起的附加 荷载，可按下式计算 ： q H 距离支护结构一定距离支护结构一定 距离有均布荷载此时压 应力传到支护结构上有一 空白距离h1 ,在h1之下产生 均布的附加应力： l1 q H e1 e2 3. 3. 墙后地面荷载引起附加荷载墙后地面荷载引起附加荷载 距离支护结构一 定距离有集中荷载 （如塔吊、混凝 土泵车等）由引 起的附加荷载分布 在支护结构的一定 范围2上。 H P l2 h2 非重力式支护结构的计算非重力式支护结构的计算 深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。 基坑支护结构极限状态可有两类： 承载能力极限状态 正常使用极限状态 非重力式支护结构的计算非重力式支护结构的计算 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。 基坑侧壁安全等级及重要性系数基坑侧壁安全等级及重要性系数 安全等级 破坏后果0 一级 支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑 周边环境及地下结构施工影响严重 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 （二）悬臂桩墙的计算（二）悬臂桩墙的计算 排桩、地下连续墙嵌固深度设计值宜 按下列规定： 1.悬臂式支护结构嵌固深度设计值hd宜 按下式确定