第2章 深基坑支护结构体系 2.12.1深基坑支护工程概述深基坑支护工程概述 2.22.2支护结构设计荷载支护结构设计荷载 2.3 2.3 悬臂式桩排支护结构悬臂式桩排支护结构 2.4 2.4 单层桩锚式支护结构单层桩锚式支护结构 2.5 2.5 多层锚杆支护结构多层锚杆支护结构 2.62.6内撑式支护结构体系内撑式支护结构体系 2.72.7土层锚杆支护体系土层锚杆支护体系 2.8 2.8 土钉支护设计土钉支护设计 深基坑支护结构体系讲解2.1深基坑支护工程概述深基坑支护工程概述基坑开挖是基础和高层地下室施工中的一个老的问题，同时又是一个综合性的工程难题，涉及到土力学中许多问题，涉及到土与支护结构的共同作用，涉及到周边环境的问题，还涉及到施工方法、施工技术、施工作业的程序、安排等。随着高层基础埋置深度加大，支护结构设计问题越来越显得重要。2.1.1基坑含义基坑含义 深基坑的“深”本难以明确的界定，是一个“模糊”的概念，相对于一定的地质，水文条件，一定的施工技术水平，形成一定的施工难度，大家对于达到一定施工难度的，地面以下一定尺寸的基坑谓之“深”，反之为“浅”。在目前的水平上，较为工程界大多数人所接受深基坑概念是指深度57m以上的基坑。深基坑支护结构体系讲解 如武汉市出于武汉特有的地质情况和管理操作方便，在武汉地区深基坑工程技术指南WBJ1-7-95中规定：“当基坑开挖深度6m，或有地下室时，应视为深基坑”。 有地下室没有达到6m也视为深基坑，正是从施工难度增加考虑的。2.1.2 2.1.2 基坑支护结构设计内容基坑支护结构设计内容 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基坑底失稳、管涌导致土体或支护结构破坏，内支撑压屈失稳，支护桩墙锚杆抗拔失效等；2.正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已破坏基坑周边环境的平衡状态并产生了不良影响，如引起周边相邻的建筑物倾斜、开裂；道路沉降、开裂；周边的地下管线沉降变形开裂等。深基坑支护结构体系讲解 根据承载能力极限限状态和正常使用极限状态的要求，基坑支护设计应包括下列内容：（1）支护体系的方案技术经济比较和选型；（2）支护结构的强度，稳定和变形计算；（3）基坑内外土体的稳定性验算； （4）基坑降水或止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计；（5）基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形及其对基础桩、邻近建筑物和周边环境的影响；（6）基坑开挖施工方法的可行性及基坑施工过程中的监测要求。2.1.3 2.1.3 支护结构安全等级支护结构安全等级 建设部建筑基坑支护技术规程中对基坑侧壁安全等级规定见表2-1。深基坑支护结构体系讲解表2-1建筑基坑侧壁安全等级及重要性系数 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。 武汉地区深基坑工程技术指南WBJ1-7-95对基坑安全等级规定更为详尽一些，见表2-2。深基坑支护结构体系讲解表2-2深基坑工程的安全等级注：H坑深a主干道、生命线工程及邻近重要建(构)筑物基础边缘离坑壁 的距离，符合上表右项条件之一即可判定。深基坑支护结构体系讲解对于安全等级为一级、二级的建筑基坑侧壁，尚应进行基坑支护结构水平位移计算。如武汉地区深基坑技术指南中，对支护结构的最大水平位移要求如下：对于安全等级一级的支护，应满足40mm，对于安全等级二级的支护，应满足100mm，对于安全等级三级的支护，应满足200mm。2.1.4 2.1.4 支护结构设计对勘察工作的要求支护结构设计对勘察工作的要求 应根据基坑的开挖深度及场地岩土工程条件合理地确定勘察范围、勘探点的位置及数量，地层变化较大时，应增加勘探点，查明分布规律，为支护结构设计提供可靠的资料。主要要求如下：深基坑支护结构体系讲解1.场地水文地质条件，水文地质勘察应达到以场地水文地质条件，水文地质勘察应达到以下要求下要求： （1）查明开挖范围及邻近场地地下水特征，各含水层(包括上层滞水、潜水、承压水)及隔水层的层位、埋深和分布条件；（2）测量各含水层的水位及其变幅；（3）查明各地层的渗透系数及水压、流速、流向、补给来源和排泄方向； （4）查明施工过程中水位变化及支护结构和基坑周边环境的影响，提出应采取的措施。2.2.基坑周边环境勘察应包括以下内容：基坑周边环境勘察应包括以下内容： （1）查明基坑周围影响范围内的建(构)筑物的结构类型、层数、基础类型与埋深及结构现状；深基坑支护结构体系讲解 （2）查明基坑周边的各类地下设施(包括上、下水管线、电缆、煤气、管道、热力管道、地下箱分布和性状； （3）查明场地周围和邻近地区地表和地下水体的分布，水位标高，距基坑距离及补给、排泄关系，对基坑开挖的影响程度；（4）查明基坑四周道路、车流量及载重情况。 3.3.在取得勘察资料的基础上，根据设计要求，针在取得勘察资料的基础上，根据设计要求，针对基坑特点，应提出解决下列问题的建议：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，提出对计算参数取值及支护方式的建议；（2）提出地下水的控制方法及计算参数的建议；（3）提出施工中应进行的具体现场监测项目建议；（4）提出基坑开挖过程中应注意的问题及其防治措施的建议。深基坑支护结构体系讲解 4.4.提出支护结构设计所需的基坑工程岩土工提出支护结构设计所需的基坑工程岩土工程测试参数。宜包含下列内容：程测试参数。宜包含下列内容： （1）含水量及密度试验，测试含水量w及重力密度； （2）直接剪切试验，测试固结快剪强度峰值指标c,； （3）三轴固结不排水试验，测试三轴不排水强度峰值指标Ccu、cu； （4）室内或原位试验，测试渗透系数k； （5）测试水平与垂直变位计算所需的参数。2.1.5 2.1.5 深基坑支护分类与选型深基坑支护分类与选型 深基坑边坡支护结构可根据周边环境条件，基坑开挖深度、工程地质、水文地质条件、施工季节、施工设备等条件，按表2-3选用。深基坑支护结构体系讲解表2-3深基坑边坡支护分类及适用条件深基坑支护结构体系讲解深基坑支护结构体系讲解深基坑支护结构体系讲解2.2支护结构设计荷载支护结构设计荷载 作用在支护结构上的荷载主要有：土压力、地下水水压力，坑口地面堆载，相邻房屋浅基基底传来的压力等。深基坑支护结构体系讲解2.2.1 2.2.1 土压力的极限状态土压力的极限状态 土压力的大小是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切的关系。根据挡土结构变位方向与大小将存在有三种不同极限状态的土压力，如图2-1所示。图2-1三种不同极限状态的土压力深基坑支护结构体系讲解 1. 1. 静止土压力静止土压力E E0 0当挡土结构在土压力作用下，不可能产生侧向位移时，则作用于结构上的土压力称为静止土压力。如建筑物地下室的外墙，由于横墙与楼板的支撑作用，墙体变形很小，可以认为是静止土压力。对于有内支撑的支护结构的角撑附近，地下连续墙围护结构的四角的土压力也是大于主动土压力而接近静止土压力的。 从理论上讲，土的静止侧压力系数 ，为土的泊松比。 土的静止侧压力系数宜通过原位试验测定，无条件实测时，可按下式估算： 正常固结土： 超固结土： 土的有效内摩擦角。深基坑支护结构体系讲解 土的静止侧压力系数取植还可参考表2-4取值。表2-4静止土压力系数Ko参考值 2. 2. 主动土压力主动土压力E Ea a 挡土结构在土压力的作用下，将向基坑内移动或绕前趾向基坑内转动。随着位移的增加，土体中的应力差将随之加大，则作用于挡土结构的土压力就逐渐减小。当位移达到一定量值时，则其后土体开始形成滑裂面，应力到达极限平衡状态，这时土压力处于最小值，称为主动土压力，深基坑支护结构体系讲解通常用Ea表示。进入主动土压力状态的位移量一般是比较小的，表2-5列出了位移的参考值。3. 3. 被动土压力被动土压力E Ep p 挡土结构在外荷作用下(如支承于其上的拱结构的推力等)，将向填土方向移动或转动。随着位移的增加，土体阻止其变位的抗力将增加，应力水平随之提高，使作用于结构上的土压力逐渐增加，当位移达到一定量值时，则土体中亦将形成一个滑裂面，应力到达极限平衡，这时土压力处于最大值，称为被动土压力，通常用Ep表示。进入被动土压力状态的位移量比主动状态要大得多。表2-5给出了砂土进入被动状态时位移的参考值。深基坑支护结构体系讲解表2-5产生主动和被动土压力所需的位移量注：表中h为墙高。 上述三种土压力是随位移变化的三种极限情况。由图3-1可见，其间有如下关系：EPE0Ea深基坑支护结构体系讲解对于基坑支护上的土压力，根据结构与土体情况、变位的状态一般是处于其间的某一状态。当结构允许产生较大的位移时，可按主动土压力来考虑。2.2.2 2.2.2 土压力计算土压力计算 基坑支护结构承受的侧向压力包括土压力、水压力、基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力。土压力应根据土体经受的侧向变形条件来确定。包括静止土压力、主动土压力、被动土压力。作用于支护结构的土压力可采用朗肯理论公式分层计算。1. 1. 静止土压力强度，可接下式计算：静止土压力强度，可接下式计算： (2-1)深基坑支护结构体系讲解式中，p0静止土压力强度，kPari第i层土的重度，KN/m3;hi第i层土的厚度,m；K0静止土压力系数。2. 2. 主动与被动土压力主动与被动土压力 按朗肯理论计算主动与被动土压力强度时，按下式计算：(2-2)(2-3)式中pa，pp朗肯主动与被动土压力强度，kPa；深基坑支护结构体系讲解q地面均布荷载，一般取1020kPa；ri第i层土的重度，KN/m3；hi第i层土的厚度，m；ka、kp朗肯主动与被动土压力系数；C、 计算点土的抗剪强度指标，kPa（）。3. 3. 土压力系数的调整土压力系数的调整 当支护结构经受的侧向变形条件不符合主动，被动极限平衡状态条件时，ka、kp可调整为Kma、Kmp,按下式确定：深基坑支护结构体系讲解(2-4) 对于一、二、三级安全等级的基坑m值分别取1.5、1.3、1.1。(2-5)4 4地下水对土压力的影响地下水对土压力的影响（1）对于碎石土及砂土：当存在地下水时，宜按水压力与土压力分算的原则计算，作用于支护结构上的侧压力为有效土压力与水压力之和。有效土压力按土的浮重度（）及有效抗剪强度指标（C，）计算。深基坑支护结构体系讲解（2）对于粉土及粘性土：当存在地下水时，可采用水压力与土压力合并计算的原则计算，水土合并的土压力按土的饱和重度（m）及总应力固结不排水抗剪强度指标（Ccu、）计算。2.3 2.3 悬臂式桩排支护结构悬臂式桩排支护结构 悬臂式桩排支护结构可由多种桩型组成，本节只涉及相间或密排插入基坑底面以下一定深度的钢筋混凝土桩，桩顶设置钢筋混凝土锁口梁，桩体承受水平推力，锁口梁调节各桩受力和水平位移的支护结构体系。挡土深度视地质条件和桩径而异，一般不宜超过6m。 悬臂桩支护结构静力计算主要目的有二个：(1)悬臂桩桩身插入基底面以下的最小入土深度Dmin；(2)桩身最大弯矩及所在位置，以计算桩身的截面和配筋。深基坑支护结构体系讲解2.3.1 2.3.1 结构静力计算模型结构静力计算模型 钢筋混凝土桩插入基底面以下的深度可以根据静力平衡条件确定：如图2-2所示，通过主被动两侧土压力对C点的力矩平衡，解式(2-6)，即可得最小入土深度Dmin。图2-2悬臂式桩排计算图深基坑支护结构体系讲解(2-6)式中 MEa1,MEa2分别为基底以上及以下主动土压力 之合力对C点的力矩(kN.m)；EEP被动土压力对C点的力矩(kN.m)。 桩的设计长度应按下式确定：D=H+Dmin(2-7)式中 H基坑开挖深度(m)； 增大系数，基坑底以下土质较好时取1.2；反之取1.4。深基坑支护结构体系讲解2.3.2 2.3.2 计算步骤计算步骤 土压力计算包括主动和被动压力和超载影响的计算。桩的入土深度为未知，可设为Dmin，这部分的土压力暂以包含Dmin的式子表示。 力矩平衡计算分别计算主、被动土压力对C点的力矩，再按照力矩平衡条件，列出平衡方程，一般为Dmin的三次方程。 解方程，得出Dmin。 求剪力为零点深度，对该深度截面计算弯矩，即为最大弯矩Mmax。根据Dmin确定桩的设计入土深度，根据Mmax确定适当的桩径、桩距和桩的配筋。深基坑支护结构体系讲解2.3.3 2.3.3 算例算例 某工程基坑支护拟采用悬臂桩结构，主要参数如图2-3(a)所示。试计算桩的设计长度，桩身最大弯矩及所在位置。图2-3悬臂式桩排支护算例图深基坑支护结构体系讲解1.土压力计算土压力计算 表2-6主动土压力计算表注：A点负值不计，B点的深度Z0根据(2C)=(Z0+q)Ka求得。深基坑支护结构体系讲解表2-7 被动土压力计算表 2.2.力矩平衡计算力矩平衡计算计算各力对计算各力对0 0点的力矩点的力矩 深基坑支护结构体系讲解表2-8 主动区力矩合计：1.55Dmin3+25.83Dmin2+143.35Dmin+265.2被动区力矩合计：6.46Dmin3+14.28Dmin2深基坑支护结构体系讲解根据平衡条件可得： 4.91Dmin3-11.55Dmin2-143.35Dmin-265.2=0 解之，得: Dmin=7.33m桩的设计嵌入深度取: 1.2Dmin=8.8m9m 桩的总长为: 6+9=15m 3. 3.求最大弯矩求最大弯矩 设剪力零点位于基底以下x处，该点以上主动土压力合力为：(51.665.55)2+51.66x+0.5(xKa)x =4.655x2+51.66x+143.35 该点以上被动土压力合力为： 28.56x+0.5(xKp)x=19.38x2+28.56x 令两者相等，得： 14.725x2-23.1x-143.35=0 解得 x=4.0m 深基坑支护结构体系讲解 对该截面求矩即得最大弯矩MmaxMmax=143.35(5.553+4)+51.66442+4.6554243-28.56442-19.384243=709.4kNm至此计算完毕，接着可按最大弯矩选择适当的桩径、桩距和配筋。但尚应注意计算所得Mmax是每延米桩排的弯矩值，应乘以桩距，并乘以荷载分项系数1.25之后，才是单桩弯矩设计值。 2.3.4 2.3.4 钢筋混凝土悬臂桩排结构设计要求钢筋混凝土悬臂桩排结构设计要求1.悬臂钢筋混凝土桩的配筋应按钢筋混凝土受弯构件计算和配筋，并应按规定采取构造措施。园形截面桩宜均匀配筋，在土质较好或采用人工挖孔桩确有施工保证可采用不均匀配筋，将抗弯钢筋集中布置在受拉边的弯矩作用平面左右各45范围内，以增大抵抗力矩。深基坑支护结构体系讲解2.钢筋混凝土锁口梁厚度一般可为400500mm，平面上外包桩体并突出50100mm，沿基坑周边形成封闭结构。锁口梁按水平面内作用有正负弯矩的受弯构件配筋，每侧不宜少于316，梁截面的总配筋率不小于0.4%，角撑可按构造设计为钢构件或钢筋混凝土构件。3.支护的钢筋混凝土桩采用疏排布置时，在各桩中间的空隙部位或桩背后适当布置止水桩，防止渗水和土体从桩间流失。也可在基坑开挖过程中逐步砌筑砖拱防渗。无论采用何种方式，其强度和构造应保证能可靠地将土水压力传递给桩身。深基坑支护结构体系讲解2.4单层桩锚式支护结构单层桩锚式支护结构 桩锚式支护由支护排桩，锚杆及围檩等组成，用以支挡坑壁土压力并限制坑壁的侧向位移。锚杆平面位置应在两个桩之间空隙穿过。锚杆由锚头，拉杆和锚固体组成，根据支护深度和土质条件锚杆可设置一层或多层，其锚固段应置于较好的粘性土或粉土、粉细砂层中。条件允许时，可在其坑边缘以外(超过潜在滑动面)设置锚定板，锚块或锚桩，用拉杆与桩排联结成顶层拉锚。2.4.1 2.4.1 构造构造 深基坑支护结构体系讲解2.4.2 2.4.2 荷载荷载 作用于桩锚支护体系的主、被动压力，可按太沙基佩克包络图分布或朗肯公式中偏于安全的使用。2.4.3 2.4.3 计算模型计算模型 单层锚杆支护结构又分为二种假定： 入土部分为自由端、上部铰结，适用于土质较好时，又称单锚浅埋板桩； 上部铰结，下端入土部分为弹性嵌固，称单锚深埋板桩，适用于土质较差时。因上部锚固，板桩可绕锚固点转动，下部入土深度太浅时，被动土压力不足以抵抗主动土压力作用，达到一定深度时，绕上锚固点的力矩平衡时，可稳定(但从安全计被动土压力系数取)，此时的情况相当于上述第一种情况。若板桩在不太好的土层中，浅埋易受其它因素干扰失稳，下端应按照弹性嵌固假定计算，此时板桩入土深度要加大，相当于第二种情况。深基坑支护结构体系讲解1.1.单锚浅埋支护结构单锚浅埋支护结构 沿桩排方向取单位长度1m研究，参见图2-4。对A点取矩，令MA=0，x=0有：MEa1+MEa2-MEp=0(2-8)T=Ea1+Ea2-Ep(2-9)MEa1,MEa2基坑底上、下主动土压力合力对A的力矩(KNm)；MEp被动土压力合力时A点的力矩(KNm)；Ea1，Ea2基底上、下主动土压力(KN)；Ep被动土压力合力(KN)；Dmin最小入土深度。以上两方程中（2-8）式中含有Dmin可解出Dmin，(2-9)式可计算T锚固力值。深基坑支护结构体系讲解 图2-4单锚浅埋支护结构计算图深基坑支护结构体系讲解2.2.单锚深埋支护结构单锚深埋支护结构 沿桩排方向取单位长度1m来研究。 桩排入土深度相对较深，变形曲线下部出现反弯点，如图中虚线所示，反弯点的位置，由实验知近似简化为前后主、被动土压力为零处。如图2-5所示，设支护桩由AK和KN两段简支梁组成，K点为一固定铰。首先由AK梁的平衡求出锚固力T和K点剪刀Vk，然后按Vk值计算KN段长度。由基坑底至K点的深度D1按主、被动土压力强度相等的条件求得。D D1 1=(e=(eahah2c)2c)(k(kp p-k-ka a) ) (2-10)Vk=(ME1+ME2)/(HH0+D1)T=E1+E2Vk深基坑支护结构体系讲解D2=(2-11)Dmin=D1+D2式中D1K点距基坑底的深度(m)；eaH坑底深度处的主动土压力强度(kPa)；所考虑深度范围土的重度(kNm3)；B边坡单位长度，取1m；D2KN段长度(m)；ka,kp所考虑深度范围土的主、被动土压力系数；E1,E2AK之间坑底上、下净土压力合力(kN)；ME1,ME2AK之间坑底上、下净土压力合力对A点的力矩(kN.m)；H，H0基坑开挖深度及锚杆设置深度(m)其余符号意义同前。深基坑支护结构体系讲解2.4.4 2.4.4 算例算例某基坑深6m，拟采用单锚式钢筋砼桩排护壁，从桩顶往下1.5m处设置锚杆，锚杆间距2m，土质为砂性土=32，=17.6KNm3，基坑边施工前为q=10Kpa。试按单锚深埋法计算锚杆的水平拉力，桩的入土深度，桩身最大弯短及所在位置。图2-8单锚深埋算例图深基坑支护结构体系讲解解：解：1.计算模型如图计算模型如图2-6所示。所示。沿桩排方向取1m长度计算土压力计算见表2-9,表2-102.2.求反弯点位置求反弯点位置 反弯点位置可以桩前后土压力为零点近似确定：35.489+5.403D1=57.288D1解出：D1=0.68m表2-10被动土压力计算表深基坑支护结构体系讲解表2-9主动土压力计算表深基坑支护结构体系讲解3.3.求求Dmin Dmin 在图2-6中E1=(3.07+35.489)6/2=115.677KNE2=35.4890.68=12.066KN对B点取矩ME1=3.076(-1.5)+(35.489-3.07)6(6-1.5)=270.77KNME2=12.066(6-1.5+0.68)=57.03KN 于是深基坑支护结构体系讲解 水平拉力：T=E1+E2-VK=115.677+12.066-63.28=64.46KN 入土深度：Dmin=D1+D2=0.68+2.71=3.39取为3.4m4.4.桩长设计值：桩长设计值： D=H+KdDmin，Kd取1.4=6+1.43.39=10.75m取D=11米 5. 5.求桩身最大弯矩及其位置求桩身最大弯矩及其位置 设剪力零点(即最大弯矩点)位于基底以下x处。该点以上主动土压力合力为：深基坑支护结构体系讲解 (3.07+35.489+5.403x)(6+x)；被动土压力为： 57.288x2； 锚杆水平拉力为：T=64.46KN令桩排左右两边水平力相等并化简得方程： 25.944x2-35.489x-51.217=0 解之可得， x=2.2m对该截面取矩即可得最大弯矩Mmax由前面的表格，可求得在x=2.2m处， 主动土压力为：35.489+5.4032.2=47.38Kpa 被动土压力为：57.2882.2=126Kpa对V点取矩(图2-7)有：Mmax= 3.07(6+2.2)2+ (6+2.2)2(47.38-3.07)-1262.22-64.46(6+2.2-1.5)=66.258(KNm)深基坑支护结构体系讲解图2-7桩身最大弯矩计算图深基坑支护结构体系讲解2.5 2.5 多层锚杆支护结构多层锚杆支护结构 2.5.1 2.5.1 计算假设计算假设 当基坑深度较大时，单层锚杆尚不能完全保证桩墙的稳定，需要设置多层锚杆。多层锚杆的设置是随着开挖不同工况逐层向下开挖而分次设置的，见图2-8。根据实测资料这样设置的多层锚杆有如下一些现象：1.下道锚杆设置之后，上道锚杆的轴向力只有微小的变化，锚杆所在点可以看作是不动点；2.下道锚杆支点以上的墙体变位，大部分是在下道横撑设置前产生的。深基坑支护结构体系讲解 多层锚杆支护结构是超静定问题，根据实际支护中的实测资料可按下列假定将超静定问题简化为静定问题进行计算： （1）各层锚杆所在点均为不动支点；（2）支护桩的下端按简支端考虑；（3）在自上至下逐层计算过程中，某一层锚固力一旦确定，在后续的计算中保持不变。图2-8多层锚杆支护工况图深基坑支护结构体系讲解2.5.2 2.5.2 计算模型计算模型 如图2-9所示，对于第i层锚杆计算如下：对点取矩，令MI=0，则有：MEa2iMEa1i+=0(2-12)Ti=Ea1i+Ea2i-Epi-(2-13)式中及图中： Hi设置第i+1层锚杆时的开挖深度(m) Di所计算阶段满足力矩平衡的计算入土深度(m) Ea1i,Ea2i分别为Hi深度下的开挖底面上下主动土压力合力(KN) EpiDi深度范围内的被动土压力合力(KN)深基坑支护结构体系讲解 图2-9多层锚杆支护结构计算图深基坑支护结构体系讲解MEa1i,MEa2i,MEpi各项土压力对点的力矩(KN.m)第至第i-1层锚固力对点的力矩(KN.m)在上式(2-12)中，含有Di，解出后从(2-13)式中可算出第i层锚固力Ti(KN)。对最下一层锚标计算得出的Di值可作为桩的最小入土深度Dmin。 支护桩的设计长度D按下式确定：D=H+KdDmin(土质好时Kd=1.2,反之Kd=1.4)按此设计的入土深度，尚应满足整体稳定性验算要求。深基坑支护结构体系讲解2.5.3 2.5.3 算例算例 某工程基坑深10m，土层分布及参数见图2-10所示，坑口地面堆载平均以q=10kpa计算。拟采用二层锚杆锚固钢筋混凝土灌注桩排支护结构，第一、二层锚杆设在坑口下3m,6m处。基坑安全等级按一级考虑。试求支护桩桩长，最大弯矩及所在位置。 右图2-10土层分布图深基坑支护结构体系讲解1.1.计算主动土压力计算主动土压力 对多层锚杆要分工况计算，不同工况被动区深度不同，故只能先算出主动侧的土压力，被动区的土压力则分工况计算。2.2.工况工况1 1之计算之计算 工况1：第一层锚杆已设，锚固力待求，开挖至7.0m，第二层锚杆尚未设置。如图2-11所示。力矩平衡计算：以T1作用点为力矩中心，设力矩逆时针方向为负，被动土压力除以1.5折减。 根据力矩平衡条件可得5.54Dx3+48.24Dx2-16.2Dx-524.43=0解之，得Dx=2.97m。 将Dx之值代入各块合力算式，利用水平向力的平衡条件，可得：T1=575.25-413.8=161.45kN深基坑支护结构体系讲解表2-11主动土压力计算表注：q=10kPaea(x)为土层内压力随深度变化的方程式，x项系数等于层顶底土压力差除以层厚，亦即土压力强度随深度变化方程的斜率。深基坑支护结构体系讲解深基坑支护结构体系讲解 表2-12被动土压力计算表深基坑支护结构体系讲解表2-13工况1计算表深基坑支护结构体系讲解 图2-11工况1计算图深基坑支护结构体系讲解 3. 3.工况工况2 2之计算之计算 工况2：两层锚杆均已设，开挖至10.0m，第一层锚杆力已确定为161kN，如图2-12所示。 被动土压力计算： 见下表力矩平衡计算：以T2作用点为力矩中心，设力矩逆时针方向为负，被动土压力除以1.5折减。注意除土压力之外，尚应包括上层锚杆力的力矩。 根据力矩平衡条件可得9.75Dx3+123.1Dx2+216Dx-1411.35=0解之，得Dx=2.45m。Dmin=3.5+2.45=5.95(m)将Dx之值代入各块合力算式，利用水平向力的平衡条件，可得：T2=990-161-634=195kN（具体计算表格在下图）深基坑支护结构体系讲解表2-14工况2被动土压力计算表深基坑支护结构体系讲解图2-12工况2计算图 深基坑支护结构体系讲解表2-15工况2计算表深基坑支护结构体系讲解4.4.求工况求工况2 2的最大弯矩的最大弯矩 最大弯矩所在截面为剪力为零处。一般在最下一层锚杆以下。根据土压力分布图可算得9.0m深度处的剪力为35.7kN，13.5m深度处的剪力为-157.62kN，剪力零点在此之间。利用第层土的土压力随深度变化关系，可列出方程，求出剪力零点的准确位置在9.48m处。计算9.48m深度截面以上所有土压力、锚固力对该截面的力矩，得到Mmax=645.5kNm。5.5.支护桩设计长度支护桩设计长度 D=H+Kd.Dmin=10+1.25.95=17.14(m)深基坑支护结构体系讲解2.5.4 2.5.4 桩径、桩距与配筋桩径、桩距与配筋 设有撑锚的支护桩排，其弯矩值可通过增加撑、锚的层数来控制，因此一般比悬臂桩的弯矩小。这样，设有撑锚的支护桩排有可能采用较小的桩径。通常推荐的桩径最小为400mm。适用于土质好的粘性土分布区；土质较差时宜采用600以上的桩。桩的间距应根据土质、弯矩值等确定。最小应有200300mm的净距，以便在桩间设置锚杆。净距也不宜过大，以便有效地挡土。设有撑锚的支护桩内的弯矩沿纵向往往是正负交替改变的，由于撑锚对桩的变形限制程度的不同，土压力的分布会发生改变，这也将导致桩身弯矩的变化。因此，一般要求对设有撑锚的支护桩按最大弯矩均匀对称配筋。深基坑支护结构体系讲解2.62.6内撑式支护结构体系内撑式支护结构体系 当采用悬臂式支护结构，其稳定性、位移值不能满足要求时，可采用内撑式支护结构。内撑式支护结构体系由两部分组成，一是围护壁结构，二是基坑内的支撑系统。围护壁可以是钢板桩，钢筋混凝土地下连续墙，钢筋混凝土桩排等。支撑系统按材料分可分为钢管支撑、型钢支撑、钢筋混凝土支撑，钢和钢筋混凝土的组合支撑等。按其受力形式可分为单跨压杆式支撑、多跨压杆式支撑、水平框架式支撑、水平桁架式支撑、斜支撑、角支撑等。2.6.1 2.6.1 内撑式支护结构形式内撑式支护结构形式 深基坑支护结构体系讲解斜支撑适用于支护结构高度不大，所需支撑力不大的情况，一般为单层，不宜超过二层。水平支撑可设计成格构、桁架、纵横对顶、环梁等多种形式。水平支撑可以单层设置也可多层设置。基坑平面尺寸较大时，还需在水平支撑下设置立柱，见图2-13。内支撑结构体系的各构件可采用钢结构，亦可采用钢筋混凝土结构。工程上通常将围护结构支撑体系设计成水平的封闭体系，以提高支护结构的整体刚度。支撑体系的几何形式可布置成多种多样(图2-14)，要根据基坑平面大小、深度、基坑施工、工期、施工方法，支护结构材料进行优化设计，尽可能使支护体系受力良好，施工方便、节省投资。为防止一个方向支撑的位移迫使另一个方向支撑失稳，宜采用基坑长边对顶支撑与角撑分别受力的结构形式(图2-14c)，或加强围檩式、格构式、加强角撑式结构(图2-14a,b,d)。对于规则的正方形基坑可采用内环梁式平面支撑体系(图2-14e)。深基坑支护结构体系讲解图2-13内支撑布置的基本形式图1.斜支撑2.角撑3.锁口梁4.围檩5.横向水平支撑6.纵向水平支撑7.支撑立柱8.立柱基础深基坑支护结构体系讲解图2-14内支撑布置形式示意图深基坑支护结构体系讲解钢结构支撑的平面布置宜优先采用相互正交，均匀布置的平面对撑体系或对称桁架体系。对于长条形的基坑可采用单向布置的对撑体系，在基坑四角设置水平角撑(如图2-14c)。 支撑体系是为施工而构筑的临时结构，对它的要求就是既方便施工，又安全可靠，如果沿用纵横交叉的井格梁系作水平封闭框架，则施工空间受到分隔，不利于基坑挖土和地下结构施工。以方便施工为目标的结构几何布置优化就是要使支撑结构给施工创造尽量大的工作空间，封闭框架的几何布置要根据基坑形状的不同，尽可能采用一些受力性能良好的杆件形式，如圆环形杆件、弓形桁架杆件、折线形杆件等，在框架平面中心区域形成宽敞的施工空间，如基坑是接近正方形的矩形，可以采用圆环结构，是长方形的我们则可以选两个半圆加一些集束形支撑，如是不规则多边形，可以在其内做一个内切圆，也可以在其周边做深基坑支护结构体系讲解一些几何稳定的折线形杆件，在内折角做一些搭角斜撑等。综合应用这些杆件形式，同时兼顾结构施工对支撑位置的要求，注意形成封闭刚架的整体刚度，就能实现结构几何布置的优化。 在几何布置优化过程中，设计者应依据钢筋混凝土材料的特性，尽量使主要受力构件处于压弯状态，在以控制投资为目标的杆件设计优化中，要对封闭框架进行准确的内力计算，在满足围护结构整体刚度的条件下，使预先设定的杆件断面趋于合理，有条件的还可以做钢筋凝土结构和钢结构组合框架，将拉杆改成钢结构以减轻结构自重，日后可以更方便地拆除。钢筋混凝土封闭框架结构优化与否，将直接影响到工程的施工速度、投资控制，因此在支撑体系的设计中必须强调结构优化的指导思想。实践中优化的方法有以方便施工为目标的结构几何布置的优化和以控制投资为目标的杆件设计优化，这两种优化方法在支撑体系中常常是一致的，先进行前一项的几何布置优化，尔后着手后一项的设计。 深基坑支护结构体系讲解 在竖向平面内，内支撑设置的层数，间距应经计算确定。布置支撑结构应避开建筑物柱位和地下结构的其它重要部位，还应考虑方便后续施工和拆除。与内支撑配套的支护体系必须具有相应的强度和刚度。支柱应有一定的埋置深度和抗压、抗拔承载能力。 2.6.2 2.6.2 内撑式支护结构内力计算内撑式支护结构内力计算 就内撑式支护结构体系而言，围护桩墙挡土结构和内支撑体系共同组成了一空间结构体系，共同承受土体荷载作用，理应按照空间结构进行计算。但实际上，施工过程中墙体结构、支撑结构内力和变形与墙体的刚度、支撑的刚度和效果、土体的状态、施工开挖的方式、开挖的速度、围护墙体暴露的时间等因素都有关，在计算中这些因素难以全部加以考虑，按空间结构进行计算的实施方法还有待于进一步研究。深基坑支护结构体系讲解 据文献3介绍，上海地区常用SUPERSAP-5和SAP-90两个程序，用以计算基坑墙体、支撑的内力和位移，计算值与实测值有较大的差异，例如墙体位移实测值往往比计算值约大23倍，个别达45倍。这就是因为上述诸多因素在计算模型中难以准确、合理地考虑，加之程序是以弹性理论为基础的，而土体一般是弹、塑性的，到接近破坏时是进入塑性状态的。因此，支撑体系设计宜尽量简明，传力路线清楚、有足够的刚度构造措施、施工措施得力，计算模型符合施工工况实际，这样计算结果与实际出入就可能减小。支护结构体系的传力途径基本上是这样的：基坑外侧土压力直接作用在围护壁上，围护壁上的力通过围檩传递给支撑结构体系。支撑杆是支撑结构中的主要受压杆件，支撑杆相对于受荷面来说有垂直于荷载面和倾斜于荷载面二种，即水平支撑和斜支撑。支撑杆由于受自深基坑支护结构体系讲解重和施工荷载的作用，是一种压弯杆件，是力学上的非线性问题，施工实践中常简化为线性问题来计算。在基坑平面尺寸较大时，在各受压支撑杆件增设三向束节点构造，以减短压弯支撑杆件的计算长度，或将支撑杆设计成支撑桁架，以加强支撑杆件的刚度和稳定性，当设计成桁架时，腹杆应该按其受力情况合理的选择断面的尺寸。支撑杆和支撑桁架还需要设置立柱来支撑。立柱通常采用钢管砼柱、H型钢和钢格构柱。立柱下面还要有立柱桩支承，立柱桩可以借用工程柱，也可以单独设计支承桩。下面介绍在工程实用中对支撑结构的一些常用计算方法和原则。 1. 1.平面形状复杂的支撑体系、格构式、桁架平面形状复杂的支撑体系、格构式、桁架式、环梁式支撑的内力宜按有限元方法计算。式、环梁式支撑的内力宜按有限元方法计算。 深基坑支护结构体系讲解 2. 2.对顶式支撑结构的支撑力按下式计算：对顶式支撑结构的支撑力按下式计算： (2-14)式中Ri第i层支撑的支撑力(kN)第i层支撑每延长米的支撑力(kN/m)，其计算方法与桩锚体系的锚固力计算相同，见本章2.4,2.5节。Li第i层支撑的水平间距(m) 支撑力分布不均匀系数，视工程重要 程度在1.11.3之间取值。 3. 3.垂直面上的斜撑、水平角撑均按两端铰支计垂直面上的斜撑、水平角撑均按两端铰支计算，计算简图见图算，计算简图见图2-15,2-162-15,2-16。应计算的内容如。应计算的内容如下。下。深基坑支护结构体系讲解(1)垂直面上的斜撑一般采用钢支撑，垂直面(绕X-X轴)内为偏心受压构件，其内力为： N =RAT/cos+g(L/2)sin M =(1/8)g(Lcos)2 (2)水平角撑可用钢支撑、亦可用钢筋混凝土支撑。垂直面(绕X-X)为偏心受压构件，其内力为： N=RAT /sin(或N=RBT/cos)M=(1/8)gL2(3)斜撑和水平角撑应按中心受压验算平面内、外的稳定性。(4)应验算斜撑、水平角撑的支撑面及斜撑下支点的抗滑移强度、承压强度。深基坑支护结构体系讲解图2-15斜支撑计算图g0：单位长度支撑自重RAT：支撑点A的水平分力RBV：地基垂直反力RAV:A点支撑力的垂直分力RBT：地基水平反力深基坑支护结构体系讲解图2-16角撑计算图RA=RB=RAT/sin=RBT/cosRAV=RAT/tgRBV=RBTtg深基坑支护结构体系讲解4.对顶式支撑按以下规定进行验算：对顶式支撑按以下规定进行验算：(1)单跨对顶支撑的计算与第3条水平角撑同，仅=90,=90。(2)基坑内设置纵横对顶支撑，其交点下设立柱，支撑的轴力考虑温度影响按式(2-15)计算。 Ni=1.2Ri(2-15)式中Ni第i层支撑的轴力(kN)Ri第i层支撑的支撑反力(kN)。(3)当纵横支撑交叉处各方向的连结强度Ni/10时，支撑计算长度L0=S(交叉点间距)；否则，L0=L(整根支撑长度)。(4)支撑的弯矩为安装偏心e=L0/1000产生的弯矩和自重产生的弯矩之和。深基坑支护结构体系讲解5.支撑中间的立柱按中心受压柱计算支撑中间的立柱按中心受压柱计算(1)立柱轴力 Nz=Nz1Nz2(2-16)式中Nz1水平支撑及柱自重产生的轴力(kN)；Nz2附加轴力(kN)；Ni第i层支撑交汇于本立柱的所有受力杆件的 轴力(kN)，负值为上拔力；n支撑层数。(2)当支撑与立柱的连接强度大于0.1Ni时，以支撑的竖向间距为柱计算长度，否则应以柱的全高为计算长度。深基坑支护结构体系讲解2.72.7土层锚杆支护体系土层锚杆支护体系 高层深基坑支护结构采用内支撑体系往往给施工带来不方便，在基坑周边土层条件许可的情况下采用土层锚杆，则可解决内支撑体系防碍施工的问题，特别是在基坑形状不规则，支撑体系布置复杂的情况下，以锚杆代替内支撑体系往往更为优越。 2.7.1 2.7.1 锚杆支护体系组成锚杆支护体系组成 锚杆支护体系由基坑围护挡土构筑物、腰梁(围檩)、锚杆组成，如图2-17所示。 腰梁(围檩)可用型钢或钢筋混凝土梁，它可使挡土构筑物上的土压力较均匀地分配传递到相应的锚杆。深基坑支护结构体系讲解图2-17锚杆支护体系组成示意图深基坑支护结构体系讲解土层锚区一般根据朗肯主动滑裂面分为土体滑动区和有效锚固区，锚固力主要是由处在有效锚固区的灌浆锚固头与土体的摩阻力提供的。处在滑裂区的锚杆部分应外加套管或沥青涂层，避免灌浆时与土层粘结，这样不会影响滑动区土体的自由变形，同时又可防护锚杆锈蚀。2.7.2 2.7.2 锚杆的设计锚杆的设计 1.1.锚杆设计锚固力按下式确定：锚杆设计锚固力按下式确定： Ra=TScos (2-17)式中：Ra单根锚杆轴向抗拔力设计值(KN)；S锚杆的水平方向的间距(m)；锚杆对水平方向的倾斜角；T计算所需的每米宽度挡土构筑物所需水平方 向锚固力(KNm)；荷载分项系数，安全等级一、二、三级基坑 分别取1.2,1.1,1.0。深基坑支护结构体系讲解2.2.锚杆的轴向抗拔力设计值尚应满足下式：锚杆的轴向抗拔力设计值尚应满足下式：(2-18)式中： Ra单根锚杆轴向抗拔力设计值(KN)； Li锚杆的有效锚固段在第i层土内的长度(m)； D锚固体的直径(m)； fi第i层土与锚固体的极限粘结强度标准值(kpa)； n有效锚固段穿越土的层数； rs锚杆抗拔力分项系数，可取1.3。 极限抗拔摩阻力fi可按表2-16参考取值。深基坑支护结构体系讲解表2-16土体与锚固体极限粘结强度标准值深基坑支护结构体系讲解3.锚杆的倾角及布置锚杆的倾角及布置 为有效的抵抗挡土构筑物的土压力，倾角宜小；但从锚杆灌浆要求倾角不应小于13左右；此外为使有效锚固段能进入较好土层，需选择适当的倾角，综合这几方面的要求一般锚杆的倾角在1535左右，且不应大于45。锚杆的上、下排垂直间距不宜小于2.0m，水平间距不宜小于1.5m，否则要考虑锚杆的相互影响，单根锚杆的承载力要降低。锚杆锚固段的上覆土层厚度不宜小于4m。4.4.锚杆的材料与直径锚杆的材料与直径锚杆材料可以选用钢筋，钢绞线，精轧螺纹钢筋等，当锚杆极限承载力小于500KN时，一般可采用级或级钢筋。锚杆的直径可按下式确定：深基坑支护结构体系讲解(2-19)式中 d拉杆直径(mm)； 锚杆材料拉应力设计值(KNmm2)。 5.5.锚杆的长度锚杆的长度 根据锚杆的布置、倾角，公式(2-17)、(2-18)，潜在的朗肯滑动面的位置，可以试算出锚杆的有效锚固长度Le=，然后根据挡土构筑物的厚度，锚固所要求的预留长度，便可推算出锚杆的全长L。 一般锚杆的自由段长度宜超过潜在滑裂面1.5m左右，有效锚固段的长度不宜小于4m，且不宜大于14m。试验和理论分析均表明，锚固长度增加到一定程度后，锚固体周侧的摩阻力发挥得很少，而锚杆过长带来的施工钻孔、灌浆、锚杆焊接、运输等困难却不小。深基坑支护结构体系讲解 为提高锚固力，在相同的土层中，一是增长锚杆有效锚固段的长度，二是增大锚固体的直径，增大摩阻接触面积。二者相比较，一般首选前者，较为简单，但不要超出常规机械打孔的长度。选择增加锚固体直径，需要适当扩大锚固段的孔径或增大灌浆压力难度大些。2.7.3 2.7.3 锚杆试验锚杆试验 1.1.极限抗拔力试验极限抗拔力试验 为了验证设计的锚固长度是否足够安全，需测定锚固体与地基之间的极限抗拔力，求出引起锚杆周围地基破坏，周边摩擦力消失或使锚杆拉出所需施加的荷载，用以检验所采用的土质参数是否合理。试验应于施工前的工地(相同地质条件)进行。深基坑支护结构体系讲解 试验方法与步骤在现场钻孔灌浆后的锚杆，待浆液达到70%以上的强度后才能进行抗拔试验。一般情况下普通水泥必要的养护期为8天左右，早强水泥为4天左右。试验步骤如下。(1)安装支架及千斤顶。(2)试验开始时按事先预计极限荷载的1/10施加荷载，最终每级按预计极限荷载的1/15施加荷载直至破坏。(3)加荷后每隔510min测读一次变位数值，每级加载阶段内记录不少于三次。(4)在某级荷载作用下，连续三次变位值不超过0.1mm即视为稳定，可施加下一级荷载。(5)在某级荷载作用下，变位值不断增加直至两小时仍不能稳定即认为已达极限破坏，并转入卸荷试验。(6)卸荷分级为加荷的24倍，每次卸荷后视土层情况1030min记录一次变位量，完全卸荷后再读23次，读完残余变位后试验才告全部结束。深基坑支护结构体系讲解2.2.张拉试验张拉试验 张拉试验也称性能试验。试验方法与抗拔试验相同，但张拉试验只做到1.01.2倍设计荷载。这样做是为了取得锚杆变位性状的数据，进一步核定锚杆是否已达到设计预定的承载能力。3.3.验收试验验收试验 验收试验是以张拉试验所获得的变位特性为依据，取锚杆总数的5%进行张拉试验，并与张拉试验资料比较，确认设计荷载的安全性，这种试验也称确认试验，一般以0.81.0倍设计荷载为张拉力一次加荷，如果在所定的荷载时间内变位不见增加，而且塑性变化与张拉试验时大体相同或更小即认为合格。深基坑支护结构体系讲解2.7.4 2.7.4 锚杆施工锚杆施工 锚杆的有效锚固力能否建立，与锚杆施工方法、施工效果关系很大，必须高度重视锚杆的施工，充分做好施工设计和准备。1.1.土层锚杆正式施工前准备工作土层锚杆正式施工前准备工作(1)熟悉工程、水文地质勘察资料；(2)查明土层锚杆施工场区的地下管线、构筑物等的具体位置和情况；(3)研究土层锚杆对邻近建筑物和地域的影响以及附近施工情况(如：打桩、降低地下水位、岩石爆破等)对土层锚杆的影响，并拟定相应的措施方案；(4)编制土层锚杆施工方案；(5)场地清理，机械设备、材料、电力供应及给排水的准备。深基坑支护结构体系讲解2.2.施工顺序施工顺序 一般情况下土层锚杆应按以下顺序施工：锚杆的加工与组装，钻孔锚杆的插入灌浆养护锚杆确认试验张拉固定。(1)(1)钻孔钻孔 钻孔机械与方法的选择为了保证土层锚杆质量和降低成本，必须正确选择钻孔和钻孔工艺。 1）钻孔机械 土层锚杆钻孔机械按工作原理分为旋转式钻孔机、冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机三类，其选用应根据土质条件，钻孔深度和地下水情况而定。 2）钻孔方法 钻孔方法有：螺旋钻孔干作业法、回旋式旋转钻机成孔法、潜水钻机成孔法、旋转冲击机成孔法。深基坑支护结构体系讲解钻孔要求1）锚孔保持顺直；2）孔壁不得坍塌和松动；3）钻孔时不得使用膨润土循环泥浆护壁，以免影响摩阻力。为了达到上述要求，需要根据不同成孔方法采取不同的相应措施，必要时应采用套管跟进成孔。 在地层松软、土质物理力学强度指标低、或在地下水位以下容易坍孔或缩颈的地层适宜使用长螺旋钻孔一次成孔的施工法。例如日本TK式钻机，它采用一套长螺旋空心钻杆，钻孔与插入受拉钢筋同时进行。钻孔时，将锚杆插入长螺旋杆中心管内，一同到达设计锚固深度后，提取螺旋钻杆1520cm，并采用压力灌浆。边灌浆边退钻杆，使中心锚杆及端头活动钻头留在孔内。灌浆时螺旋叶间充填的土可起到保护孔壁、防止坍滑和堵塞灌浆液的外流，从而提高灌浆压力的作用。深基坑支护结构体系讲解(2)(2)扩孔扩孔 在需要增大锚固段锚固力时，可采用锚固段扩孔措施。一般有以下四种方法：机械扩孔利用专门的机械扩孔装置，在锚固段形成几倍于钻孔直径的扩大头。爆炸扩孔将计算好的炸药置于钻孔内引爆而将土体向四周挤压形成球形扩大头。水力扩孔钻孔钻到锚固段时换上水力扩孔钻头，利用射水压力扩展孔径。 压浆扩孔在第二次灌浆时增大灌浆压力并保持一段时间，使浆液向四周土体渗透并挤压土体从而扩大孔径。深基坑支护结构体系讲解(3)(3)锚杆的制作与沉放锚杆的制作与沉放 钢筋锚杆钢筋锚杆钢筋锚杆一般由一根或数根粗钢筋组合而成。若锚杆由数根钢筋组合而成，则先绑孔或电焊连接(拉杆过长则分段制作)，设置定位器。定位器一般用细钢筋制作，沿钢筋锚杆120布置，间距为22.5m，外径小于钻孔直径10mm。为便于沉放，防止顶端插入孔壁，可以在顶端设置挡土板。在沉放过程中绑设灌浆管。钢丝束锚杆钢丝束锚杆钢丝束锚杆一般制成通长一根，与灌浆管一起绑孔，同时沉放。锚固段用撑筋环作定位器(间距0.51.0m)。钢丝束的钢丝分内外两层，外层钢丝绑扎在撑筋环上，内层钢丝则从撑筋环中间穿过。在沉放时为了防止顶端插入孔壁，应用一竹筒将顶端封套，然后对准钻孔中心沉放。钢铰线锚杆钢铰线锚杆钢铰线锚杆的沉放有专门的定位架。在沉放前应对锚固段进行除油脂处理。深基坑支护结构体系讲解(4)(4)压力灌浆压力灌浆 灌浆材料及配合比灌浆材料及配合比灌浆材料应根据设计要求确定。灌注的浆液为水泥砂浆(细砂)或水泥浆。水泥浆水灰比常用0.40.5；水泥砂浆常用灰砂比1：11：2，水灰比为0.30.45；灌浆体的设计强度不应低于20MPa。 砂浆需经过滤网倒入压浆泵。 灌浆方法灌浆方法灌浆是土层锚杆施工的关键，一般分一次灌浆和两次灌浆两种。1）一次灌浆一次灌浆采用一根灌浆管(钢管或胶皮管)作导管，管端距孔底应预留0.20.5m的空隙。开动压浆泵将浆液注入钻孔底部，自孔底向外灌注，等浆液流出孔口时，用水泥袋纸等捣塞入孔口，并用湿粘土封堵孔口，严密捣实，再进入补灌，稳压数分钟灌浆方告结束。深基坑支护结构体系讲解2）二次灌浆）二次灌浆第一次灌浆用的灌浆管的管端距离锚杆末端500mm左右，管端用黑胶布等封住，以防沉放时土壤进入管口。第二次灌浆用的灌浆管的管端距离锚杆末端1000mm左右，管底出口处亦用黑胶布封住。在第一次灌浆初凝后，再启用第二根灌浆管进行二次灌浆，使原先的锚固体在压力灌浆下产生裂缝并用浆液充填以提高灌浆质量。 灌浆应注意如下几点：灌浆应注意如下几点：1）浆液需按配合比搅拌；2）必须保证锚固段连续密实；3）在浆液硬化前，锚杆不能承受外力；4）用压浆泵灌浆时，压力不宜过大，以免吹散浆液；5）灌浆完成后应浆灌浆管、压浆泵、搅拌机等用清水洗干净。深基坑支护结构体系讲解 (5) (5)张拉和锚固张拉和锚固 锚杆灌浆养护78天后，锚固体强度达到7080%设计强度，在承载力确认以后，在支护结构上安装围囹，用油压千斤顶张拉固定。张拉力按设计规定取值。张拉锚固的方法有：如为钢筋锚杆在其端部焊一螺丝端杆，用螺母锚固；如为钢丝束锚杆用千斤顶张拉，用镦头锚具锚固； 如为钢绞线锚杆利用QM、XM系列锚具和其配套的千斤顶进行张拉锚固。深基坑支护结构体系讲解2.7.5 2.7.5 工程实例工程实例 北京某宾馆锚杆地下连续墙车库深基础工程系三层半地下室，地下室一层作商场用，二、三层作停车库和设备层用。 地库深基础工程开挖最大深度为16m，场地工程地质及土质情况见图2-18，上层滞水其稳定深度在地下5.611.7m深处。第二层地下潜水的稳定水位在地下2027m处。邻近东西南向有旧高层建筑并有密集的居民住宅，距原有建筑最小处仅1m左右。故设计选用筑有多层土层锚杆的钢筋混凝土地下连续墙结构，在基坑开挖时作为挡墙结构，在基坑开挖至基底后，浇筑底板，由底至上在连续墙侧壁构筑内衬墙，并与连续墙连成一体，以复合墙结构，共同作为箱基地库主体结构边墙，用以承受水土侧压力及建筑结构使用的垂直荷载。深基坑支护结构体系讲解 图2-18北京某宾馆地下工程墙体构造剖面图深基坑支护结构体系讲解地下连续墙厚600mm，墙深20.5m，总延米为375m，标准单元槽段取6.1m。开挖过程中，以地下连续墙结合四层土锚设置两根，第二、三、四层均设置三根，整个工程设置土锚662根，立面布置见图2-34，多层锚杆设计参考见表2-17。锚固段设于墙后土体破坏棱体以外的砂与砂砾层中，锚固长度均为8m。土层锚杆由锚座、锚杆与锚头组成。锚座系预制构件，包括锚座板与穿墙钢锚管，两者成40焊接，在连续墙钢筋笼成型时即扎焊就位。钢锚管两端临时用泡沫聚苯乙烯板或木屑板封堵，管中塞有松散物。基坑开挖时，锚座板露出，即可进行钻孔、放钢索、灌浆及焊接张拉座并进行张拉定锚作业。锚头锚定区选在渗透系数大于10-4m/s的砂砾层中，锚头长度各为8m，锚头直径以现场试验成锚确定。深基坑支护结构体系讲解表2-17各层土锚技术参数表注： 12.7mm钢索，单索破坏力为18.7kN.深基坑支护结构体系讲解2.8 2.8 土钉支护设计土钉支护设计 钉支护是近年来发展起来的用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构，由于经济、可靠且施工快速简便，已在我国得到迅速推广和应用。在基坑开挖中，土钉支护现已成为桩、墙、撑和锚支护之后又一项较为成熟的支护技术（如图2-19）。土钉体 支 护 面 层基坑底面支护土体图2-19土钉支护示意深基坑支护结构体系讲解所谓“土钉”（SoilNails,源自法文ClouagedeSol），就是置入于现场原位土体中以较密间距排列的细长杆件，如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥砂浆或水泥净浆浆体，土钉的特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组合体。在土体发生微小变形的条件下，通过与土体接触界面上的粘结力或磨擦力，使土钉被动受拉变形，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定。土钉支护不仅可以用于临时筑物，而且也可以用于永久性构筑物。当用于永久性构筑物时，宜增加喷射混凝土层厚度或敷设预制板，并有必要考虑外表的美观。目前土钉墙的应用领域主要有： （1）基坑或竖井的支挡；（2）斜坡面的挡土墙； （3）斜坡面的稳定；（4）与锚杆相结合的斜坡面防护；（5）永久性坡面（路轨）的支挡。深基坑支护结构体系讲解2.8.1 2.8.1 土钉分类及适用范围土钉分类及适用范围 土钉主要分为钻孔注浆钉与打入钉两类。钻孔注浆是最常用的土钉类型。即先在土中钻孔，置入钢筋，然后沿全长注浆，为使土钉钢筋处于孔的中心位置，周围有足够的浆体保护层，需沿钉长每隔23m设对中支架。土钉外露端宜做成螺弦并通过螺母、钢垫板与配筋喷射混凝土面层相连，在注浆体硬结后用板手拧紧螺母，使在钉中产生约为土钉设计拉力10%左右的预应力。打入钉，在土体中直接打入角钢、圆钢或钢筋等，不再注浆。由于打入钉与土体间的粘结磨擦阻强度低，钉长又受限制，所以布置较密，可用人力或振动冲击钻、液压锤等机具打入钉。打入钉的优点是不需要预先钻孔，施工快速，但不宜用于铄石土和密度胶结土，也不宜用于服务年限大于2年的永久支护工程。深基坑支护结构体系讲解土钉墙适用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土、粘性土和弱胶砂土的基坑支护或边坡加固。土钉墙宜用于深度不大于15m的基坑支护或边坡维护，当土钉墙与有限放坡、预应力锚杆联合使用时，深度可增加。土钉墙不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层和淤泥质土，不能用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。2.8.2 2.8.2 土钉墙整体稳定性分析土钉墙整体稳定性分析 土钉墙的整体稳定分析分为内部整体稳定分析和外部整体稳定分析。前者发生失稳的破裂面穿过土钉墙支护体的内部，后者发生失稳的破坏面则是在土钉加固体的外部。深基坑支护结构体系讲解1 1内部稳定分析内部稳定分析土钉支护的内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部或部分土钉。假定破坏面按园弧破坏面采用普通条分法对支护作整体稳定性分析（图2-20）。图2-20内部整体稳定性分析深基坑支护结构体系讲解 取单位长度支护进行计算，按下式算出内部整体稳定性安全系数 为：(2-20)式中，Wi、Qi作用于土条i的自重和地面、地下荷载；土条i圆弧破坏面切线与水平面的夹角；i土条i的宽度；土条i圆弧破坏面所处第j层土的内磨擦角； Cj土条i圆弧破坏面所处第j层土的粘聚力； Rk破坏面上第k排土钉的最大抗力;第k排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹角； Shk第k排土钉的水平间距。深基坑支护结构体系讲解当有地下水时，在上式中尚应计入地下水压力的作用及其对土体强度的影响。 作为设计依据的临界破坏面位置需根据试算确定，与其相应的稳定性安全系数在各种可能的破坏面（图2-20）中为最小值，并不低于表2-18中规定的数值。表2-18支护内部整体稳定性安全系数注：当支护变形较大会造成严重环境安全问题时，表 中安全系数值应增加0.10.3。 表中安全系数值不适用于软塑、流塑粘性土。土钉支护还应验算施工各阶段的内部稳定性。此时的开挖已达该步作用业面的深度，但这一作业面上的土钉尚未设置或其注浆尚未能达到应有的强度。施工阶段内部稳定性验算所需的安全系数可比表2-18中的数值低0.10.2，但不小于1.1。深基坑支护结构体系讲解2外部整体稳定分析外部整体稳定分析土钉支护的外部整体稳定性分析与重力式挡土墙的稳定分析相同（图2-21），可将由土钉加固的整个土体视作重力式挡土墙，分别验算： 图2-21支护外部稳定性分析 （1）整个支护沿底面水平滑动； （2）整个支护绕基坑底角倾覆，并验算此时支护底面的地基承载力； 深基坑支护结构体系讲解以上验算时可近似取墙体背面的土压力为水平作用的朗肯主动土压力，取墙体的宽度等于底部土钉的水平投影长度。抗水平滑动的安全系数应不小于1.2；抗整体倾覆的安全系数应不小于1.3，且此时的墙体底面最大竖向压应力不应大于墙底土体作为地基持力层的地基承载力设计值f的1.2倍。（3）整个支护连同外部土体沿深部的圆弧破坏面失稳当土体中有较薄弱的土层或薄弱层面时，还应考虑上部土体在背面土压作用下沿薄弱土层或薄弱层面滑动失稳的可能性（图2-22）。图2-22沿薄弱土层或层 面滑动失稳深基坑支护结构体系讲解2.8.3 2.8.3 土钉设计计算土钉设计计算 在土体自重和地表均匀荷载作用下，每一土钉中所受的最大拉力或设计内力N，可按图2-23所示的侧压力分布图形用下式求出：(2-21)式中土钉的倾角；p土钉长度中点所处深度位置上的侧压力；土钉竖向各排间距；土钉水平间距；p1土钉长度中点所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力，据图2-23压力分布图求出；pq地表均布荷载引起的侧压力。深基坑支护结构体系讲解图2-23土钉侧压力的分布 图中土体自重引起的侧压力峰压pm： 对于 的砂土和粉土：深基坑支护结构体系讲解对于 的一般粘性土： 粘性土pm的取值应不小于0.2H。图中地表均布荷载引起的侧压力取为 以上各式中的为土的重度，H为基坑深度，ka用下式计算：对性质相差不远的分层土体，上式中的、c及值可取各层土的参数j、cj及j按其厚度hj加权的平均值求出。深基坑支护结构体系讲解对于流塑粘性土，侧压力p1的大小及其分布需根据相关测试数据专门确定。 当有地下水及其它地面、地下荷载作用时，应考虑由此产生的侧向压力。各层土钉在设计内力作用下应满足式：(2-22) 式中 Fa.d土钉的局部稳定性安全系数，取 1.21.4，基坑深度较大时取高值； N土钉设计内力； d土钉钢筋直径； fyk钢筋抗拉强度标准值，按混凝土结构 设计规范（GB50010-2002）取用。 深基坑支护结构体系讲解各层土钉的长度尚宜满足下列条件：(2-23) 式中l1土钉轴线与图2-24所示倾角等于（45+/2）斜线的交点至土钉外端点的距离；对于分层土体， 值根据各层土的tan j 值按其层厚加权的平均值算出；d0土钉孔径； 土钉与土体之间的界面粘结强度。图2-24土钉长度的确定深基坑支护结构体系讲解对支护作内部整体稳定性分析时，土体破坏面上每一土钉达到的极限抗拉能力R按下列公式计算，并取其中的最小值； 按土钉受拔条件R=d0la(2-24) 按土钉受拉屈服条件(2-25)式中 R土钉极限抗拉能力； d0土钉孔径； d 土钉钢筋直径； la土钉在破坏面一侧伸入稳定土体中的长度；土钉与土体之间的界面粘结强度； fyk钢筋抗拉强度标准值，按混凝土结构设计规范（GB50010-2002）取用。深基坑支护结构体系讲解对于靠近支护底部的土钉，尚应考虑破坏面外侧土体和喷混凝土面层脱离土钉滑出的可能，其最大抗力尚应满足下列条件：(2-26) 式中R1为土钉端部与面层连接处的极限抗拔力，一般由试验求得。2.8.4 2.8.4 喷混凝土面层设计喷混凝土面层设计在土体自重及地表均布荷载q作用下，喷混凝土面层所受的侧向土压力p0可按下式估算：(2-27)深基坑支护结构体系讲解式中s为土钉水平间距和竖向间距中的较大值，单位为m。当有地下水及其它荷载时，尚应计入这些荷载在混凝土面层上产生的侧压。喷混凝土面层按混凝土结构设计规范（GB50010-2002）设计。喷混凝土面层可按以土钉为点支承的连续板进行强度验算，作用于面层的侧向压力在同一间距内可按均布考虑，其反力作为土钉的端部拉力。验算的内容包括板在跨中和支座截面的受弯，板在支座截面的冲切等。土钉与喷混凝土面层的连接，应能承受土钉端部拉力的作用。当用螺纹、螺母和垫板与面层连接时，垫板边长及厚度应通过计算确定。当用焊接方法通过不同形式的部件与面层相连时，应对焊接强度作出验算。此外，面层连接处尚应验算混凝土局部承压作用。深基坑支护结构体系讲解2.8.5 2.8.5 土钉支护设计土钉支护设计1土钉支护的设计应包括下列内容：土钉支护的设计应包括下列内容： （1）根据工程类比和工程经验，初选支护各部件的尺寸和材料参数； （2）进行计算分析，主要有 支护的内部整体稳定性分析与外部整体稳定性分析； 土钉的设计计算； 喷混凝土面层的设计计算，以及土钉与面层的连接计算。通过上述计算对各部件的初选参数作出修改和调整，给出施工图；对重要的工程，宜采用有限元法对支护的内力与变形进行分析； （3）根据施工过程中获得的量测监控数据和发现的问题，进行反馈设计。 深基坑支护结构体系讲解2 2主要承受土体自重作用的钻孔注浆土钉支护，主要承受土体自重作用的钻孔注浆土钉支护，其各部件尺寸可参考以下数据初步选用：其各部件尺寸可参考以下数据初步选用：（1）土钉钢筋用级或级热轧变形钢筋，直径在1832mm的范围内；（2）土钉孔径在75150mm之间，注浆强度等级不低于12MPa，3天不低于6MPa；（3）土钉长度l与基坑深度H之比对非饱和土宜在0.6到1.2的范围内，密实砂土和坚硬粘土中可取低值；对软塑粘性土、比值l/H不应小于1.0。为了减少支护变形，控制地面开裂，顶部土钉的长度宜适当增加。非饱和土中的底部土钉长度可适当减少，但不宜小于0.5H；含水量高的粘性土中的底部土钉长度则不应缩减；（4）土钉的水平和竖向间距Sh和Sv宜在1.22m的范围内，在饱和粘性土中可小到1m，在干硬粘性土中可超过2m；土钉的竖向间距应与每步开挖深度相对应。沿面层布置的土钉密度不应低于每6m2一根。深基坑支护结构体系讲解 （5）喷混凝土面层的厚度在50150mm之间，混凝土强度等级不低于C20,3天不低于10MPa。喷混凝土面层内应设置钢筋网，钢筋网的钢筋直径68mm，网格尺寸150300mm。当面层厚度大于120mm时，宜设置二层钢筋网。土钉钻孔的向下倾角宜在020的范围内，当利用重力向孔中注浆时，倾角不宜小于15，当用压力注浆且有可靠排气措施时倾角宜接近水平。当上层土软弱时，可适当加大下倾角，使土钉插入强度较高的下层土中。当遇有局部障碍物时，允许调整钻孔位置和方向。3土钉钢筋与喷混凝土面层的连接土钉钢筋与喷混凝土面层的连接 可在土钉端部两侧沿土钉长度方向焊上短段钢筋，并与面层内连接相邻土钉端部的通长加强筋互相焊接。对于重要的工程或支护面层受有较大侧压时，宜将土钉做成深基坑支护结构体系讲解螺纹端，通过螺母、楔形垫圈及方形钢垫板与面层连接。土钉支护的喷混凝土面层宜插入基坑底部以下，插入深度不小于0.2m；在基坑顶部也宜设置宽度为12m的喷混凝土护顶。当土质较差，且基坑边坡靠近重要建筑设施需严格控制支护变形时，宜在开挖前先沿基坑边缘设置密排的竖向微型桩（图2-25）其间距不宜大于1m，深入基坑底部13m。微型桩可用无缝钢管或焊管，直径48150mm，管壁上应设置出浆孔。小直径的钢管可分段在不同挖深处用打击方式置入并注浆；较大直径（大于100mm）的钢管宜采用钻孔置入并注浆，在距孔底1/3孔深范围内的管壁上设置注浆孔，注浆孔直径1015mm，间距400500mm。深基坑支护结构体系讲解图2-25超前设置微型桩的土钉支护2 28 86 6 土钉支护施工土钉支护施工土钉支护每步施工的一般流程如下：1 1开挖工作面，修整边坡；开挖工作面，修整边坡；深基坑支护结构体系讲解2 2设置土钉（包括成孔、置入钢筋、注浆、设置土钉（包括成孔、置入钢筋、注浆、补浆）；补浆）；3. 3. 铺设、固定钢筋网；铺设、固定钢筋网；4. 4. 喷射混凝土面层喷射混凝土面层 根据不同的土性特点和支护构造方法，上述顺序可以变化。支护的内排水以及坡顶和基底的排水系统应按整个支护从上到下的施工过程穿插设置。 施工开挖和成孔过程中应随时观察土质变化情况并与原设计所认定的加以对比，如发现异常应及时进行反馈设计。土钉支护宜在排除地下水的条件下进行施工，应采取恰当的排水措施包括地表排水、支护内部排水，以及基坑排水，以避免土体处于饱和状态并减轻作用于面层上的静水压力。深基坑支护结构体系讲解在支护面层背部应插入长度为400600mm、直径不小于40mm的水平排水管，其外端伸出支护面层，间距可为1.52m，以便将喷混凝土面层后的积水排出（图2-26）。2-26面层背部排水深基坑支护结构体系讲解 本章结束深基坑支护结构体系讲解