地铁深基坑支护设计毕业设计[共78页]

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）深圳地铁深基坑支护设计 年 级: 06级 学 号: 20060371 姓 名: 何晓辉 专 业: 土木工程专业 指导老师: 刘昌清 2010 年 6 月 西南交通大学毕业设计（论文） 第 页 院 系 土木工程学院 专 业 土木工程专业 年 级 06级 姓 名 何晓辉 题 目 深圳地铁深基坑支护设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学毕业设计（论文） 第 页 毕业设计（论文）任务书班 级 2006级土木 12 班 学生姓名 何晓辉 学 号 20060371 发题日期：2010年 3 月 1 日 完成日期： 6 月 20 日题 目 深圳地铁深基坑支护设计 1、本论文的目的、意义 毕业设计(论文)的目的是使学生能够将所学基础理论和专业知识应用到工程实际中，达到理论与实践相结合的目的。通过本毕业设计，使学生对地铁深基坑支护中存在的问题有较深刻的了解，熟悉深基坑支护的主要内容及各种常用的方法， 掌握深基坑支护的设计理论和设计计算方法。通过本次毕业设计的训练，使学生具备工程设计的基本技能，初步具备工程师的能力。 2、学生应完成的任务 学生在毕业设计过程中应完成以下三部分的工作： 第一部分：论文正文，至少应包括以下几部分内容（1）查阅资料，了解国内外最新动态；（2）对深基坑支护的常用方法进行综述；（3）详述深基坑支护的设计理论和设计计算方法；（4）结合深圳地铁工程实例对深基坑支护进行设计；(5)对深基坑支护设计施工中存在的问题进行探讨。 第二部分：毕业实习，参加毕业实习并编写实习报告。 第三部分：外文翻译，按要求翻译不少于10000字符的外文资料。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分原始资料的收集和整理 (2.0周) 西南交通大学毕业设计（论文） 第 页 第二部分计算、分析、撰写论文 (6.0周) 第三部分绘图 (1.0周)第四部分审查及文整 (1.0周) 第五部分实习 (1.0周)评阅及答辩 (1.0周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 西南交通大学毕业设计（论文） 第 页 摘 要 基坑工程是指在地表以下开挖的一个地下空间及其配套的支护体系。而基坑支护就是为保证基坑开挖，基础施工的顺利进行及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁以及周边环境采用的支挡，加固与保护措施。基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大风险，基坑工程具有很强的区域性。不同水文，工程地质环境条件下基坑工程的差异很大。基坑工程环境效应复杂，基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全稳定，而且要有效的控制基坑周边地层移动以及保护周围环境。本文在第1章中介绍了深基坑的发展状况、人们对其设计理论的研究状况及重点研究方向；第2章主要介绍了基坑支护的一些常用方法及各自的特点；在第3章中，从排桩的计算、止水、降水以及钢支撑稳定性分析方面对深基坑计算理论进行了阐述，最后还介绍了施工监测方面的内容；第4章通过对深圳地铁工点的具体分析，运用前面讲到的理论方法，对基坑支护进行了设计；第5章对施工组织设计做了一个简单的设计，着重介绍了土方的开挖顺序、挖孔桩和钢支撑的施工工艺。关键词：基坑支护结构 人工挖孔桩 钢支撑 施工组织设计 西南交通大学毕业设计（论文） 第 70 页 The Design of Deep Foundation Pit Bracing of Shenzhen Metro Abstract Foundation Pit is the excavation of an underground space below the surface and a coordinated support system. Bracing of foundation pit is to ensure that excavation and foundation construction for the smooth and safe environment Foundation Pit and used the pit retaining wall reinforcement and protection. Bracing of Foundation Pit structure is the structural safety of temporary reserves are smaller, more risk. Foundation pit structure has a strong regional. Excavation works under different hydrological environmental and geological conditions are vastly. Effects complex excavation, excavation pit is not only necessary to ensure their own safety，but also to effectively control the pit surrounding strata. In chapter 1, it introduces the development of deep foundation pit, and the study of the design theory, and the major research direction; In chapter 2, it primarily introduces some methods of the foundation bracing and respective characteristic; In chapter 3, it gives readers a presentation to the theory of computation of deep foundation pit, through calculation of piling, water-stop, dewatering and the stability analysis of steel bracing. In the end, it introduces some content about supervisory survey of construction; In chapter 4, through detailed analysis of construction site and the application of the theory method mentioned above, it finishes the design of the deep foundation bracing; In chapter 5, it designs the construction management plan simply, among which earth excavation sequence and the construction techniques of dug pile and steel timbering are recommend highlighted.key words: Bracing of Foundation Pit Structure, Artificial digged-hole pile, Steel Timbering, Construction Management Plan目录第1章 绪论11.1 深基坑工程的发展状况11.2 深基坑支护设计理论及计算方法研究现状21.3 深基坑工程中存在的主要问题及重点研究方向4第2章 基坑支护的主要内容和方法72.1 基坑支护的内容和特点72.1.1 基坑支护的主要内容和功能7 2.1.1 基坑支护的主要特点 82.2 基坑支护方法概述92.2.1 护壁桩支护结构92.2.2 地下连续墙支护102.2.3 土钉支护112.2.4 内支撑支护12第3章 深基坑设计计算理论133.1 土压力计算13 3.1.1 静止土压力13 3.1.2 填土面水平时的朗肯土压力14 3.2 地下连续墙止水帷幕16 3.2.1 地下连续墙的分类16 3.2.2 地下连续墙的优点16 3.2.3 地下连续墙止水帷幕的应用17 3.3 降水设计17 3.3.1 管井降水一般计算方法17 3.3.2 按经验数据计算管井降水19 3.3.3 辅助降水193.4 排桩设计19 3.5 钢支撑稳定性验算21 3.6 施工监测22 3.6.1 监测量测组织与程序22 3.6.2 施工监测主要内容23第4章 深圳地铁太安站工点设计264.1 太安站工程概况及设计资料264.1.1 概述264.1.2 本区地质情况概要及不良地层概况264.1.3 太安车站周边建造物基础调查284.1.4 52轴至67轴周边房屋照片284.2 施工降水304.2.1工程地质概况304.2.2管井降水计算314.2.3 按经验数据降水计算324.3 桩配筋计算和钢支撑稳定性验算32 4.3.1 桩配筋计算33 4.3.2 钢支撑稳定性验算43 第5章 深基坑支护施工组织设计455.1 工程概况455.1.1 工程简介455.1.2 既有建筑物455.1.3 工程特点455.1.4 工程重点465.1.5 技术难点及采取措施485.2 总体施工方案及施工顺序485.2.1 总体施工方案485.2.2 施工步骤505.2.3 施工组织515.3 挖孔桩及护壁施工525.3.1 挖孔桩施工525.3.2 护壁施工545.4 钢支撑施工555.4.1 施工工艺565.4.2 施工方法56结论60致谢61参考文献62附录63第1章 绪论1.1 深基坑工程的发展状况 自80年代以来，我国城市建设进入了一个新的发展时期，高层、超高层的建筑越来越多，仅从1990年到2000年的十年间，我国各大中城市己建10层以上的建筑物超过1.5亿m。相应的，基坑开挖的深度也就越来越大，如武汉的国贸大厦基坑开挖到地面以下16.8m；北京市经贸委大楼，地下4层结构，基础埋置深度为地面以下30m；上海的经贸大厦基坑开挖到地面以下32m。我国迄今已竣工的深基坑工程在各大城市中可谓比比皆是，不胜枚举。据有关部门估计，我国目前己开发利用的地下空间约m时，这大体上反映了其仅完成的深基坑工程的规模。总之，我国高层建筑数量越来越多的同时，深基坑将向大深度、大面积方向发展已成必然趋势。深基坑工程是基础工程的一个组成部分。深基坑工程在国外称为“深开挖工程”(Deep Excavation)，这比称之为“深基坑”似乎更全面。因为从上面的描述可知，为建(构)筑物的基础结构而开挖，只是深开挖的一种类型；深开挖还包括为各种地下工程整体(并非基础而己)所需进行的深层开挖。如果完整而形象的说，它是为了高层建筑和高耸杆塔烟囱等构筑物的基础结构，或城市地铁车站、地下商场、地下车库、地下影剧院、地下变电站等各类地下工程开辟地下空间，以便它们进入施工的一个重要技术领域。深基坑工程最终并不形成任何物质产品或固定资产，它是一种大型的，技术含量高的“服务性工程行为”；一旦基础结构或地下工程施工完毕，深基坑即完全消失。因此，也可以把它称为基础结构或地下工程施工的先导技术。在复杂、众多的基坑工程实践中，我国深基坑工程技术已得到长足发展，其标志是:（1）基坑工程技术标准与规范的编制为经济安全的进行基坑工程的施工，减少工程事故发生，各地都组织技术力量进行基坑工程技术标准的编制工作，这足以说明基坑工程由“乱”到“治”，正逐渐走上向许可循的新时期。我国的许多专家学者纷纷参与深基坑工程的实际工程或咨询答疑，或进行专题研究。中国科学院和工程院孙钧、刘建航、叶可明、陈肇元、钱七虎等多位院士的直接参与指导，我国大量深基坑工程解决了面临的一个又一个难题，迅速达到了一个新水平。两本国家行业标准建筑基坑工程技术规范(YB9285-97)和建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99)相继编成，颁发实施。(2) 基坑支护工程新结构与新技术的提出各地在基坑工程实践中，结合地区的具体情况，相继发展了一些行之有效的新技术，如加筋水泥土地下连续墙、土钉墙、水泥土重力墙、圆拱形支护结构、逆作法、内支撑支护体系、组合式支护、双排桩支护等。在施工机械与技术上也有新的突破，如可拆除式锚杆技术，潜孔锤气动土钉打入机等。(3)支护结构设计理论与方法的提出针对各地的具体问题，不少单位和学者相继提出了不少设计新理论与新方法。如秦四清提出的支护结构优化设计理论，杨光华等提出的多锚撑涉及增量计算法，刘建航院士提出的软土深基坑开挖的时空效应理论，其他学者建议的设计方法，还有多锚撑设计分段等值梁法，“m”法。还有有限元分析理论，如弹性抗力有限元法、二维、三维弹塑性有限元法，大变形有限元理论等已相继应用于基坑工程，取得了满意的效果。1.2 深基坑支护设计理论及计算方法研究现状支护结构强度和变形的分析计算基本方法可总结为三类，即极限平衡法、土抗力法和有限元分析法。（1） 极限平衡法极限平衡法在基坑支护设计发展早期一直被广泛应用，且仍是目前我国相关设计人员最熟悉的基坑支护设计计算方法之一。由于它具有计算简便，可以手算，且在目前情况下即使应用弹性地基反力法计算支护结构内力，其嵌固深度还是要用极限平衡法确定；此外，对空间效应不明显的不级基坑和地层较稳定、周围环境较简单的二级基坑中的悬臂支护结构及单支点支护结构采用极限平衡法计算也是适宜的。所以，在今后一段时期内，极限平衡法还会得到一定范围的应用。等值梁法、静力平衡法、太沙基法、二分之一分割法等都属于极限平衡法，国内较多采用等值梁法和静力平衡法。极限平衡法假定作用在围护墙前后的土压力分别达到被动土压力和主动土压力，在此基础上再作某些力学上的假设，把超静定问题简化为静定问题求解。它未考虑围护墙位移对土压力的影响，也不能反映支护结构的变形情况，尤其是对有支撑(或锚杆)的支护结构采用等值梁法设计时，对支点力的计算假定与支点刚度系数无关，因而不能模拟分步开挖工况。此外，该方法没有也无法考虑基坑的空间效应。所以，极限平衡法无论在理论上还是应用中都存在很大的局限性。 （2）土抗力法土抗力法又称为基床系数法或地基反力法。当假定地基为弹性时也称为弹性地基反力法，我国建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)推荐的方法称为弹性支点法。土抗力法在横向受荷桩的分析中被广泛应用。按地基反力的不同假设，主要有极限地基反力法、弹性地基反力法(包括线性弹性地基反力法和非线性弹性地基反力法)和复合地基反力法（p-y曲线法)三种。它们不同程度地考虑了桩与土之间的共同作用。目前应用最多的是假定地基反力系数为深度的线性函数的线性弹性地基反力法。基坑支护设计土抗力法是在横向受荷桩分析方法的基础上改进发展而来的。早期由于受计算技术的限制，对实际情况作了很大的简化，以便可以用解析方法求解。例如日本的“山肩邦南法”、“弹性法”和“弹塑性法”等，它们都假定围护墙后作用已知的主动土压力。“山肩邦南法”和“弹塑性法”将开挖面以下墙前的土体分成塑性区和弹性区；“弹性法”则假定开挖面以下的土体均为弹性区。随着计算技术的发展，使得基坑支护设计土抗力法可以采用数值解法。20世纪SO年代波尔斯(Bowles)提出了求解弹性地基梁的有限元程序，大大促进了土抗力法的发展。目前，通用的土抗力法是弹性地基反力法，它是在地基基础设计计算的弹性地基梁分析方法基础上形成、并引用横向受荷桩的分析方法改进而来。即将计算宽度的围护墙视为竖向地基梁，支撑(或锚杆)简化为与其截面积和弹性模量有关的二力杆弹簧。开挖面以下墙前土对梁的地基反力用土弹簧来模拟；墙后荷载常用的有两种计算图式:采用主动土压力(我国现行规程采纳)或用土弹簧模拟，土弹簧系数即为地基土的水平基床系数。按荷载的施加情况，求解方法有“总量法”、“增量法”等。目前采用的弹性地基反力法部分地考虑了支护结构与土的线性共同作用，分析中所需土性参数单一，并可有效地计人基坑开挖过程中多因素的影响。如作用在围护墙两侧土压力的变化、支撑(或锚杆)数量随开挖深度的增加而变化、预紧力及支撑(或锚杆)设置前的围护墙位移对内力和变形的影响等，因而可大体模拟分步开挖各工况。同时，从支护结构的水平位移可以初步估计基坑开挖对周围环境的影响。因此，弹性地基反力法得到日益广泛的应用。但它没有考虑支护结构与土的非线性共同作用，我国现行规程推荐的弹性支点法对墙后开挖面以上按主动土压力、开挖面以下则按定值土压力考虑，这些都与工程实际存在很大的差距，需作进一步的研究和完善。（3） 有限元分析法由于基坑工程的复杂性，采用常规分析方法很难反映诸多因素的综合影响，近年来多采用数值力一法，主要是有限单元法，来分析基坑的整体性状，即把包括地基土在内的整个基坑作为一个空间结构体系，并考虑开挖过程、支护结构与土共同作用、渗流、时间等因素的影响，综合分析支护结构的内力、变形及开挖引起的环境效应。采用的土体本构模型有线性弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型等。有二维和三维有限元两种分析方法。二维有限元分析法是把空间形式的基坑结构体系用竖直面和水平面来代替，分别采用弹性杆系有限元分析求解这两个平面，将分析结果加以综合，便得到关于基坑支护结构体系的整体认识和分析结果。这种方法虽然具备一些只维分析的特征，但存在明显的缺陷:将竖直面分析得到的支撑反力和支点位移作为水平面分析的外荷载和边界条件，并不能反映两平面的协同工作，且分析过程中没有考虑竖直面与水平面各构件刚度的匹配问题等。三维有限元分析法取一定范围为求解域，土体和围护墙一般采用六面体八节点等参元；空间接触单元可取由四根线段组成的固体单元；支撑(或锚杆)构件取为空间杆单元，对基坑空间结构体系进行整体分析求解。有限元分析方法可以较全面地考虑多种因素的复杂影响，近年来国内外学者在有关整体计算模型选择、边界条件和排水条件及施工过程模拟、本构模型和土性参数确定等方面进行了大量的研究。但由于存在着土体模型和土性参数难以准确确定、边界条件难处理、计算工作量大、成本高等问题，目前条件下直接采用有限元分析法与一般工程设计的实用性之间还有很大的距离，还只是用于某些重要工程的辅助设计。总之，上述基坑支护结构设计分析与计算基本方法中，极限平衡法较简单且便于手算，但因忽略的因素太多，计算结果不够理想，很多时候不能满足工程设计要求，应用已越来越少；有限元分析法理论上较完善，但因前述困难，目前难以实际应用；弹性地基反力法的力学模型直观且较符合实际，并可采用弹性杆系有限元进行求解，其应用越来越广，但需作进一步研究完善。1.3 深基坑工程中存在的主要问题及重点研究方向20多年来，我国已成功地设计和施工了许多技术先进、经济合理的基坑，但由于问题的复杂性，基坑工程的成功率仍较低。究其原因，主要存在四个方面的问题:对支护结构受力状态不甚明了；计算简化与实际情况相差过大；对某些新的支护型式的计算理论滞后于工程实践；施工方面存在很大程度的随意性和盲目性。为了提高基坑工程的成功率，使支护结构设计既安全又经济，今后拟重视以下几方面的研究:（1） 能基本考虑基坑工程实际工作性状的实用设计方法研究 如前所述，目前分析计算基坑支护结构的三类方法都存在不同程度的缺陷。因此，寻找一种能基本考虑基坑工程的实际工作性状，特别是能考虑支护结构与土的非线性共同作用及深基坑的空间效应的实用设计方法，具有重要的现实意义。（2）基坑工程施工监测、反演分析与安全预报研究目的是通过监测和分析各施工阶段的相关信息，来了解支护结构的受力状态和变形特征及对周围环境的影响；反演推求土性参数，不断修正支护设计，使设计逐渐逼近实际情况，并对基坑的安全性状及时预报。国内外对基坑施工监测、反演分析和安全预报的研究一直非常关注。今后应重视基于反演分析和安全预报双重要求的基坑施工监测的研究和实践，在积累丰富工程资料的基础上，完善反演分析和安全预报的计算模型并研制相应的应用软件。（3）基坑支护结构设计可靠度分析长期以来，对基坑支护结构的设计都是按传统方法采用安全系数来表达，虽然直观简便，但由于支护系统的荷载、结构抗力特别是土性参数等均非定值，而是随机变量，传统的定值设计法越来越显露出其缺陷。对基坑支护结构可靠度的研究起步较晚，且由于问题的复杂性，至今仍处于探索性研究阶段，还没能取得实质性的成果。今后对如何合理地进行土性参数的统计分析，如何确定可靠指标和建立极限状态方程，特别是怎样建立与传统定值分析法相应的计算模型，尚需进行大量的研究。（4）对新型支护结构型式的设计理论与计算方法研究 数量众多的工程项目和复杂多变的工程环境以及市场竞争机制的引人，给基坑工程开挖与支护新技术的表现提供了广阔的舞台，富于创新精神的广大工程建设者在工程实践中不断地探索和应用新的基坑开挖与支护技术。新的支护结构型式不断出现，它们在概念和理论上与传统方法迥异。设计理论滞后于工程实践的情况是基坑工程的一个重要特点。如近年来逐渐应用的拱形支护结构，由于许多单位仍沿用传统的平面计算理论，未能充分发挥该结构空间受力合理的优势，迫切需要新的计算理论与方法来指导。再如很有发展前途的冻结支护技术，对冻结以后土的强度特性，包括强度一温度关系、强度一时间关系、土的冻胀性等问题，都有待进行深入研究。第2章 基坑支护的主要内容和方法2.1 基坑支护的内容和特点2.1.1 基坑支护的主要内容和功能基坑支护是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和基坑周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、道路和地下管线进行检测和维护，确保正常、安全施工的一项综合性工程，其内容包括勘探、设计、施工、环境监测和信息反馈等工程内容。基坑工程的服务工作面几乎涉及所有土木工程领域，如建工、水利、港口、路桥、市政、地下工程以及近海工程等工程领域。基坑支护是地下基础施工中内容丰富而又富于变化的领域。工程界已意识到基坑支护是一项风险工程，是一门综合性很强的新型科学，它涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土与结构相互作用以及环境岩土工程等多学科问题。基坑支护大多是临时工程，影响基坑工程的因素很多，例如地质条件、地下水情况、具体工程要求、天气变化、施工工序及管理、场地周围环境等多种因素影响，可以说它又是一个综合性的系统工程。基坑支护工程作为土木及建筑工程中的一个重要组成部分，越来越受到人们的关注和重视：一方面是基坑的开挖深度越来越深，技术难度越来越大；另一方面是基坑支护的事故不断产生，特别是一些重大深基坑支护的事故，教训非常深刻。总的来说，基坑支护技术要从一下三方面进行考虑： (1)保证基坑四周边坡的稳定性，满足地下室施工的空间需求，即基坑支护体系要起到稳定土体的作用。 (2)保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线的安全，即控制基坑施工过程中土体的变形移位，将基坑周围地面沉降和水平位移控制在容许范围内。(3)保证基坑支护的施工作业面在地下水位以上，即通过截水、降水等排水系统措施，保证施工作业面的要求因此，基坑支护结构应该与其他建筑设计一样，要求在规定的时间和特定的条件下完成各项预定的功能，包括以下两个方面：(1)支护结构承载能力不应超过其极限状态，应满足规定的材料强度和稳定性要求，即承载能力极限状态。其承载能力极限状态包括以下几点：基坑失稳，即基坑发生稳定性破环；锚固系统或内支撑系统失败；挡土结构破坏。(2) 正常使用状态下应满足规定的变形和耐久性要求，即正常使用极限状态。基坑变形不影响地下工程施工、相邻建筑、管线及道路正常使用。出现下列状态之一时即认为超过了正常使用极限状态： 影响正常使用的变形；影响正常使用的耐久性局部破坏（如裂缝）。基坑支护的设计与施工，既要保证整个支护结构在施工过程中的安全，又要控制结构和周围土体的变形。以保证周围环境的安全。在安全前提下，设计既要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工期。要提高基坑支护的设计与施工水平，必须正确选择计算方法、计算模型和岩土力学参数，选择合理的支护结构体系，同时还要有丰富的设计和施工经验。2.1.2 基坑支护的主要特点 基坑工程作为一个理论还不很成熟的领域，其支护工程的主要特点有以下几个方面： （1）风险大 当支护结构仅作为地下主体工程那个施工所学要的临时措施时，其使用时间不长，一般不超过两年，属于临时工程，设计的安全储备系数相对较小，加之岩土力学性质、荷载以及环境的变化和不确定性，使支护结构存在着一定风险。 （2）区域性强 岩土工程区域性强，基坑支护工程则表现出更强的区域性。不同地区岩土力学性质千变万化，即使在同一地区的沿途性质也有区别，因此基坑支护设计与施工应因地制宜，结合本地情况及成功经验进行，不能简单照搬。 （3）综合性强 基坑支护是岩土工程、结构工程以及施工技术相互交叉的学科，同时基坑支护工程涉及土力学中的稳定、变形和渗流三个课题，影响基坑支护的因素也很多，所以要求基坑支护共享哼的设计者，应该具备多方面的综合专业知识。 （4）理论不成熟 尽管深基坑支护技术取得了丰硕的成果，但是在理论上仍属尚待发展的综合技术学科。目前基坑支护理论的研究尚不完备，满意的工程实测资料也很少，因此还没有条件能够像建筑结构那样通过对材料性能、荷载作用及结构效应等方面的统计分析得出结构可靠性的概率指标。 5.作用因素存在不确定性（1）外力的不确定性。作用在支护结构上的外力往往随着环境条件 、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变。（2）岩土性质的不确定性。地基土的非均匀性（成层）和地基土的特性不是常量，在基坑的不同部位、不同施工阶段岩土性质是变化的，地基土对支护结构的作用或提供的抗力也随之而变化。（3）一些偶然变化所引起的不确定因素。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以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素都会对基坑支护工程产生影响。由于存在以上不确定性以及支护理论上的不成熟等因素，很难对基坑工程的设计与施工定出一套标准模式，或用一套严密的理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变化，因此在基坑支护工程中发生工程事故的概率比较高。目前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，在某种意义上讲，成功的工程经验往往更重要。2.2 基坑支护方法概述深基坑支护的方法种类很多，具体工程中采用何种支护方法主要根据基坑开挖深度、岩土性质、基坑周围场地情况及施工条件等因素综合考虑决定。目前在工程中常用的支护方法有：护壁桩支护结构、拉锚式支护结构、土钉墙支护、地下连续墙支护。2.2.1 护壁桩支护结构护壁桩主要可分为灌注桩、预制桩和深层搅拌桩。灌注桩应用比较广泛，由于其无噪声、无振动，对环境影响小等优点，使得灌注桩在工程界得到普遍的应用。灌注桩的类型按其成孔方式可分为人工挖孔灌注桩和机械钻孔灌注桩。人工挖孔桩因施工方便，造价低廉而得到广泛的应用，但人工挖孔桩也有其局限性：当地层中含有流沙，砾石等强透水层且水量大时，以及当地层中含有沼气或一氧化碳等有毒气体时，对人工挖孔桩施工也是一个威胁，应尽量避免。利用并列的机械钻孔灌注桩组成的围护墙体由于施工简单，墙体刚度大，造价低，因此在工程中用的比较多。就挡土而言，钻孔灌注桩挡土结构可用于开挖深度比较大的基坑。在地下水位较高地区，为了防止地下水并夹带土体颗粒从桩间空隙流入坑内，应同时在桩间或桩背采取高压注浆，设置深层搅拌桩，旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。预制桩一般是预先在一定的场地制作成型，采用打桩机械打入土中，施工质量易于保证，但打桩时产生的噪声，振动和挤土将大大影响周围环境，故在使用时收到一定的限制，一般用于较浅的基坑支护中。预制桩按其材料种类可分为钢筋混凝土预制桩和钢板桩。深层搅拌桩是利用水泥，石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，是软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体，是加固软土地基的一种新方法。深层搅拌桩由具有一定刚性的脆性材料所构成，按其强度和刚度分，它是介于刚性桩（灌注桩、钢筋混凝土预制桩）和柔性桩（砂桩、碎石桩）之间的一种桩型。深层搅拌桩最适宜于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土地基，其优点在于：（1）其施工工艺由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度的利用了原土；（2）搅拌时不会将地基土侧向挤出，因而对周围既有建筑物的影响较小；（3）按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计比较灵活；（4）施工时无振动，无噪声，无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工；（5）土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。2.2.2 地下连续墙支护地下连续墙围护呈封闭状态，在深基坑开挖后，加上内支撑或锚杆，就可以起到挡土的作用，更加方便深基坑工程的施工。特别是当今地下连续墙已经发展到既是基坑施工时的挡土围护结构，又可以作为拟建主体结构的侧墙（此时在墙体内侧宜加筑钢筋混凝土衬套），即两墙合一。地下连续墙按照施工材料的不同，可分为钢筋混凝土连续墙、桩排式连续墙和水泥土地下连续墙。其施工工艺具有如下优点：（1）墙段刚度大，整体性好，因而结构和地基变形都较小即可用于超深围护结构，也可用于主体结构；（2）使用各种地质条件。对砂卵石地层要求进入风化岩层时，钢板桩难以施工，但却可以采用合适放入成槽机构施工的地下连续墙结构；（3）可减少工程施工时对环境的影响。施工时振动少，噪声低，对周围相邻的工程结构和地下管线影响较小，对沉降及变位较易控制；（4）可进行逆筑法施工，有利于加快施工进度，降低造价。由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性能好，适用于地下水位以下的软粘土和砂土多种底层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软粘土需将墙插入很深的情况。但地下连续墙的造价高于钻孔灌注桩与深层搅拌桩，因此要根据基坑开挖深度，土质情况和周围环境情况，通过技术经济比较认为经济合理才可采用。一般来说，当在软土层中基坑开挖深度大于10米，周围相邻建筑物如地下管线对沉降与位移要求较高，或用作主体结构的一部分，或采用逆筑法施工时，可采用地下连续墙。2.2.3 土钉支护土钉支护是近年来发展起来用于基坑开挖和边坡稳定的一种新型支护结构。它是由密集的土钉群，被加固的土体，喷射混凝土面层组成，形成一个复合的，、能自稳的、类似于重力式挡墙的挡土结构，以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使开挖基坑或边坡稳定。土钉一般是通过钻孔，插筋，注浆来设置的，但是也可以通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成土钉。土钉主要分为钻孔注浆土钉和打入式土钉两类。钻孔注浆土钉是目前工程中最常用的土钉类型。打入式土钉的优点是不需要预先钻孔，施工速度快。与其他支护结构相比，土钉支护的优点主要体现在：（1）能合理利用土体的自承能力，将土体作为支护结构不可分割的部分；（2）结构轻型、柔性大，有良好的抗震性能和延性；（3）施工设备简单轻便，不需要大型的机具和复杂的工艺；（4）施工方便，速度快，不需单独占用场地； （5）工程造价低，据国内外资料分析，土钉支护工程造价比其他支护形式的工程造价低1/31/2左右。土钉支护的缺点和局限性主要是基坑变形大。由于土钉支护是一种被动受力支护形式，只有土体发生变形时土钉才受力，因此基坑变形位移相对较大。土钉支护不宜用于对基坑变形有严格要求的支护工程中，土钉支护基坑的深度不宜太大。土钉支护主要适用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土，粘性土和弱胶结砂土。对于无胶结砂层，砂砾卵石层和淤泥质土，土钉成孔困难，不宜采用土钉支护。对于不能临时自稳的软弱土层，土钉支护的现场施工无法实现，因此也不能采用土钉支护。从愈多工程经验来看，土钉支护的破坏几乎是由于水的作用，水使土体产生软化，引起整体或局部破坏，因此规定采用土钉支护工程必须做好降水，且不能作为挡水结构。2.2.4 内支撑支护表2-1钢支撑和现浇钢筋混凝土支撑的优缺点材料优点缺点钢结构支撑自重小，安装和拆除方便，可重复使用，可随挖随撑，能很好地控制基坑变形，一般情况下可优先考虑采用钢支撑安装节点比较多，当构造不合理或施工不当时，很容易造成节点变形而导致基坑过大的水平位移，施工技术水平要求高混凝土结构支撑具有较大的平面刚度，适用于各种复杂平面形状的基坑，现浇节点不会产生松动而增加基坑的变形，施工技术水平要求较低自重大，材料不能重复利用，安装和拆除需要较长工期，不能做到随挖随撑，对控制变形不利，当采用爆破拆除支撑时会出现噪声、振动等危害 内支撑最大的缺陷还在于占据基坑内的空间，给挖土和主体结构施工造成许多困难，干扰并影响施工进度；随着主体结构的施工进展，在自下至上逐步卸去支撑时，还有可能进一步增加周围地层的位移。此外，环境温度变化可对支撑的内力产生很大的影响，比如20m宽的基坑若环境温度降低10C，支撑就会缩短25mm，使基坑变形增加；而在温度升高后，这一变形并不能完全恢复，相反会使支撑内力增加许多，所以有时对内支撑在高温下采取冷却或涂漆（减少吸收热量）等措施。有下列条件时，可优先考虑选择使用内支撑支护结构： （1）相邻场地有地下建筑物，不宜选用锚杆支护结构； （2）为保护场地周边建筑物，基坑支护不得有较大的内倾变形； （3）场地土质条件较差，对支护结构有严格要求时。第3章 深基坑设计计算理论 深基坑计算理论有很多种，在此以古典的桩板计算理论为例做一个介绍。即在土压力已知的情况下不考虑桩体的变形，用静力平衡法来计算求解桩身的弯矩和剪力，从而运用结构设计原理的知识对桩进行配筋计算以及对基坑横撑进行稳定性验算。3.1 土压力计算3.1.1 静止土压力静止土压力是墙静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态时作用于墙背的侧向压力。根据弹性半无限体的应力和变形理论，z深度处的静止土压力为 （3-1）式中 土的重度； 静止土压力，可由泊松比来确定，。一般土的泊松比值，砂土可取0.20.25，黏性土可取0.250.40，其相应的值在0.250.67之间。对于理想刚体；对于液体，。由式（3-1）可知，在均质土中，静止土压力与计算深度呈三角形分布，对于高度为H的挡墙而言，取单位墙长，则作用在墙上静止土压力的合力值为 (3-2)合力的方向水平，作用点在距墙底H/3高度处。悬壁桩在土压力和地下水压力下的计算土如下图所示 图3-1土压力及水压力计算图3.1.2 填土面水平时的朗肯土压力朗肯土压力理论认为在垂直墙背上的土压力，是相当于达到极限平衡的半无限体中任一垂直截面上的应力。当地面水平时，土体内任一竖直面都是对称面，因此竖直和水平截面上的剪应力等于零。3.1.2.1 主动土压力当墙后填土达到主动极限平衡状态时，作用于任一z深度处土单元的竖直应力应是大主应力，而作用于墙背的水平向土压力应是小主应力。由土的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大主应力和小主应力间应满足以下关系式：黏性土 （3-3）或 （3-4）无黏性土 （3-5）或 （3-6）以，代入式（3-4）和（3-6），即得朗肯主动土压力计算公式为黏性土 （3-7）或 （3-8）无黏性土 （3-9）或 （3-10）上面各式中 主动土压力系数，； 墙后填土的重度（），地下水位以下取有效重度； 填土的黏聚力（)； 填土的内摩擦角； 计算点距填土面的深度（m）。由式（3-10）可知：无黏性土的主动土压力强度与深度z成正比，沿墙高压力分布为三角形，作用在墙背上的主动土压力的合力即为分布图型的面积，其作用点位置在分布图型的形心处，土压力方向为水平，即 （3-11）或 （3-12）3.1.2.2 被动土压力当墙在外力作用下挤压土体时，填土中任一点的竖向应力仍不变，而水平向应力却由小到大逐渐增大，直至出现被动朗肯状态。此时，作用在墙面上的水平向应力达到最大限值，即大主应力，而竖向应力为小主应力，即。利用（3-3）和（3-5）可得被动土压力强度计算公式：黏性土 （3-13）无黏性土 （3-14）式中 被动土压力系数，。其余符号同前。由上面两式可知，黏性土的被动土压力随墙高呈上小下大的梯形分布。单位墙长被动土压力合力为：黏性土 （3-15） 无黏性土 （3-16）