黃土地區(qū)基坑支護方案分析

文／楊世明、張?zhí)┖?、楊曄琳、楊波?北京城建集團有限責(zé)任公司 北京 100088

引言：

根據(jù)不同地域的地理環(huán)境、地下水位深淺和土質(zhì)情況，采用的支護結(jié)構(gòu)形式不盡相同。不同施工條件下的工程所處的地質(zhì)環(huán)境和工程條件不一樣，對基坑支護形式也要加以選擇。不同地區(qū)的土質(zhì)性質(zhì)和不同水文地質(zhì)條件都對深基坑支護產(chǎn)生影響。因此，在進(jìn)行深基坑支護設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)工程實際情況和特殊性質(zhì)考慮各種支護形式的利弊，選擇合適的支護形式。由于黃土中含有大量粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土和泥質(zhì)粉土等夾有大量砂礫石層或石質(zhì)層等不良地質(zhì)體的土質(zhì)。因此深基坑支護形式也要與地質(zhì)地貌、地層巖性及其力學(xué)性質(zhì)、施工條件及周邊環(huán)境相結(jié)合。同時還應(yīng)注意對基坑支護結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行特殊處理，以適應(yīng)黃土地區(qū)潮濕的環(huán)境。所以在進(jìn)行黃土地區(qū)深基坑支護設(shè)計時，要注意采用合理的設(shè)計方案。

1.土釘墻支護結(jié)構(gòu)

1.1 土釘墻支護結(jié)構(gòu)簡介

土釘墻具備“土-釘-墻”三大特點：

（1）“土”：可用于各類土壤，含全風(fēng)化、強風(fēng)化、破碎和極破碎的各類風(fēng)化巖，除中、微風(fēng)化巖外，均可用于各類土壤；

（2）釘：除了在與表面粘接時需要留出一小塊自由碎石外，其他土壤都可以與周邊土壤完全粘接。土釘?shù)拈L度可以是長的，也可以是短的，可以按照實際的需求來決定。土釘?shù)拈L度是否相等并不是土釘墻的特點，將其排列成短而密或長而疏也不是土釘墻的特點，是否對其施加了微小的預(yù)應(yīng)力也不是土釘墻的特點。

（3）墻：把表層看作是一堵薄薄的“墻”。土釘墻是由現(xiàn)場的土，釘和墻組成，其它構(gòu)件，防排水系統(tǒng)，等等都可以不用。在深基坑支護中，常用的支護形式是墻、板兩種形式。

按照施工方式的不同土釘支護一般分為鉆孔注漿式土釘支護和打入式土釘支護。前者適用于軟土，后者適用于強度較高的黃土。一般情況下采用鉆孔注漿式土釘支護方式，通過在土層中進(jìn)行施工插入樁管及土釘，形成一定形式的剛性墻體。鉆孔注漿法可以直接插入錨桿或鋼絲網(wǎng)，施工簡單，支護效果好。打入式土釘支護則可以通過將錨桿土釘子送入土體中施工。其在土層中的插入深度較淺，且在土中長距離插入錨桿，對土體穩(wěn)定性要求相對較高。打入式土釘支護將土釘直接打入土體，施工速度較前者快，但適用條件有限。較多的應(yīng)用于天然黃土地區(qū)。因此目前工程中最常采用的是鉆孔灌注的土釘支護形式。

1.2 土釘支護基本原理

土釘支護的基本原理是通過對土體內(nèi)部的側(cè)向壓力作用，土釘可將側(cè)向壓力進(jìn)行有效傳遞，增強土釘墻的穩(wěn)定性。另一方面，通過土釘支護中的土釘鋼筋，對土體抗剪強度和承載能力進(jìn)行提升和加固。最后通過土釘與土體間的粘結(jié)作用，對整個土體邊坡進(jìn)行控制。一般情況下采用鉆孔注漿的方式對土層進(jìn)行注漿處理，可以有效提高土體強度。另外通過土釘與樁管之間的相互連接，使之形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。

土釘支護的基本特征有以下幾個方面：

（1）在土體中插入許多短而密的土釘，形成復(fù)合加筋土體，從而對坡面土體起到加固作用；

（2）土釘體的抗拉強度和抗彎強度是通過土體和土釘之間形成的摩擦阻力而實現(xiàn)增強；

（3）在一定范圍內(nèi)，由于土釘支護效應(yīng)的存在，使坡面與坡底相比有一個向外傾斜的滑動面，從而增大了坡腳土體的受力程度。

（4）在坡底與坑底之間形成一個向上傾斜的滑裂面，從而增加了土與土釘和坡體及坑底間的接觸面。

（5）在土體中插入大量土釘體后，在一定范圍內(nèi)還形成了一個向外傾斜的滑裂面，并形成一個相對穩(wěn)定狀態(tài)。

（6）由于土釘支護效應(yīng)產(chǎn)生于斜坡土體內(nèi)部，故可以克服由于開挖引起的坑底隆起影響土體穩(wěn)定性問題。

（7）隨著基坑開挖深度增加以及土層性質(zhì)改變等因素，土體逐漸趨于穩(wěn)定。

土釘支護土體的強度可通過加長土釘長度和密度以及提高土釘鋼筋強度等方式進(jìn)行提高，例如土體內(nèi)部有空洞，土釘則要適當(dāng)加密；相鄰兩個水平土釘距基坑邊緣距離相等為佳，同時要保持垂直距離和方向上的均勻。一般情況下，水平土釘深度要大于垂直土釘厚度，以保證水平土釘與土體間的粘結(jié)作用和摩擦力。注漿強度等級、注漿和土釘粘結(jié)面積及強度等都是影響強度的主要因素。

2.復(fù)合土釘墻支護

土釘支護適用的地層范圍很廣，既可用于軟土，也可用于粘性土。對于粘性土和淤泥質(zhì)土來說，采用普通的土釘就會出現(xiàn)較大的沉陷，給基坑支護帶來困難，并且造價很高。同時對于飽和軟土還存在以下缺點：

（1）施工中很難將土釘植入土體中；

（2）在粘土層中打入土釘后，會引起粘聚力增大并造成局部破壞；

（3）在軟土中打入土釘引起土體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；

（4）基坑施工完畢后，需對原設(shè)計進(jìn)行復(fù)核及補充設(shè)計。因此在軟土基坑支護過程中應(yīng)用普通的土釘支護技術(shù)存在著一定的局限性。為了克服上述缺點，同時為了提高土體與基坑底板的粘聚力及抗剪切強度，可將普通的土釘支護與復(fù)合土釘支護結(jié)合起來使用。從而引出了復(fù)合土釘支護的新概念。

2.1 復(fù)合土釘墻簡介

復(fù)合土釘支護是將普通的土釘和復(fù)合土釘結(jié)合起來使用的一種新型支護技術(shù)，它主要是由兩部分組成：首先是土釘釘體，將復(fù)合土釘嵌入土中，然后再與土一起形成一種支護結(jié)構(gòu)。通過水平壓實灌漿和二次壓漿解決土體加固與土釘抗拔力問題。復(fù)合土釘支護適用于軟土，但對于淤泥質(zhì)軟土，飽和軟土及含卵石的粘性土層是不適用的。復(fù)合土釘支護可以采用不同的材料，如木樁、鋼筋混凝土等。復(fù)合土釘所采用的材料應(yīng)根據(jù)施工場地條件和基坑工程特點來選擇，一般可分為水泥土釘和砂粒土釘兩大類。另外，由于不同的材料所具有的性能及適用范圍都是不一樣的。為了更好地適應(yīng)不同工程情況，在復(fù)合土釘支護設(shè)計時還需要對其進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，從而更好地達(dá)到整體支護施工過程中所需要的技術(shù)性能。

采用復(fù)合土釘支護一般具有以下優(yōu)點：

（1）可以同時支護兩個基坑，節(jié)約費用；

（2）可以在不具備自支撐能力的土體上設(shè)置加固土體結(jié)構(gòu)（如墻、坑），從而減少或消除基坑底部沉陷現(xiàn)象；

（3）當(dāng)坑底存在軟弱夾層時，可采用帶錨桿的復(fù)合土釘進(jìn)行開挖；

（4）由于土釘釘體嵌入土中，因此可減小或消除基坑底土體的位移、變形和隆起；

（5）由于形成了復(fù)合的支護結(jié)構(gòu)和加固土體（如墻），因而具有良好的防水性能。

2.2 復(fù)合土釘墻原理

由于止水帷幕、微型樁和預(yù)應(yīng)力錨索等因素的影響，使得其與傳統(tǒng)的土釘墻相比，其工作機制更加復(fù)雜和多樣。由于組分的性質(zhì)千差萬別，各種組分的組合方式在做饑餓埋藏時也必定會有差異，所以無法用一個統(tǒng)一的模型來進(jìn)行分析和研究，本文只是對此做了一點粗淺的了解。

從結(jié)構(gòu)組成、受力機理、使用條件及范圍等方面出發(fā)，目前，國內(nèi)外對該墻的研究主要集中在三個方面，即：隔水簾、預(yù)應(yīng)力錨索和微型樁。這三種類型中，義分別以深層攪拌樁復(fù)合土釘墻、預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘墻及鉆孔灌注微型樁復(fù)合土釘墻為代表。

土釘墻可以直接施工在深厚的軟土土層上。其作用機理主要有：

（1）通過對軟土層側(cè)向加固，使其能承受較大水平荷載；

（2）通過加強樁和復(fù)合土釘體之間的接觸，減小了樁間土的側(cè)摩阻力；

（3）使樁體在軟巖中受到壓縮產(chǎn)生拉應(yīng)力而起到穩(wěn)定作用。復(fù)合土釘一般包括：土釘、錯距排列的錨桿、微型樁和復(fù)合土釘體。

對巖土工程設(shè)計，復(fù)合土釘支護體系的力學(xué)分析主要分為兩類：第一類是采用力學(xué)計算方法，確定土釘?shù)拈g距（包括位置和方向）以及樁間附加應(yīng)力。第二類是采用有限元方法，將土釘?shù)冉M成的復(fù)合體系模型計算分析。

3.地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻（簡稱地墻），就是在地面上沿著支護或深基坑開挖工程的周邊，開挖指定長度和深度的溝槽，然后在溝槽內(nèi)放入鋼筋籠或其他加固材料，注漿使之成為一個整體的結(jié)構(gòu)。用于基坑的擋土結(jié)構(gòu)。

3.1 地下連續(xù)墻簡介

地下連續(xù)墻被廣泛應(yīng)用于深基坑工程中作為擋土結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，具有施工速度快，節(jié)約工期；能夠抵抗土體的側(cè)壓力，具有良好的抗?jié)B性能；墻體施工中無噪音污染，無振動和噪聲干擾，施工環(huán)境好等優(yōu)點。

地下連續(xù)墻（簡稱地墻）的施工，指的是在地面上，首先構(gòu)建導(dǎo)墻，然后使用特殊的成槽設(shè)備，沿著支護或深開挖工程的周圍，在特殊的泥漿護壁條件下，每次開挖一定長度的溝槽，達(dá)到規(guī)定的深度。在清槽完成后，在槽中吊放鋼筋籠，然后采用導(dǎo)管法對水下混凝土進(jìn)行澆筑，混凝土自下而上充滿槽中，并將泥漿從槽中置換出來，筑成一個單元槽段，并依此一段一段進(jìn)行，這些相互相鄰的槽段在地下筑成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻體，用作承重，擋土，截流和滲透的建筑物。

另外，地下連續(xù)墻的施工存在一定的難度，在施工時必須要有相應(yīng)的保護措施，保證整個施工能夠順利進(jìn)行。從技術(shù)角度來看：地下連續(xù)墻屬于逆作法的一種形式，逆作施工時需要在地面上進(jìn)行開挖，因此所需的人工也比較多。同時，這種支護形式可以縮短工期，但是地下連續(xù)墻施工時會產(chǎn)生大量皮渣。如果施工不合理則會影響到周圍環(huán)境，造成一定的損失。因此，地下連續(xù)墻在施工時，必須要采取相應(yīng)的保護措施。地下連續(xù)墻的成本比其他支護形式更高，并且地下連續(xù)墻施工時的難度也比其他支護形式更大。因此，在使用地連墻時需要綜合考慮成本和收益。地下連續(xù)墻的優(yōu)點是其可以對周圍建筑物和環(huán)境產(chǎn)生影響，但是其缺點也是非常明顯的，在使用前必須要對它進(jìn)行充分的了解。

3.2 地下連續(xù)墻原理

地下連續(xù)墻是在地面上沿設(shè)計好的距離開挖出一條長度和深度均相等的溝槽，然后在溝槽內(nèi)放置鋼筋籠并澆筑混凝土，使其成為一個整體。這種支護形式可以抵抗土體的側(cè)壓力，具有良好的抗?jié)B性能。它還可以在墻體兩側(cè)設(shè)置一定長度以增加地下連續(xù)墻的長度。

為了使地下連續(xù)墻的強度能達(dá)到一個較高的水平，在進(jìn)行連續(xù)墻施工時需要控制其強度，從而保證連續(xù)墻的強度能夠滿足基坑施工的要求。地下連續(xù)性墻支護是以混凝土為主要材料進(jìn)行建造，在建造過程中可使用多種材料共同組合成的方法，如：鋼管樁、鋼筋混凝土連續(xù)墻、鋼拱架及鋼筋籠等。在建造地下連續(xù)墻支護時可以使用人工挖掘的方式，也可以選擇機械挖掘。人工挖掘主要使用機械挖土以及人工挖土兩種方式。人工挖掘主要是對溝槽底部進(jìn)行平整，同時進(jìn)行相應(yīng)的加固處理以及排水措施等。機械挖掘主要使用鑿巖機、電動錘等機械設(shè)備進(jìn)行開挖，同時進(jìn)行相應(yīng)的加固處理。由于所使用的施工工藝不同，其施工難度及成本也有所區(qū)別，需要根據(jù)具體情況而定。

4.樁錨支護

4.1 樁錨支護的簡介

樁錨支護系統(tǒng)是一種由樁體和錨桿組成的支護體系。是在土中打入基礎(chǔ)，并與周圍的混凝土護坡樁一起形成了一種整體結(jié)構(gòu)。這種深基坑支護體系，不僅可以有效地減少基坑施工帶來的震動和環(huán)境污染，而且可以提高其穩(wěn)定性，增強基坑的抗?jié)B能力和降低成本。樁錨支護系統(tǒng)是深基坑建設(shè)過程中常見的重要方法之一。

樁錨支撐系統(tǒng)主要由兩類支撐結(jié)構(gòu)組成，即錨桿和嵌入地下的防護樁。它通常配有腰梁和冠梁。其中，錨桿是將受拉桿件的一端（錨固段）固定在穩(wěn)定地層中，另一端與工程構(gòu)筑物相聯(lián)結(jié)，為了抵抗土壓力、水壓力等對建筑物產(chǎn)生的推力，可以利用地層中的錨固力量來維持建筑物（或巖土層）的穩(wěn)定性。巖土錨是在地層中埋設(shè)一種錨固裝置，使建筑物與地層形成牢固的整體，利用其與地層間的剪切力，不僅能承受地層的張力，還能加強地層自身的強度，實現(xiàn)建筑物和地層的穩(wěn)定。冠梁的作用是提供必要的側(cè)向支撐，確?；臃€(wěn)定，減少變形。由于樁的錨固作用，冠梁可以對樁的變形進(jìn)行控制，同時將其作為整體進(jìn)行連接。此外，冠梁和錨桿主要用于將樁體的位移通過預(yù)應(yīng)力作用進(jìn)行控制。這種樁錨支撐系統(tǒng)適用于軟土地區(qū)、土層較厚、地下水豐富、土體強度高的土質(zhì)條件。樁錨支護結(jié)構(gòu)的兩個主要組成部分是傾斜基礎(chǔ)和錨樁。

4.2 樁錨支護原理

樁錨支護結(jié)構(gòu)主要由錨桿、連接孔、腰梁和冠梁組成。錨桿通常為鋼管，錨索通常為鋼筋混凝土。在樁的兩側(cè)設(shè)有T 形鋼筋混凝土固定端，以使錨管與鉆孔成T 形或U形布置，并與鉆孔相連接。錨桿是利用鋼絞線、鋼板和鋼筋來制成的。它的主要作用是將樁基和錨索連接在一起，形成一個整體結(jié)構(gòu)，以增加樁體的承載能力，使護坡樁能在基坑開挖后穩(wěn)定地起到支撐作用。樁錨支護結(jié)構(gòu)中的錨索主要由混凝土制成。它被設(shè)置為“T”形，兩端有兩個端頭，與鋼筋混凝土錨桿相連接。樁錨設(shè)計時應(yīng)考慮到樁體所處地形的條件和建筑物對基坑的影響程度。

在基坑開挖時，由于基坑周圍的土體強度低，在基坑的底部會出現(xiàn)較大的水平位移。樁錨結(jié)構(gòu)中的冠梁可對側(cè)向變形進(jìn)行控制，同時可以將樁體中的側(cè)向土壓力傳遞到土層深處，從而保證了圍護土體在開挖后的穩(wěn)定，減少基坑施工帶來的危害。

5.懸臂樁支護

5.1 懸臂式支護概述

懸臂式鋼板樁是一種不使用拉力和錨桿，只依靠板樁本身的結(jié)構(gòu)強度和埋設(shè)深度，以確保其穩(wěn)定和總體安全的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展一系列能反映樁-樁間土相互作用的分析方法。同時，考慮到被動區(qū)對基坑底和樁周土的承載能力要求較高，提出了利用復(fù)合地基加強被動區(qū)土的方法，實現(xiàn)被動區(qū)土壓力的增大。

懸臂樁支護形式具有較強的抗傾覆能力，且可以在一定程度上減少土體內(nèi)地下水的影響，具有較好的防水效果，但不能保證基坑底部土壓的穩(wěn)定。若采用該支護形式應(yīng)注意設(shè)置必要的支護樁之間應(yīng)相互連接固定。在一定程度上提高了基坑安全性。懸臂樁支護在基坑工程中應(yīng)用廣泛，施工方便且經(jīng)濟。但如果樁身與錨桿之間產(chǎn)生過大間隙，將會影響支護結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性，在土體松散土層、土質(zhì)較差等條件下不適用。

5.2 懸臂式支護原理

懸臂式鋼板樁擋墻無撐無錨，完全依靠板樁的結(jié)構(gòu)強度和入土深度保持擋墻的穩(wěn)定和整體的安全。坑側(cè)土體易產(chǎn)生變形，圍護結(jié)構(gòu)的樁頂位移和樁身彎矩值均較大。此外，該結(jié)構(gòu)形式要求坑底及板樁底部土體有足夠的強度以抵抗產(chǎn)生的反力，因此,在基坑底部被動區(qū)土體地質(zhì)條件不良時，可考慮采用土體加固的方式以提高被動區(qū)土壓力。

懸臂樁樁身土壓力分布為水平和豎直方向的土抗力。當(dāng)懸臂樁樁頂土壓力大于樁底的土壓力時，可能發(fā)生水平側(cè)移。懸臂式樁基是一種特殊的樁基，其與周圍土層之間存在著非連續(xù)性，嚴(yán)重時會對支護系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。所以對懸臂樁樁身的施工要求比較嚴(yán)格。在懸臂樁樁頂和坑底形成一個連續(xù)體時，為保證整個支護結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，其支擋條件較為苛刻，需要采取其他有效措施來控制樁頂水平側(cè)移。當(dāng)懸臂樁樁身與周圍土體構(gòu)成非連續(xù)體時，可在其附近設(shè)置支擋體系或其他有效措施提高穩(wěn)定性。

結(jié)語：

本文主要針對黃土地區(qū)的土質(zhì)特點，分別對5 種支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)因其成本高、施工過程中會產(chǎn)生廢渣等特點在應(yīng)用時要結(jié)合環(huán)境條件、技術(shù)和經(jīng)濟合理的情況下使用。懸臂式樁支護結(jié)構(gòu)具有整體性好、承載力高、施工速度快等特點，在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。樁錨支護結(jié)構(gòu)主要是通過鉆孔灌注樁、鉆孔灌注土釘?shù)确椒ㄐ纬傻娜嵝詨w。與其他支護材料相比，樁錨支護具有造價低、易于施工和便于自動化控制。樁錨支護結(jié)構(gòu)對垂直深基坑支護有很好的適用性，但對水平的深基坑支護效果不明顯。