黄土地区基坑支护方案分析

文／杨世明、张泰豪、杨晔琳、杨波文 北京城建集团有限责任公司 北京 100088

引言：

根据不同地域的地理环境、地下水位深浅和土质情况，采用的支护结构形式不尽相同。不同施工条件下的工程所处的地质环境和工程条件不一样，对基坑支护形式也要加以选择。不同地区的土质性质和不同水文地质条件都对深基坑支护产生影响。因此，在进行深基坑支护设计时，应该根据工程实际情况和特殊性质考虑各种支护形式的利弊，选择合适的支护形式。由于黄土中含有大量粉细砂、粉质粘土和泥质粉土等夹有大量砂砾石层或石质层等不良地质体的土质。因此深基坑支护形式也要与地质地貌、地层岩性及其力学性质、施工条件及周边环境相结合。同时还应注意对基坑支护结构材料进行特殊处理，以适应黄土地区潮湿的环境。所以在进行黄土地区深基坑支护设计时，要注意采用合理的设计方案。

1.土钉墙支护结构

1.1 土钉墙支护结构简介

土钉墙具备“土-钉-墙”三大特点：

（1）“土”：可用于各类土壤，含全风化、强风化、破碎和极破碎的各类风化岩，除中、微风化岩外，均可用于各类土壤；

（2）钉：除了在与表面粘接时需要留出一小块自由碎石外，其他土壤都可以与周边土壤完全粘接。土钉的长度可以是长的，也可以是短的，可以按照实际的需求来决定。土钉的长度是否相等并不是土钉墙的特点，将其排列成短而密或长而疏也不是土钉墙的特点，是否对其施加了微小的预应力也不是土钉墙的特点。

（3）墙：把表层看作是一堵薄薄的“墙”。土钉墙是由现场的土，钉和墙组成，其它构件，防排水系统，等等都可以不用。在深基坑支护中，常用的支护形式是墙、板两种形式。

按照施工方式的不同土钉支护一般分为钻孔注浆式土钉支护和打入式土钉支护。前者适用于软土，后者适用于强度较高的黄土。一般情况下采用钻孔注浆式土钉支护方式，通过在土层中进行施工插入桩管及土钉，形成一定形式的刚性墙体。钻孔注浆法可以直接插入锚杆或钢丝网，施工简单，支护效果好。打入式土钉支护则可以通过将锚杆土钉子送入土体中施工。其在土层中的插入深度较浅，且在土中长距离插入锚杆，对土体稳定性要求相对较高。打入式土钉支护将土钉直接打入土体，施工速度较前者快，但适用条件有限。较多的应用于天然黄土地区。因此目前工程中最常采用的是钻孔灌注的土钉支护形式。

1.2 土钉支护基本原理

土钉支护的基本原理是通过对土体内部的侧向压力作用，土钉可将侧向压力进行有效传递，增强土钉墙的稳定性。另一方面，通过土钉支护中的土钉钢筋，对土体抗剪强度和承载能力进行提升和加固。最后通过土钉与土体间的粘结作用，对整个土体边坡进行控制。一般情况下采用钻孔注浆的方式对土层进行注浆处理，可以有效提高土体强度。另外通过土钉与桩管之间的相互连接，使之形成整体稳定结构体系。

土钉支护的基本特征有以下几个方面：

（1）在土体中插入许多短而密的土钉，形成复合加筋土体，从而对坡面土体起到加固作用；

（2）土钉体的抗拉强度和抗弯强度是通过土体和土钉之间形成的摩擦阻力而实现增强；

（3）在一定范围内，由于土钉支护效应的存在，使坡面与坡底相比有一个向外倾斜的滑动面，从而增大了坡脚土体的受力程度。

（4）在坡底与坑底之间形成一个向上倾斜的滑裂面，从而增加了土与土钉和坡体及坑底间的接触面。

（5）在土体中插入大量土钉体后，在一定范围内还形成了一个向外倾斜的滑裂面，并形成一个相对稳定状态。

（6）由于土钉支护效应产生于斜坡土体内部，故可以克服由于开挖引起的坑底隆起影响土体稳定性问题。

（7）随着基坑开挖深度增加以及土层性质改变等因素，土体逐渐趋于稳定。

土钉支护土体的强度可通过加长土钉长度和密度以及提高土钉钢筋强度等方式进行提高，例如土体内部有空洞，土钉则要适当加密；相邻两个水平土钉距基坑边缘距离相等为佳，同时要保持垂直距离和方向上的均匀。一般情况下，水平土钉深度要大于垂直土钉厚度，以保证水平土钉与土体间的粘结作用和摩擦力。注浆强度等级、注浆和土钉粘结面积及强度等都是影响强度的主要因素。

2.复合土钉墙支护

土钉支护适用的地层范围很广，既可用于软土，也可用于粘性土。对于粘性土和淤泥质土来说，采用普通的土钉就会出现较大的沉陷，给基坑支护带来困难，并且造价很高。同时对于饱和软土还存在以下缺点：

（1）施工中很难将土钉植入土体中；

（2）在粘土层中打入土钉后，会引起粘聚力增大并造成局部破坏；

（3）在软土中打入土钉引起土体结构失稳；

（4）基坑施工完毕后，需对原设计进行复核及补充设计。因此在软土基坑支护过程中应用普通的土钉支护技术存在着一定的局限性。为了克服上述缺点，同时为了提高土体与基坑底板的粘聚力及抗剪切强度，可将普通的土钉支护与复合土钉支护结合起来使用。从而引出了复合土钉支护的新概念。

2.1 复合土钉墙简介

复合土钉支护是将普通的土钉和复合土钉结合起来使用的一种新型支护技术，它主要是由两部分组成：首先是土钉钉体，将复合土钉嵌入土中，然后再与土一起形成一种支护结构。通过水平压实灌浆和二次压浆解决土体加固与土钉抗拔力问题。复合土钉支护适用于软土，但对于淤泥质软土，饱和软土及含卵石的粘性土层是不适用的。复合土钉支护可以采用不同的材料，如木桩、钢筋混凝土等。复合土钉所采用的材料应根据施工场地条件和基坑工程特点来选择，一般可分为水泥土钉和砂粒土钉两大类。另外，由于不同的材料所具有的性能及适用范围都是不一样的。为了更好地适应不同工程情况，在复合土钉支护设计时还需要对其进行设计优化，从而更好地达到整体支护施工过程中所需要的技术性能。

采用复合土钉支护一般具有以下优点：

（1）可以同时支护两个基坑，节约费用；

（2）可以在不具备自支撑能力的土体上设置加固土体结构（如墙、坑），从而减少或消除基坑底部沉陷现象；

（3）当坑底存在软弱夹层时，可采用带锚杆的复合土钉进行开挖；

（4）由于土钉钉体嵌入土中，因此可减小或消除基坑底土体的位移、变形和隆起；

（5）由于形成了复合的支护结构和加固土体（如墙），因而具有良好的防水性能。

2.2 复合土钉墙原理

由于止水帷幕、微型桩和预应力锚索等因素的影响，使得其与传统的土钉墙相比，其工作机制更加复杂和多样。由于组分的性质千差万别，各种组分的组合方式在做饥饿埋藏时也必定会有差异，所以无法用一个统一的模型来进行分析和研究，本文只是对此做了一点粗浅的了解。

从结构组成、受力机理、使用条件及范围等方面出发，目前，国内外对该墙的研究主要集中在三个方面，即：隔水帘、预应力锚索和微型桩。这三种类型中，义分别以深层搅拌桩复合土钉墙、预应力锚索复合土钉墙及钻孔灌注微型桩复合土钉墙为代表。

土钉墙可以直接施工在深厚的软土土层上。其作用机理主要有：

（1）通过对软土层侧向加固，使其能承受较大水平荷载；

（2）通过加强桩和复合土钉体之间的接触，减小了桩间土的侧摩阻力；

（3）使桩体在软岩中受到压缩产生拉应力而起到稳定作用。复合土钉一般包括：土钉、错距排列的锚杆、微型桩和复合土钉体。

对岩土工程设计，复合土钉支护体系的力学分析主要分为两类：第一类是采用力学计算方法，确定土钉的间距（包括位置和方向）以及桩间附加应力。第二类是采用有限元方法，将土钉等组成的复合体系模型计算分析。

3.地下连续墙

地下连续墙（简称地墙），就是在地面上沿着支护或深基坑开挖工程的周边，开挖指定长度和深度的沟槽，然后在沟槽内放入钢筋笼或其他加固材料，注浆使之成为一个整体的结构。用于基坑的挡土结构。

3.1 地下连续墙简介

地下连续墙被广泛应用于深基坑工程中作为挡土结构发挥作用，具有施工速度快，节约工期；能够抵抗土体的侧压力，具有良好的抗渗性能；墙体施工中无噪音污染，无振动和噪声干扰，施工环境好等优点。

地下连续墙（简称地墙）的施工，指的是在地面上，首先构建导墙，然后使用特殊的成槽设备，沿着支护或深开挖工程的周围，在特殊的泥浆护壁条件下，每次开挖一定长度的沟槽，达到规定的深度。在清槽完成后，在槽中吊放钢筋笼，然后采用导管法对水下混凝土进行浇筑，混凝土自下而上充满槽中，并将泥浆从槽中置换出来，筑成一个单元槽段，并依此一段一段进行，这些相互相邻的槽段在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙体，用作承重，挡土，截流和渗透的建筑物。

另外，地下连续墙的施工存在一定的难度，在施工时必须要有相应的保护措施，保证整个施工能够顺利进行。从技术角度来看：地下连续墙属于逆作法的一种形式，逆作施工时需要在地面上进行开挖，因此所需的人工也比较多。同时，这种支护形式可以缩短工期，但是地下连续墙施工时会产生大量皮渣。如果施工不合理则会影响到周围环境，造成一定的损失。因此，地下连续墙在施工时，必须要采取相应的保护措施。地下连续墙的成本比其他支护形式更高，并且地下连续墙施工时的难度也比其他支护形式更大。因此，在使用地连墙时需要综合考虑成本和收益。地下连续墙的优点是其可以对周围建筑物和环境产生影响，但是其缺点也是非常明显的，在使用前必须要对它进行充分的了解。

3.2 地下连续墙原理

地下连续墙是在地面上沿设计好的距离开挖出一条长度和深度均相等的沟槽，然后在沟槽内放置钢筋笼并浇筑混凝土，使其成为一个整体。这种支护形式可以抵抗土体的侧压力，具有良好的抗渗性能。它还可以在墙体两侧设置一定长度以增加地下连续墙的长度。

为了使地下连续墙的强度能达到一个较高的水平，在进行连续墙施工时需要控制其强度，从而保证连续墙的强度能够满足基坑施工的要求。地下连续性墙支护是以混凝土为主要材料进行建造，在建造过程中可使用多种材料共同组合成的方法，如：钢管桩、钢筋混凝土连续墙、钢拱架及钢筋笼等。在建造地下连续墙支护时可以使用人工挖掘的方式，也可以选择机械挖掘。人工挖掘主要使用机械挖土以及人工挖土两种方式。人工挖掘主要是对沟槽底部进行平整，同时进行相应的加固处理以及排水措施等。机械挖掘主要使用凿岩机、电动锤等机械设备进行开挖，同时进行相应的加固处理。由于所使用的施工工艺不同，其施工难度及成本也有所区别，需要根据具体情况而定。

4.桩锚支护

4.1 桩锚支护的简介

桩锚支护系统是一种由桩体和锚杆组成的支护体系。是在土中打入基础，并与周围的混凝土护坡桩一起形成了一种整体结构。这种深基坑支护体系，不仅可以有效地减少基坑施工带来的震动和环境污染，而且可以提高其稳定性，增强基坑的抗渗能力和降低成本。桩锚支护系统是深基坑建设过程中常见的重要方法之一。

桩锚支撑系统主要由两类支撑结构组成，即锚杆和嵌入地下的防护桩。它通常配有腰梁和冠梁。其中，锚杆是将受拉杆件的一端（锚固段）固定在稳定地层中，另一端与工程构筑物相联结，为了抵抗土压力、水压力等对建筑物产生的推力，可以利用地层中的锚固力量来维持建筑物（或岩土层）的稳定性。岩土锚是在地层中埋设一种锚固装置，使建筑物与地层形成牢固的整体，利用其与地层间的剪切力，不仅能承受地层的张力，还能加强地层自身的强度，实现建筑物和地层的稳定。冠梁的作用是提供必要的侧向支撑，确保基坑稳定，减少变形。由于桩的锚固作用，冠梁可以对桩的变形进行控制，同时将其作为整体进行连接。此外，冠梁和锚杆主要用于将桩体的位移通过预应力作用进行控制。这种桩锚支撑系统适用于软土地区、土层较厚、地下水丰富、土体强度高的土质条件。桩锚支护结构的两个主要组成部分是倾斜基础和锚桩。

4.2 桩锚支护原理

桩锚支护结构主要由锚杆、连接孔、腰梁和冠梁组成。锚杆通常为钢管，锚索通常为钢筋混凝土。在桩的两侧设有T 形钢筋混凝土固定端，以使锚管与钻孔成T 形或U形布置，并与钻孔相连接。锚杆是利用钢绞线、钢板和钢筋来制成的。它的主要作用是将桩基和锚索连接在一起，形成一个整体结构，以增加桩体的承载能力，使护坡桩能在基坑开挖后稳定地起到支撑作用。桩锚支护结构中的锚索主要由混凝土制成。它被设置为“T”形，两端有两个端头，与钢筋混凝土锚杆相连接。桩锚设计时应考虑到桩体所处地形的条件和建筑物对基坑的影响程度。

在基坑开挖时，由于基坑周围的土体强度低，在基坑的底部会出现较大的水平位移。桩锚结构中的冠梁可对侧向变形进行控制，同时可以将桩体中的侧向土压力传递到土层深处，从而保证了围护土体在开挖后的稳定，减少基坑施工带来的危害。

5.悬臂桩支护

5.1 悬臂式支护概述

悬臂式钢板桩是一种不使用拉力和锚杆，只依靠板桩本身的结构强度和埋设深度，以确保其稳定和总体安全的技术。在此基础上，发展一系列能反映桩-桩间土相互作用的分析方法。同时，考虑到被动区对基坑底和桩周土的承载能力要求较高，提出了利用复合地基加强被动区土的方法，实现被动区土压力的增大。

悬臂桩支护形式具有较强的抗倾覆能力，且可以在一定程度上减少土体内地下水的影响，具有较好的防水效果，但不能保证基坑底部土压的稳定。若采用该支护形式应注意设置必要的支护桩之间应相互连接固定。在一定程度上提高了基坑安全性。悬臂桩支护在基坑工程中应用广泛，施工方便且经济。但如果桩身与锚杆之间产生过大间隙，将会影响支护结构整体性和稳定性，在土体松散土层、土质较差等条件下不适用。

5.2 悬臂式支护原理

悬臂式钢板桩挡墙无撑无锚，完全依靠板桩的结构强度和入土深度保持挡墙的稳定和整体的安全。坑侧土体易产生变形，围护结构的桩顶位移和桩身弯矩值均较大。此外，该结构形式要求坑底及板桩底部土体有足够的强度以抵抗产生的反力，因此,在基坑底部被动区土体地质条件不良时，可考虑采用土体加固的方式以提高被动区土压力。

悬臂桩桩身土压力分布为水平和竖直方向的土抗力。当悬臂桩桩顶土压力大于桩底的土压力时，可能发生水平侧移。悬臂式桩基是一种特殊的桩基，其与周围土层之间存在着非连续性，严重时会对支护系统产生不利影响，严重时还可能导致结构破坏。所以对悬臂桩桩身的施工要求比较严格。在悬臂桩桩顶和坑底形成一个连续体时，为保证整个支护结构安全稳定，其支挡条件较为苛刻，需要采取其他有效措施来控制桩顶水平侧移。当悬臂桩桩身与周围土体构成非连续体时，可在其附近设置支挡体系或其他有效措施提高稳定性。

结语：

本文主要针对黄土地区的土质特点，分别对5 种支护结构进行了分析，地下连续墙支护结构因其成本高、施工过程中会产生废渣等特点在应用时要结合环境条件、技术和经济合理的情况下使用。悬臂式桩支护结构具有整体性好、承载力高、施工速度快等特点，在工程实践中得到广泛应用。桩锚支护结构主要是通过钻孔灌注桩、钻孔灌注土钉等方法形成的柔性墙体。与其他支护材料相比，桩锚支护具有造价低、易于施工和便于自动化控制。桩锚支护结构对垂直深基坑支护有很好的适用性，但对水平的深基坑支护效果不明显。