基坑支护工程与边坡工程稳定性、支挡结构设计.doc

基坑支护工程与边坡工程稳定性、支挡结构设计
为建筑基础开挖的临时性坑井称为基坑。基坑属于临时性工程，其作用是提供一个空间，使基础的砌筑作业得以按照设计所指定的位置进行。基坑稳定性验算是指分析基坑周围土体或土体与围护体系一起保持稳定性的能力。导致基坑失稳的原因主要有两类: 一类是结构物(包括墙体和支撑等)强度、刚度或稳定性不足;另一类是地基土抗剪强度不足或土体变形过大。前一类失稳属于支护结构内力范围, 后一种主要由土体变形主要引起的失稳。
1. 根据围护形式不同，基坑的第一类失稳形态主要表现为如下一些模式。
（1） 放坡开挖基坑
由于设计不合理坡度太陡，或雨水、管道渗漏等原因造成边坡渗水导致土体抗剪强度降低，引起基坑边土体整体滑坡。
（2） 刚性挡土墙基坑
刚性挡土墙是水泥土搅拌桩、旋喷桩等加固土组成的宽度较大的一种重力式基坑围护结构，其破坏形式有如下几种：
a. 由于墙体的入土深度不足，或由于墙底存在软弱土层，土体抗剪强度不够等原因，导致墙体随附近土体整体滑移破坏。
b. 由于基坑外挤土施工如坑外施工挤土桩或者坑外超载作用如基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土体压力增加，导致墙体向坑内倾覆。
c. 当坑内土体强度较低或坑外超载时，导致墙底变形过大或整体刚性移动。
（3） 内支撑基坑
内支撑基坑是指通过在坑内架设混凝土支撑或者钢支撑来减小柔性围护墙变形的围护形式，其主要破坏形式如下：
a 因为坑底土体压缩模量低，坑外超载等原因，致使围护墙踢脚产生很大的变形，结构失稳和地面塌陷的严重事故，坑底部土体的抗剪强度较低，致使坑底土体随围护墙踢脚向坑内移动，产生隆起破坏。合理或者坑底超挖，承压含水层的水头压力。不合理或者井点降水失效后，导致水位上升，会产生坡较陡。
b 在含水地层（特别是有砂层、粉砂层或者其他透水性较好的地层），由于围护结构的止水设施失效，致使大量的水夹带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会造成支护还可能先在墙后形成空穴而后突然发生地面塌陷。
c 由于基坑底部土体的抗剪强度较低，致使坑底土体随围护墙踢脚向坑内移动，产生隆起破坏
d 在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不冲破基坑底部土层，发生坑底突涌破坏。
e 在砂层或者粉砂地层中开挖基坑时，降水设计生管涌，严重时会导致基坑失稳。
f 在超大基坑，特别是长条形基坑（如地铁站、明挖法施工隧道等）内分区放坡挖土，由于放降雨或其他原因导致滑坡，冲毁基坑内先期施工的支撑及立柱，导致基坑破坏。
（4） 拉锚基坑
a 由于围护墙插入深度不够，或基坑底部超挖，导致基坑踢脚破坏。
b 由于设计锚杆太短，锚杆和围护墙均在滑裂面以内，与土体一起呈整体滑移，致使基坑整体滑移破坏。
2. 基坑第二类失稳形态根据破坏类型主要表现为以下几种。
（1） 围护墙破坏
此类破坏模式主要是由于设计或施工不当造成围护墙强度不足引起的围护墙剪切破坏或折断，导致基坑整体破坏，例如挡土墙剪切破坏，柔性围护墙墙后土压力较大，而围护墙插入较好土层或者少加支撑导致墙体应力过大，使围护墙折断，基坑向坑内塌陷。
（2） 支撑或者拉锚破坏
该类破坏主要是因为设计支撑或拉锚强度不足，造成支撑或拉锚破坏，导致基坑失稳。
（3） 墙后土体变形过大引起的破坏
该类破坏主要是因为围护墙刚度较小，造成墙后土体产生过大变形，危及基坑周边既有构筑物，或者使锚杆变位，或产生附加应力，危及基坑安全。
边坡是指为保证路基稳定，在路基两侧做成的具有一定坡度的坡面。边坡岩、土体在一定坡高和坡角条件下的稳定程度。按照成因 ，边坡分为天然斜坡和人工边坡两类，后者又分为开挖边坡和堤坝边坡等。按照物质组成，边坡分为岩体边坡、土体边坡,以及岩、土体复合边坡3种。按照稳定程度，分为稳定边坡、不稳定边坡，以及极限平衡状态边坡。
不稳定的天然斜坡和设计坡角过大的人工边坡，在岩、土体重力,水压力，振动力以及其他外力作用下,常发生滑动或崩塌破坏。大规模的边坡岩、土体破坏能引起交通中断，建筑物倒塌，江河堵塞，水库淤填，给人民生命财产带来巨大损失。研究边坡稳定性的目的，在于预测边坡失稳的破坏时间、规模，以及危害程度，事先采取防治措施，减轻地质灾害，使人工边坡的设计达到安全、经济的目的。
从上面可以明显看出边坡和基坑在稳定性分析方面的异同，基坑一般都是后天人工进行开挖，都是都一定的理论基础的，而边坡不同，有很多都是天然的，对于它的稳定性有很多不太确定的因素。
基坑的支护结构设计一般指的是深基坑的支护结构设计。支挡结构是深基坑存在的普遍性问题, 而软土基坑是其中的难点和争议较多的问题故以下评述中以软土为主, 其原则对一般粘性土层为主的基坑支护也大体适用。
（1） 重力式围护
以水泥搅拌桩墙为代表。这种方式首先在上海推广, 曾在国内风靡一时, 目前又是从上海开始逐渐退出舞台。其原因主要是:
a 由于软土的强度和摩擦力低, 维持稳定要求较大的断面和一定的插入深度, 造价已不具备竞争能力。
b 搅拌桩长度约7m左右, 再深桩身质量较难保证。由于工艺本身决定, 质量控制困难。由此可见, 这种型式作为软土层基坑, 当仅设一层地下室时, 尚有一定应用价值。对二层或多层地下室基坑的围护, 其效果很不理想, 因而不予推荐。
(2) 悬臂式支护
a 当地层软弱, 尤其在基坑底部地层软弱时, 要产生必要的推力, 水平变形必然大;
b 由于系悬臂结构, 按梁的挠曲变形一般规律, 地表附近的变形更大;
c 为了满足稳定要求, 无限深软土中, 嵌入深度( 坑底下桩长) 与挡土高度( 地表至坑底) 之间的比约为2: 1~4: 1, 这样工作量必大。如用钢筋砼桩围护, 则配筋量相应也大, 造价必然高。故悬臂式不可取。有的专家建议, 采用被动区加固的方法以减少水平变形。采用这一措施的前提是要有充分的时间, 即占用工期。其次是费用既高, 效果又有限, 故建议仅在特殊条件下采用。
(3) 深锚式
深锚式指的是在围护构件的适当部位设置一层或多层长约20m~ 30m的土层锚杆, 每根锚杆可承受100kN~300kN左右的水平力。这种方案的缺点是:
a 造价高: 周长约220m左右的二层地下室基坑, 替代内支撑承受周边水平力的锚杆造价一般在80万元~100万元左右。而相应的内撑式支护, 内支撑造价仅需40万元~50万元;
b 由于主要借助作用于锚固段上的摩擦力实现稳定, 故必须有一定量的变形。其优点是施工方便、设防灵活。故当锚固端置于较坚硬的土层中时, 是一种具有竞争力的方式。当锚固端位于软土中时, 其先进性仍应置疑。一般地说, 当基坑平面尺寸极大时, 锚拉式具有一定的优越性。
(4) 浅锚式( 土钉墙)
又称为喷锚。这种方式的作用机理类似于加筋挡土墙。加筋挡土墙是分层的置筋, 与覆土交叉进行, 土钉墙是往土体中置筋。其缺点是:
a 由于系借助摩擦力稳定, 故在软土中造价较高;
b 地表荷载对稳定安全系数影响很大;
c 施工中超深开挖时极易造成严重事故。
后两点也是其致命的弱点。故一般而论, 除了较浅的基坑, 该措施在软土中应用时应十分慎重。
(5) 内撑式支护
作为围护构件, 据说国外以钢板桩为主, 国内则以钢筋砼桩、尤其是钢筋砼灌注桩为主, 个别场合采用地下连续墙。本文中主要讨论桩式围护。
边坡支护结构的形式很多，有挡墙、抗滑桩、锚固等，可以说百花齐放．支护中主要使用其中一种、两种，或将不同类型的支护结构组合起来使用．究竞选择什么样的支护结构，要针对实际情况进行多方论证，从比选方案中推荐最优方案，最重要的就是要看所采用方案是否做到了安全、经济、合理、可行．相同的边坡，不同的设计者，做出的方案可能有所不同，甚至出现很大的差异，造价上相差很大，也是不足为奇的．因为个人对边坡的认识不同，设计的理念不同，选择的支护形式也有所不同．如何做到方案最优，是支护工程设计参与者必须考虑的，因为支护结构形式的选择要考虑诸多方面的因素．
支护结构选择需要考虑地质环境条件、边坡性质与边坡变形失稳机理、经济合理与可实施性、环境保护、新技术新工艺新材料、经济社会发展水平等多方面的因素。
（1）地质条件
地质条件是边坡稳定性分析和支护设计最基础、最重要的因素，笼统地说包括地形地貌、地质构造、工地质、水文地质及地表水、不良地质作用等。
（2）边坡性质与变形失稳机理
边坡性质：除了地质因素决定的边坡固有特性之外，边坡还有其它一些重要性质也是必须考虑的，如是自然边坡还是人工边坡?是挖方边坡还是填方边坡或者是半挖半填边坡?坡高与坡比、边坡的使用年限、边坡的重要性与安全等级、边坡上方的附加荷载、是否有震动因素等，这些性质都会影响边坡支护结构形式。
（3）安全合理与可实施性
不同用途、不同性质、不同安全等级的边坡，对稳定安全系数有不同的要求．边坡支护，首要的就是安全，但又必须是合理的安全．合理的支护必然是安全的，但安全的支护不一定都是合理的，这就有一个安全度的把握问题，如临时支护比永久支护采用的安全系数要低，因为它可能不考虑或者说少考虑那些潜在的不利因素。
（4）新技术、新工艺、新材料的应用
新技术、新工艺、新材料的应用，对推进边坡支护技术的发展是一件非常好的事情，可以提高工效、降低成本、保护环境、克服难度
（5）环境保护
随着环保意识的提高，支护形式在环境保护的要求是必须要考虑的。例如尽量减少对原始地质及生态环境的扰动破坏，不大挖方和大填方，对支护坡面进行绿化，尽可能让边坡景观与自然环境和谐等。
（6）经济社会发展水平
支护结构的选择，还应考虑与地方经济和社会发展水平相适应。发达国家在边坡支护的投入总体上要比发展中国家高，手段也更加先进，因而经过治理的边坡在稳定性、环境保护、美观程度等方面都是比较好的，而且在预见性和主动性方面都有很好的体现。同样，发达地区的边坡支护要好于欠发达和落后地区。