复杂环境的深基坑工程中多种支护型式的应用研究

文章编号：1004-3918（2014）04-0568-04

河南科学

HENANSCIENCEDOI：10.13537/j.issn.1004-3918.2014.04.022

Vol.32No.4Apr.2014

复杂环境的深基坑工程中多种支护型式

的应用研究

李荣玉，

阮永芬，

施炳军，

王熙冬

650500）

（昆明理工大学土木工程学院土木工程系，昆明

摘要：随着建筑工程的发展，会遇到一些较深而周边环境复杂的深基坑工程.单一的支护结构难以满足设计要求，而是需要根据基坑不同的周边环境，因地制宜的桩锚、对锚及内支撑等多种支护结构进行联合支护设计及施工.现对昆明某深基坑中采用的多种联合支护结构进行设计支护，并对基坑各剖面进行单元计算与整体协同计算，并且通过手算复核各支护结构的安全性.结果表明采用多种支护型式进行支护设计的合理性，能缩短工期，取得很好的经济效益及社会效益，为今后类似深基坑支护设计提供参考.关键词：深基坑支护设计；桩撑结构；桩锚结构；换撑设计中图分类号：TU46.3

文献标识码：A

StudyonApplicationofAVarietyofSupportTypeintheDeepFoundation

PitEngineeringofComplexEnvironment

LiRongyu，

RuanYongfen，ShiBingjun，WangXidong

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０５００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｓ，thereareｓｏｍｅｄｅｅｐａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｉｎｇｌｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｓｏａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔ，ａｎｃｈｏｒｐｉｌｅ，ａｎｃｈｏｒｔｏａｎｃｈｏｒａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｂｒａｃｉｎｇwerechosenbasedonlocalconditionsｆｏｒａｖａｒｉｅｔｙｏｆｊｏｉｎｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．ForaｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｉｎKｕｎｍｉｎｇｕｓｅｄａｖａｒｉｅｔｙｏｆｊｏｉｎｔｄｅｓｉｇｎｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ，theｖａｒｉｏｕｓｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎｅｘｃａｖａｔｉｏｎｕｎｉｔｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄandｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｉｓｃｏｍｐｕｔｅｄ．Ａｎｄthenweｃａｌｃｕｌａｔｅdｂｙｈａｎｄｔｏｃｈｅｃｋｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｓｉｎｇｔｈｅｎｅｗｃｏｍｂｉｎｅｄｓｕｐｐｏｒｔｒａｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｃａｎｓｈｏｒｔｅｎｐｅｒｉｏｄ，ａｃｈｉｅｖｅｇｏｏｄｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｓｏｃｉａｌｂｅｎｅｆｉｔｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｓｉｍｉｌａｒｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：dｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎ；pｉｌｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；pｉｌｅａｎｃｈｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；dｅｓｉｇｎｏｆｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ

近些年来，随着城市化的快速发展与土地资源的有限性，城市地下空间得到了充分的开发利用.因此，由于高层建筑结构所产生的基坑面积越来越大，深度越来越深，而基坑一般都位于建筑物、道路、地下管线、地铁相对密集的地区，基坑周边环境的复杂性增加了基坑支护设计的难度.但是深基坑支护设计理论是随着基坑工程的实践而逐渐发展的，也就是理论滞后于实践，并且具有一定的地区经验性.对于昆明软土地区的特殊深基坑工程，传统的某一种支护结构[1鄄3]未必能满足基坑支护设计的需要.现针对昆明市某基坑支护进行设计，并对其合理性、安全性进行分析研究，为类似基坑支护设计提供参考.

󰀁󰀁收稿日期：2013-12-02

基金项目：云南省科技厅中青年学术技术带头人项目（２０１０ＰＹ０１－３６）；昆明理工大学人才培养基金项目（１４１１８５５６）作者简介：李荣玉（１９８８-），男，云南楚雄人，硕士研究生，主要从事岩土方面的工作通信作者：阮永芬（1964-），女，云南宣威人，教授，博士，研究方向为特殊土的力学特性.

2014年4月李荣玉，等：复杂环境的深基坑工程中多种支护型式的应用研究

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1工程概况

昆明市某城中村重建改造项目B地块，拟建3栋26层办公主楼和五层商业裙房，设3层整体地下室，基坑实际开挖深度为15.3～16.1m，基坑呈不规则的多边形.1.1

场地工程地质、水文地质条件

拟建场地位于滇池湖积盆地边缘地带，属断陷湖积盆地地貌，地层以湖积地层为主，在影响基坑开挖范

围内地基岩土由上至下主要为：

1）第四系人工（Qml）①层填土：场地浅表部为新近堆填的建筑垃圾，向下以黏性土为主，含块石、碎石，结构松散，固结差.

2）第四系冲、洪积相（Qal+pl）及湖沼相（Ql+h）沉积层：②层黏土，可塑为主，局部硬塑状态，中等压缩性土层，承载力较高；③层粉质黏土，软塑为主，局部可塑状态，湿，局部以黏土为主，夹薄层淤泥、有机质、泥炭质土的透镜体，承载力较低；③1层粉砂，稍密，饱和，混入少量细中砂，颗粒级配较差，局部夹杂腐植物残渣，压缩性中等；③2层有机质黏土，软塑为主，局部可塑状态，稍湿，局部夹薄层黏土的透镜体，含腐植物残渣，承载力低，具高压缩性.③3层黏土，可塑为主，局部硬塑状态，湿，局部以粉质黏土为主，夹薄层淤泥、有机质土、泥炭质土的透镜体，局部含腐植物残渣，中压缩性，承载力较高.④层黏土，可塑为主，局部硬塑状态，湿，局部以粉质黏土为主，夹薄层淤泥、有机质、泥炭质土的透镜体，中压缩性，承载力较高；④1层黏土，软塑为主，局部可塑，湿，局部以粉质黏土为主，夹薄层淤泥、有机质、泥炭质土的透镜体，高压缩性，承载力较低；④2层粉土，稍密密，饱和，与粉砂混杂，夹薄层中粗砂，具中压缩性；⑤层有机质黏土，软塑为主，局部可塑，稍湿，局部夹薄层黏土透镜体，含腐植质及腐朽草根，高压缩性，承载力较低；⑤1层粉土，稍-中密，饱和，与粉砂混杂，具中压缩性；⑤2层粉质黏土，可塑为主，局部软塑，湿，局部以黏土为主，夹薄层有机质土、泥炭质土的透镜体，中等压缩，承载力较高；⑥层粉质黏土，可塑为主，局部硬塑，湿，局部以黏土为主，中等压缩，承载力较高；⑥1层粉土，中密，饱和，与粉砂混杂，中等压缩；⑥2层有机质黏土，可塑为主，局部软塑状态，稍湿，含腐植物残渣，高压缩性，承载力较低.

基坑开挖范围内存在淤泥、有机质土、泥炭质土、黏性土等压缩性较高，承载力和抗剪强度指标较低的软土，其土层物理力学参数如下表：

表1

Tab.1

层号①②③③1③2③3④④1

土层名称杂填土黏土粉质黏土粉砂有机质土黏土黏土黏土

重度γ/kN·m-3

18.018.719.119.015.718.619.118.2

黏聚力

c/kPa10.045.021.210.010.128.936.718.6

土层理力学参数

Thephysicalandmechanicalparametersofsoil

摩阻力qsik/kPa18.065.073.042.018.065.060.030.0

层号④2⑤⑤1⑤2⑥⑥1⑥2

土层名称粉土有机质土粉土粉质黏土粉质黏土粉土有机质土

重度γ/kN·m-3

19.916.619.418.718.719.316.8

黏聚力

c/kPa30.725.941.032.032.032.933.6

内摩擦角φ（/°）12.67.710.410.510.311.78.5

摩阻力

qsik/kPa65.020.064.050.063.064.020.0

内摩擦角φ（/°）5.012.712.014.08.49.98.65.4

该场地地形较平缓，地下水类型为孔隙潜水和孔隙承压水，主要靠大气降雨及地表径流补给，通过蒸发和向低洼沟渠向外排泄.孔隙潜水赋存①层杂填土中，上部孔隙潜水主要赋存于③1粉砂、④2粉土、⑤1粉

土等地层中，场地稳定的地下水位0.40~4.80m之间.

基坑周边环境

拟建场地北侧距人民西路仅4.1m，地下埋设有大量地下管网，管线分布常密集，且有地铁3号线通过，按照昆明地区相关规定，严禁施工锚杆（索）.西侧和南侧分别为A地块与D地块基坑，基坑正在施工，且与本基坑相邻的剖面采用对拉锚索.东侧为翠羽路，距翠羽路最近3.9m.周边环境比较复杂，基坑平面图见图1.1.2

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第32卷第4期

s󰀂󰀃󰀄󰀅图1基坑支护平面图

Fig.1Planeofdeepexcavationpitsupports

2基坑支护设计

根据相关的规范、规程的相关规定，确定安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数γ0=1.10，依据“结构安全、经济科学、技术可行”的原则对基坑进行支护设计.2.1

支护结构设计

由于本场地地下水位比较高，因此采用准600@400的长螺旋水泥土搅拌桩和置换桩进行封闭式的止水帷幕.本基坑的西侧和南侧和相邻的基坑形成对拉桩锚支护，西南侧和东侧采用比较成熟的桩锚支护体系

进行支护，支护桩采用直径1m的旋挖桩，桩间距1.3m，桩长为28m，设置5道间距2.6m，长度25~31m的可回收预应力锚索，预加力为300~400kN，支护结构详见图2所示.

图2桩锚支护剖面图

Fig.2Profileofpileanchorsupporting

2014年4月李荣玉，等：复杂环境的深基坑工程中多种支护型式的应用研究

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图3桩撑支护剖面图

Fig.3Profileofpilebracesupporting

󰀁󰀁靠近人民西路的北侧为本基坑支护的重点，采用由传统内支撑结构演化的新型桩撑进行支护，上段3.3m部分采用长螺旋水泥土置换桩内插H型工字钢作为挡土结构，下段部分支护桩采用长30m，直径1.6m，间距2m的大直径旋挖桩，支撑体系采用一道水平支撑和一道斜撑（间距都为8m），在支撑点部位预留一段20m宽的土台，土台一侧采用直径1m，间距2m的旋挖桩作为挡土结构和承受支撑体系传来的内力，土台另一侧采用放坡开挖.这样支护桩与支撑体系形成一个有机的整体，共同承受土压力和控制土体的变形.2.2基坑内被动区土体加固设计

由于场地的复杂性，在基坑开挖范围内存在压缩性高而抗剪强度、弹性模量低的软土，支护结构难以保证土体的变形，因此在基坑内被动区软土采用三轴搅拌桩进行加固.经过加固的土体内聚力和内摩擦角大为增加，黏聚力与无侧限抗压强度的比值约为0.2～0.3，内摩擦角比天然土体提高约1倍，加固后土体抗剪强度、承载力和弹性模量都大幅度提高，约为无侧限抗压强度的一半；并且水泥土的重度较天然土体重度增加较小，重度增加不到3%，因此加固部分对于下部未加固部分不致产生较大荷重.

2.3支护结构计算分析

2.3.1结构内力计算对支护结构进行计算分析，支护桩的位移和内力图如图4所示，基坑底以上1/4基坑深

-173.30

-9

0

9

17-3100-1550015503100-1400-70003.30

3.30

7001400

101010

202020

3033.3

位移/ｍｍ（－１５．４８）－－－（０．００）（０．００）－－－（０．００）

3033.3

3033.3

剪力/kN弯矩/kN-ｍ

－１０９８．１９）－－－（６７７．1８）（－2272．66）－－－（2429．21）（

-1００１．０１）－－－（５６５．５1）（-1622．38）－－－（2837．57）（

图4支护桩位移、内力图

Fig.4Displacementandinternalforcesofsupportingpile

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河南科学

第32卷第4期

度的位置支护桩的弯矩最大，为2272.66kN·m，基坑底以下5m的位置弯矩最大，为2837.57kN·m，支护桩的抗弯承载力为2875.16kN·m.最大弯矩为抗弯承载力的98.7%.支护桩的最大位移为15.48mm，为基坑深度的1.01‰.斜撑梁与水平支撑梁的抗弯与抗压承载力分别为1177.30kN·m、12804.26kN，其最大弯矩与最大轴力分别为1116.79kN·m、5428.37kN，分别为抗弯与抗压承载力的94.8%、42.4%.2.3.2剩余下滑力计算考虑支护桩与支撑结构的作用，主动区当安全系数分别为1.0、1.25、1.30时的剩余下滑力每延米分别为683.6kN、1072.2kN、1149.9kN，被动区相应的安全系数时的剩余下滑力每延米分别为56.6kN、255.6kN、295.5kN，支护桩与支撑结构所承受的抗剪承载力4517kN，远大于主动区与被动区的剩余下滑力之差，如图5所示.2.4

换撑结构设计

基坑底地下室底板与支护桩之间浇筑厚2m

剩余下滑力（/kN·m-1）120010008006004002000

1.001.051.101.151.201.251.301.35

安全系数

主动区被动区

被动区与主动区剩余下滑力差值

图5剩余下滑力-安全系数关系曲线的素混凝土支撑，同样采用两道钢管进行换撑，换

Fig.5Coefficientcurvesofremaininginforce-safety撑尽量设置在地下室梁板的位置，以保证足够的刚

度来控制变形.经过理论计算分析，第一道换撑梁

对主体结构产生的线荷载为782kN/m，第二道换撑梁对主体结构产生的线荷载为325kN/m，对换撑梁传递

到地下室基础、梁、板、柱及外墙的力进行刚度与强度进行验算，结果表明地下室各结构能够提供足够的刚度与强度，换撑设计方案可行.

3结论

通过以上分析计算研究，可以得到以下几点结论：

1）本基坑支护设计方案是合理科学的，采用不同的安全系数对主动区与被动区剩余下滑力计算，保证了支护结构的安全性，支护桩的位移仅为基坑深度的1.01‰，严格的控制了周边环境的变形，并且可以缩短施工工期.

2）支护结构自身的承载能力能够有效地得到发挥，发挥率可以达到98.7%，不会造成材料的浪费，节省了工程造价.

3）对软土地区的基坑坑底被动区土体进行加固，可以提高加固土的抗剪强度和弹性模量，减小基底的隆起量以及支护桩的变形.

4）对换撑进行验算，以保证地下室结构提供足够的刚度与强度，以此来满足支护结构的安全性与可行性.参考文献：

［１］陈忠汉，程丽萍．深基坑工程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２.

［２］中华人民共和国住房与城建设部.ＪＧＪ１２０—２０１２建筑基坑支护技术规程［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１２.［３］中华人民共和国住房与城建设部.ＹＢ９２５８—９７建筑基坑工程技术规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９７.［４］熊楚炎，杨小波．某市区临河深基坑支护设计实例［Ｊ］．岩土工程学报，２００６，２８（１１）：１６３８－１６４０.［５］叶继权，吕善国，李俊才．某扩建工程深基坑支护设计与监测［Ｊ］．建筑科学，２０１０，２６（５）：８６－８９.

（编辑张松林）

复杂环境的深基坑工程中多种支护型式的应用研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

李荣玉， 阮永芬， 施炳军， 王熙冬， Li Rongyu， Ruan Yongfen， Shi Bingjun，Wang Xidong

昆明理工大学土木工程学院土木工程系,昆明,650500河南科学

Henan Science2014(4)

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