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高层建筑深基坑支护探析
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摘 要：对高层建筑深基坑支护的支护系统侧压力、水压力测试和深基坑围护结构安全系数等知识进行介绍，并联系实际提出深基坑支护结构的选择，对工程实际有一定借鉴作用。
关键词：高层建筑；深基坑；支护
1 支护系统侧压力
1.1 支护系统计算理论
支护系统的侧压力包括主动土压力和水压力，土压力计算目前国内普遍采用挡土墙理论库仑公式和朗肯公式，这是由于目前尚无完整和成熟的支护系统侧压力计算理论，但是应当指出该两套公式均按平面内受力推导，而深基坑支护属于空间问题，故两者不一致。其次是挡土墙是先施工后填土，设计人员对填土可提出一定质量要求，因此土的内摩擦角ψ和土内聚力c值均已知，其值较稳定，因此挡土墙计算公式求得较精确，可靠性高。深基坑支护在原地基土上施工，在地表面以下3米左右之内均为杂填土，在市镇地区杂填土多为砖瓦碎片与城市垃圾，其比例有的高达70%以上，其成分与埋深也不均匀不稳定，勘探单位提供地质报告中凡是杂填土均不列出力学参数，故内摩擦角ψ和土内聚力c均无值，然而在应用库仑和朗肯公式计算主动土压力时要用该两值，当杂填土较厚时，这给深基坑支护系统设计增加难度，因此其计算结果可靠性较差。作者认为杂填土内聚力值c应取零，不予考虑。对国内外高层建筑深基坑支扩失败实例分析来看，除支护设计有误和施工时技术措施不妥外，其中有一条是地基土和地表潜水不稳定，设计时选用参数和实际情况有较大出入，深基坑支护设计可靠性较差有直接关系。
从以上分析可知，高层建筑深基坑支护的土压力目前采用计算理论不能满足设计使用的要求，其可靠性差，在一定程度上仍依靠施工技术人员的经验，这有待于科技工作者通过科研和实践相结合基础上提出较为完整的计算理论。
1.2 地表潜水产生的水侧压力
挡土墙设计时一般不考虑水的侧压力，因为在设计时挡土墙背后土体采用排水技术措施，设置排水盲沟(如砂石盲沟)和排水管，将墙后土体中潜水及时排出，不但大大降低地表潜水产生的水侧压力，而且墙后土质含水量也比较稳定，故土的力学参数和相应土质也相应较稳定。深基坑支护不但要求承载墙后土的主动土压力，而且要求达到防渗要求，以免地表潜水流入基坑内，故基坑支护系统要承担土中水产生的侧压力，这一点与常规挡土墙设计有较大差异，挡土墙施工后其工作条件较稳定，而基坑支护条件往往多变而差，如挖土施工顺序，地面施工条件等，地面堆积过多施工机具和材料，在支护系统上行驶汽车，施工用水直接渗入地下，挖土机械在挖土时超挖等，因此深基坑支护系统附近土体水分处不稳定状态利支扩系统工作状态多变。
沿海地区地下水较丰富，地基土多为淤泥，处于饱和状态，深基坑支护结构设计时应考虑地下水产生侧压力，因此在富水地区，深基坑支护系统应该考虑地下水产生的侧压力的作用。
水压力取值大小国内文献尚无具体规定，若取值过大，基坑支护费用将增加；若取值过小，安全系数过小容易出各种重大事故。地下水对深基坑支护结构作用的侧压力大小主要取决于土结构和土中含水量大小、土的密实度、空隙比e、液性指数Ic等土参数，也与地下水产生的侧压力有极大关系。e和Ic值大，说明土中自由水比例大，土中自然水能直接传播静止水压力；当e和Ic值较小时，上中空隙间水多于自由水，空隙水是由于受土中电子吸附作用，附着在土粒间的土粒表面，故空隙水产生的水压力不直接传播静水压力，这是由于土粒之间空隙水产生水压力几乎不随土层深度增加而增加。目前尚无大量实验数据建立空隙比s和液性指数Ic与土静水压力建立相对函数关系，这有待于科研工作者作深入研究。
2 水压力测试
如何确定土中水压力大小，尚无比较成熟的计算方法，作者认为最好在现场测量土中水压的大小，本文根据有关材料作简略介绍如下。
2.1 测压计工作原理
电测式测压计在孔隙水压力作用在该仪器的特殊金属薄膜上，由薄膜产生变形引起电阻值(或电感、电磁值)的变化，这是一种力传感器。
2.2 测压计的率定
测压计在正式使用前应采用平衡电阻，对测压计内阻不平衡进行调整，平衡电阻的阻值应经过计算确定。每个测压计出厂时均标有率定系数，可是由于应变仪和示波器参数不完全一样，所以要对新购买的测压计进行率定。其方法是利用加压设备将测压计的进水和压力表并联，然后进行分级加压，根据精度要求（一般以lOKPa为单位）逐级加压，绘制率定曲线，为了提高精度，应经过多次反复加荷后求出串定系数K，这需要采用最小二乘法等数学方法进行实验数据处理。
2.3 测压计的安装和埋设
在土中安装和埋设前必须在测压计引出线附近进行密封防水处理，为了确保仪器进水口畅通，防止泥浆堵塞进水口，应在进水口处用中砂形成一道人工过滤层，用钢丝网包裹。
埋设前在埋设点先进行钻孔，钻孔埋没深度在测点标高下100mm以下，在孔底填砂，将测头迅速放入孔底，再在测头周围和上面填砂，并适当压实：最后用粘土将钻孔严密封好。若在一个钻孔内不同深度埋设多个测头，应将每个测头上下填砂，各测头之间用原土填塞，其密度应尽量与原土相同。埋设时测头电线不应拉得过紧，并应注意测头放置平整，及时调试仪器，确认工作正常后方可填砂。由于测力计在埋设时需钻孔和填砂填土，必然会破坏原土孔隙水的水压力原始平衡状态，为此应在埋设侧压计后停歇10d左右，使其埋设侧压计部位水压力恢复到原始状态，此时测得水压力才能准确地反映土中水压力实际情况。以此为依据设计深基坑围护结构达到安全可靠的目的，且技术经济指标较好。 3 深基坑围护结构安全系数
3.1 现状
目前建立一套成熟的设计计算理论，仍借用挡土墙设计方法，故设计人员在设计时仍采用挡土墙设计安全系数，但也有不同意见，有的科技工作者认为挡土墙是永久构筑物，而基坑围护是施工时所采用的临时性技术措施，故应采用较小的安全系数。从国内深基坑围护大量实例来看，其安全系数相差较大，有的过大，有的过小，凡是深基坑支护失败实例来看，往往与其设计安全系数过小有直接关系。
3.2 安全系数选用
深基坑围护安全系数的确定由设计者自定，作者认为安全具体确定应与现场具体情况而定，当基坑附近有建筑物或煤气等市政管网。工程地质报告中提供土质参数较差时，应选用较大的安全系数。作者认为不能盲目套用工程地质报告有关参数，应对现场土质情况进行全面了解和分析，合理地选用各种土质参数，特别是土的内聚力c值，应根据实际情况进行折减，以提高计算结果可靠性，提高支护结构安全系数。
4 深基坑支护结构选择
深基坑支护结构选择，一般应先考虑本单位现有施工机构，优先考虑本工程基础桩相同类型桩作为基坑支护结构，如工程桩采用钢筋混凝土灌注桩，则基坑支扩结构应尽量选用这种桩型，其直径可相应选用较小直径，这样可减少进退场费用。当基坑较深围护桩布置允许时，应尽量选用两排支护桩，这种布置方式力学性能较好，前后排桩与桩顶圈梁形成刚架结构，桩间土参与协同工作。改善围护桩的受力状况，达到减少桩的配筋量。当围护桩要求达到防渗要求，基坑深度小于7m，地表杂填土中砖瓦碎片含量较多时，不宜单独选用水泥搅拌桩，搅拌桩改为水泥注浆。北方粘土地区，基坑较深，可选用钢筋混凝土桩加锚杆支护形式，但南方一般不适用，可选用大直径钢筋混凝土灌注桩，桩顶加钢筋混凝土圈粱，转角处加斜支撑。凡是地基土为淤泥，且基坑又较深时，不宜选用钢板桩，选用钢筋混凝土地下连续墙。工程造价较高，可选用大直径两排钢筋棍凝土灌桩，中间加水泥搅拌桩(互相重叠150mm以上，以便形成防渗幕墙，且参加灌注桩协同工作，具有良好力学性能，当条件允许时，用井点降水作为辅助手段)。围护桩的选用应经过多方案比较，根据实际情况，包括周围环境和地质条件，选用经济效益最佳的支护方式。 来源: 《建筑中文网》.
关键词：高层建筑；深基坑；支护
1 支护系统侧压力
1.1 支护系统计算理论
支护系统的侧压力包括主动土压力和水压力，土压力计算目前国内普遍采用挡土墙理论库仑公式和朗肯公式，这是由于目前尚无完整和成熟的支护系统侧压力计算理论，但是应当指出该两套公式均按平面内受力推导，而深基坑支护属于空间问题，故两者不一致。其次是挡土墙是先施工后填土，设计人员对填土可提出一定质量要求，因此土的内摩擦角ψ和土内聚力c值均已知，其值较稳定，因此挡土墙计算公式求得较精确，可靠性高。深基坑支护在原地基土上施工，在地表面以下3米左右之内均为杂填土，在市镇地区杂填土多为砖瓦碎片与城市垃圾，其比例有的高达70%以上，其成分与埋深也不均匀不稳定，勘探单位提供地质报告中凡是杂填土均不列出力学参数，故内摩擦角ψ和土内聚力c均无值，然而在应用库仑和朗肯公式计算主动土压力时要用该两值，当杂填土较厚时，这给深基坑支护系统设计增加难度，因此其计算结果可靠性较差。作者认为杂填土内聚力值c应取零，不予考虑。对国内外高层建筑深基坑支扩失败实例分析来看，除支护设计有误和施工时技术措施不妥外，其中有一条是地基土和地表潜水不稳定，设计时选用参数和实际情况有较大出入，深基坑支护设计可靠性较差有直接关系。
从以上分析可知，高层建筑深基坑支护的土压力目前采用计算理论不能满足设计使用的要求，其可靠性差，在一定程度上仍依靠施工技术人员的经验，这有待于科技工作者通过科研和实践相结合基础上提出较为完整的计算理论。
1.2 地表潜水产生的水侧压力
挡土墙设计时一般不考虑水的侧压力，因为在设计时挡土墙背后土体采用排水技术措施，设置排水盲沟(如砂石盲沟)和排水管，将墙后土体中潜水及时排出，不但大大降低地表潜水产生的水侧压力，而且墙后土质含水量也比较稳定，故土的力学参数和相应土质也相应较稳定。深基坑支护不但要求承载墙后土的主动土压力，而且要求达到防渗要求，以免地表潜水流入基坑内，故基坑支护系统要承担土中水产生的侧压力，这一点与常规挡土墙设计有较大差异，挡土墙施工后其工作条件较稳定，而基坑支护条件往往多变而差，如挖土施工顺序，地面施工条件等，地面堆积过多施工机具和材料，在支护系统上行驶汽车，施工用水直接渗入地下，挖土机械在挖土时超挖等，因此深基坑支护系统附近土体水分处不稳定状态利支扩系统工作状态多变。
沿海地区地下水较丰富，地基土多为淤泥，处于饱和状态，深基坑支护结构设计时应考虑地下水产生侧压力，因此在富水地区，深基坑支护系统应该考虑地下水产生的侧压力的作用。
水压力取值大小国内文献尚无具体规定，若取值过大，基坑支护费用将增加；若取值过小，安全系数过小容易出各种重大事故。地下水对深基坑支护结构作用的侧压力大小主要取决于土结构和土中含水量大小、土的密实度、空隙比e、液性指数Ic等土参数，也与地下水产生的侧压力有极大关系。e和Ic值大，说明土中自由水比例大，土中自然水能直接传播静止水压力；当e和Ic值较小时，上中空隙间水多于自由水，空隙水是由于受土中电子吸附作用，附着在土粒间的土粒表面，故空隙水产生的水压力不直接传播静水压力，这是由于土粒之间空隙水产生水压力几乎不随土层深度增加而增加。目前尚无大量实验数据建立空隙比s和液性指数Ic与土静水压力建立相对函数关系，这有待于科研工作者作深入研究。
2 水压力测试
如何确定土中水压力大小，尚无比较成熟的计算方法，作者认为最好在现场测量土中水压的大小，本文根据有关材料作简略介绍如下。
2.1 测压计工作原理
电测式测压计在孔隙水压力作用在该仪器的特殊金属薄膜上，由薄膜产生变形引起电阻值(或电感、电磁值)的变化，这是一种力传感器。
2.2 测压计的率定
测压计在正式使用前应采用平衡电阻，对测压计内阻不平衡进行调整，平衡电阻的阻值应经过计算确定。每个测压计出厂时均标有率定系数，可是由于应变仪和示波器参数不完全一样，所以要对新购买的测压计进行率定。其方法是利用加压设备将测压计的进水和压力表并联，然后进行分级加压，根据精度要求（一般以lOKPa为单位）逐级加压，绘制率定曲线，为了提高精度，应经过多次反复加荷后求出串定系数K，这需要采用最小二乘法等数学方法进行实验数据处理。
2.3 测压计的安装和埋设
在土中安装和埋设前必须在测压计引出线附近进行密封防水处理，为了确保仪器进水口畅通，防止泥浆堵塞进水口，应在进水口处用中砂形成一道人工过滤层，用钢丝网包裹。
埋设前在埋设点先进行钻孔，钻孔埋没深度在测点标高下100mm以下，在孔底填砂，将测头迅速放入孔底，再在测头周围和上面填砂，并适当压实：最后用粘土将钻孔严密封好。若在一个钻孔内不同深度埋设多个测头，应将每个测头上下填砂，各测头之间用原土填塞，其密度应尽量与原土相同。埋设时测头电线不应拉得过紧，并应注意测头放置平整，及时调试仪器，确认工作正常后方可填砂。由于测力计在埋设时需钻孔和填砂填土，必然会破坏原土孔隙水的水压力原始平衡状态，为此应在埋设侧压计后停歇10d左右，使其埋设侧压计部位水压力恢复到原始状态，此时测得水压力才能准确地反映土中水压力实际情况。以此为依据设计深基坑围护结构达到安全可靠的目的，且技术经济指标较好。 3 深基坑围护结构安全系数
3.1 现状
目前建立一套成熟的设计计算理论，仍借用挡土墙设计方法，故设计人员在设计时仍采用挡土墙设计安全系数，但也有不同意见，有的科技工作者认为挡土墙是永久构筑物，而基坑围护是施工时所采用的临时性技术措施，故应采用较小的安全系数。从国内深基坑围护大量实例来看，其安全系数相差较大，有的过大，有的过小，凡是深基坑支护失败实例来看，往往与其设计安全系数过小有直接关系。
3.2 安全系数选用
深基坑围护安全系数的确定由设计者自定，作者认为安全具体确定应与现场具体情况而定，当基坑附近有建筑物或煤气等市政管网。工程地质报告中提供土质参数较差时，应选用较大的安全系数。作者认为不能盲目套用工程地质报告有关参数，应对现场土质情况进行全面了解和分析，合理地选用各种土质参数，特别是土的内聚力c值，应根据实际情况进行折减，以提高计算结果可靠性，提高支护结构安全系数。
4 深基坑支护结构选择
深基坑支护结构选择，一般应先考虑本单位现有施工机构，优先考虑本工程基础桩相同类型桩作为基坑支护结构，如工程桩采用钢筋混凝土灌注桩，则基坑支扩结构应尽量选用这种桩型，其直径可相应选用较小直径，这样可减少进退场费用。当基坑较深围护桩布置允许时，应尽量选用两排支护桩，这种布置方式力学性能较好，前后排桩与桩顶圈梁形成刚架结构，桩间土参与协同工作。改善围护桩的受力状况，达到减少桩的配筋量。当围护桩要求达到防渗要求，基坑深度小于7m，地表杂填土中砖瓦碎片含量较多时，不宜单独选用水泥搅拌桩，搅拌桩改为水泥注浆。北方粘土地区，基坑较深，可选用钢筋混凝土桩加锚杆支护形式，但南方一般不适用，可选用大直径钢筋混凝土灌注桩，桩顶加钢筋混凝土圈粱，转角处加斜支撑。凡是地基土为淤泥，且基坑又较深时，不宜选用钢板桩，选用钢筋混凝土地下连续墙。工程造价较高，可选用大直径两排钢筋棍凝土灌桩，中间加水泥搅拌桩(互相重叠150mm以上，以便形成防渗幕墙，且参加灌注桩协同工作，具有良好力学性能，当条件允许时，用井点降水作为辅助手段)。围护桩的选用应经过多方案比较，根据实际情况，包括周围环境和地质条件，选用经济效益最佳的支护方式。 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200902/12306.htm
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