对拉锚固混凝土灌注桩技术在深基坑支护工程中的应用研究

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1、分类号：密级：UDC:单位代码：10078 华北水利水电大学硕士学位论文对拉锚固混凝土灌注桩技术在深基坑支护工程中的应用研究THE APPLICATION ANDRESEARCHOFTHETECHNOLOGYTO PULLTHEANCHORINGCONCRETE FILLING PILES IN DEEP FOUNDATIONPITSUPPORTINGENGINEERING研究生姓名：程永军指导教师：张新中教高唐克东教授专业名称：结构工程所在学院：土木与交通学院2014年5月独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的

2、。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名：保证人（导师）签名：签字日期：签字日期：学位论文版权使用授权书本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水利水电大学可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供

3、查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。（涉密的学位论文在解密后应遵守此规定）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：对拉锚固混凝土灌注桩技术在深基坑支护工程中的应用研究摘要近些年，国内在深基坑支护领域涌现出了大量的新技术和成功的实践经验，如：地下连续墙、喷网锚、排桩、组合式支护体系、逆作法等。可是，各种方法都不是万能的，都必须结合土质条件、基坑深度、地下水情况等因地制宜的实施，不能盲目施工。该方面的理论与技术实践正趋于成熟，但是也出现了一些技术难题和工程事故，需要我们认真总结和研究。本文在总结国内外深基坑支护结构研究现状的基础上，分析了造成基坑支护工程

4、事故的原因，阐述了对拉锚固混凝土灌注桩承受荷载计算的基本理论、预应力对拉锚索设计理论，介绍了理正基坑支护设计软件和基坑支护结构的常用形式，最后研究了对拉锚固混凝土灌注桩深基坑支护技术在郑州市三环快速化工程北 三环下穿铁路编组站项目中的应用情况。该技术在实际应用中，由于下穿铁路编组站8个箱桥位于北环大桥南北两侧的单向通行地面辅道中，基坑支护与加固受 箱桥预制施工技术、工程地质状况、南北基坑灌注桩桩间距和北环大桥桥墩安全因素的制约，经过专家论证后，创新性的采用了该技术。论文将围绕该技术的设计、施工和监测等工作展开研究，结合该工程特定的地质条件、水文情况及周边环境，利用深基坑支护设计软件进行分阶段、

5、分不同的部位、不同的条件下的土压力计算、极限平衡嵌固深度验算和各种安全稳定性验算。并结合对拉锚固混凝土灌注桩支护技术在实际工程应用中遇到的问题，提出了旋挖钻孔灌注桩和预应力对拉锚索施工技术要点。最后还对该技术在实际应用中的监测技术和监测结果进行了分析评价。关键词：深基坑支护；预应力对拉锚索；钻孔灌注桩；施工技术；监测ITHE APPLICATION ANDRESEARCHOFTHETECHNOLOGYTO PULLTHEANCHORINGCONCRETE FILLING PILES IN DEEP FOUNDATIONPITSUPPORTINGENGINEERINGABSTRACTIn rec

6、ent years, in the domestic field of deep foundation pit supporting emergeda large number of new technologies and successful experience, such as:the underground continuous wall, spray anchor net, pile, the combined supportingsystem, uni-axial etc. However, a variety of methods are not everything, it

7、must becombined withsoilconditions,theimplementationofthefoundationpitdepth,groundwater conditions, adjust measures to local conditions, cant blind construction. Theaspects oftheoryandtechnologyaremature,buttherehavebeensometechnicalproblems and engineering accidents, it need us to summarize and stu

8、dycarefully.On the basis of summarizing the deep foundation pit supportingstructure domesticandforeignresearchsituationinthisarticle,analysesthecausesofthe foundationpitengineeringaccident,expoundsthebasictheoryoftensileanchorage concrete filling pile under load and prestress of anchor cable design

9、theory,introduces the Li Zheng foundation pit supporting design software and the commonly usedform of foundation pit supporting structure, finally studied the anchorage concrete pilesin deepfoundationpitsupportingtechnologyinZhengzhoucitythree-ringrapidness engineeringunderthenorththirdringroadinthe

10、applicationofrailwaymarshalling station project. In actual application of the technology, eight cases of bridgeare located in the one-way traffic cars on the ground of the north ring bridge onboth northandsouthsidesofwearingunderrailwaymarshallingyards.Foundationpit supporting and strengthening is r

11、estricted by precast box culvertconstruction technology, engineering geological conditions, the civil foundation pit of pile spacingIIIand the safety factors of the north ring bridge pier. After expert argumentation,the innovative technology is adopted. Revolving around the technology, this paperwil

12、l carryondesigning,constructingandmonitoringworkingresearch,itwillcombine with the specific engineering geological conditions, hydrologic conditionsand surrounding environment and make use of the deep foundation pit supportingdesign softwaretocarryonsoilpressurecalculating,thebuilt-indepthcalculatio

13、noflimit equilibrium and various security stability checking at different parts anddifferent conditions. Combining of anchorage concrete filling pile supportingtechnology problems in practical engineering applications, put forward the spin theconstruction technologyofboredpilesandtheprestressofancho

14、rcable.Finally,formonitoring technologyinthepracticalapplicationofthetechnologyandmonitoringresultsare analyzed.KEY WORDS: Deep foundation pit supporting; Prestress of anchorcable；Bored piles；The construction technology;MonitoringIV目录摘 要IABSTRACTIII1 绪论11.1 研究背景及意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究意义21.2 深基坑研究的国内

15、外现状概述31.2.1 国外深基坑研究现状31.2.2 我国深基坑研究现状41.3 深基坑支护事故原因与分析61.4 课题主要研究的内容和目的72 对拉锚固混泥土灌注桩支护结构承受荷载计算基本理论92.1 土压力理论92.1.1 土压力概述92.1.2 朗金土压力基本理论102.2 地面超载作用下的土压力计算132.2.1 车辆荷载下的土压力计算132.2.2 铁路荷载下土压力计算152.3 水压力理论162.4 本章小结173 基坑工程支护结构形式193.1 基坑工程支护形式概述193.2 基坑支护结构类型及优缺点203.2.1 水泥土重力式支护203.2.3 混凝土灌注排桩支护形式223.

16、2.4 土钉墙支护形式233.2.5 逆作法支护形式243.2.6 对拉锚固混凝土灌注桩支护结构形式263.3 本章小结284 对拉锚固混凝土灌注桩支护结构的设计方法294.1 深基坑支护结构设计概述294.2 对拉锚固混凝土灌注桩支护结构中的桩体设计304.3 对拉锚固混凝土灌注桩支护结构中的锚索设计384.3.1 预应力对拉锚索材料384.3.2 对拉锚索设计主要步骤384.3.3 预应力对拉锚索拉力值计算384.3.4 预应力对拉锚索的布置394.4 理正深基坑 6.0 支护设计软件程序简介404.5 本章小结435 对拉锚固混凝土灌注桩支护结构的工程应用445.1 工程概况44I5.1

17、.1 工程周边环境和地质水文条件445.1.2 预制箱桥基坑工程特点和技术难点455.2 深基坑支护方案的比选和设计465.2.1 方案选择原则及方案比选465.2.2 支护结构设计465.3 采用理正基坑支护软件进行对锚结构计算475.3.1 对锚结构物基本信息475.3.2 预制 A1、A2箱桥基坑各开挖工序计算模型495.3.3 A1、A2基坑对拉锚固混凝土灌注桩支护结构计算结果515.4 基坑支护结构615.5 主要施工方法及关键技术635.5.1 旋挖钻孔桩的施工特点及关键技术635.5.2 水平对拉锚索的施工特点及关键技术645.6 监测技术与结果分析645.7 本章小结716 结

18、论与展望726.1 本文工作总结726.2 本文工作展望73攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文75致 谢77参考文献78II1绪论1.1 研究背景及意义研究背景最近20年，我国土木工程建设可谓波澜壮阔，深基坑工程建设构成了其中重要的 篇章。长期以来，我国无数工程技术人员呕心沥血，孜孜不倦致力于这方面的工作，产生了大量的理论及实践经验。目前国内外发展支护技术主要有非结构支护和结构支护两种思路，具体结构形式可见图1-1。在全国各地、乃至同一个城市的不一样区域，其深基坑工程在设计与施工中一般不会采取统一的模式，这不仅是因为深基坑工程问题的复杂性、多样性，而且还因为工程技术在革新、在进步。为使

19、得深基坑工程在开挖的整个过程中能够顺利并安全的开展，且保证周边的既有建筑物、构筑物能够在施工期间安全并且不受到损害，起到挡土作用的深基坑支护结构应运而生。非结构支护简易支护化学支护( )钢板桩悬臂式结构（ ）基坑支护灌注桩土层锚杆（土钉）支撑式结构坑内支撑 地下连续墙结构支护封闭式结构逆作法拱圈 全逆作法 半逆作法 盖挖逆作法分层支护逆作法图1-1深基坑支护形式Fig 1-1 Deep foundation pit supportingforms随着岩土工程的不断发展，岩土工程技术人员为了在某些特殊地形或特殊地质条件下保证边坡的稳定，往往要设计一些新的支护结构形式。例如20世纪90年代，铁道部

20、第二勘测设计院在广通至大理铁路设计了一座铁路路肩对拉式挡土墙，这种新型轻1型支护结构由墙面板、拉杆和基础组成，由中间的拉杆将两侧墙面系连成一个整体， 填土对墙面板的土压力通过墙面系作用于拉杆上，由拉杆的抗力来平衡，其图如1-2 示。该类支护结构形式适用于地形受限制而需要在两侧修筑挡土墙的地方。但是其墙背的土压力、填土对拉杆的次应力是业内人士争论的焦点。图1-2对拉式挡土墙Fig 1-2 To pull the retaining wall经过大量研究、实践和总结，深基坑工程支护技术已经形成了许多种工法，如重 力式挡墙、地下连续墙、板桩、桩锚式支护结构、加筋水泥土桩墙（SMW工法）支 护、加筋水

21、泥土桩锚支护、沉井、逆作拱墙及组合支护结构等。30.4米深的上海环城过江隧道浦西对接坑、36米深的北京国家大剧院基坑工程、润扬长江大桥北锚锭50 米深基坑工程等特大、特深型基坑工程的成功修筑，标志着我国深基坑工程设计与施工技术达到了一个新的水平。研究意义由于国民经济水平的快速发展，城市建筑空间的逐渐减少，城市房价逐年攀升，三维一体的建筑模式正在越来越多的被应用和推广，这些都促使了深基坑工程的大量出现。这种情况下出现的深基坑，很多都位于建筑密集区，虽然会增大基坑开挖和支护难度，但同时也能促使深基坑支护计算、设计及施工技术的发展。深基坑工程不但要克服场地水文、工程地质条件的繁杂性，还要充分考虑在非

22、常有限的场地环境条件下施工的可操作性和难度。因此，基坑支护方案的安全性、适当性及经济性，是确定设计及施工方案的重要依据。虽然我国幅员辽阔，但是人口整体分布比较集中，尤其是在一些大城市，寸土寸金。为了尽可能的节约土地，大量的修建高层建筑物，充分利用地下空间，成为了城市基础建设的趋势，这样就会导致大量的较大规模的基坑开挖和支护工程出现。但是，该类基坑工程无论是设计还是施工，都可能出现许多不确定性因素，工程事故发生的2概率较大。一般来讲，城市地理位置多位于低平地带，地下水位较浅，如果不采取一定的支护措施而盲目开挖，则很可能诱发管涌、流砂等现象，会加快造成基坑的失稳损坏。挡土和防渗是现在基坑支护工程被

23、赋予的双重任务，在兼具这两种功能后，将能实现基坑自身和周边已有基础设施的安全。当前，我国的深基坑多以垂直开挖为主，并且其周边环境往往较为复杂。虽然， 工程建设人员一直非常重视基坑开挖的安全，但是，因为基坑开挖支护工程而造成的工程事故仍然频频出现，给人民群众的生命和财产带来了较大的损失。所以只有在支护结构设计时制定出较为合理的开挖支护方案，才能够保证施工操作安全和周边既有设施不受到损害。本文的工作便是进行对拉锚固混凝土灌注桩技术在设计、施工及监测过程中的研究和探讨。其中对拉锚固灌注桩支护技术在市政工程中的成功应用，为我国市政建设又提出了一种新的施工工法，对解决相同类似的工程问题产生了积极的推动作

24、用。因此，本课题研究对该项技术的推广及发展有一定的现实意义。1.2 深基坑研究的国内外现状概述国外深基坑研究现状在古时代，人们为了躲避自然灾害和野生猛兽的伤害，开始建造适合人类使用的建筑物，在开挖地基时，就出现了具有时代特征且应用最早的放坡大开挖和用木桩进行的简单支护基坑工程。采用较大孔径的人工挖孔桩来作为地基的基础起源于19世纪的美国芝加哥，该城市也被成为“世界高层建筑的起源地”，高度在百米之上的高层建筑物已经有约一百年的发展历史。为了使得基坑工程计算及设计能够更加的优化，相关技术及科研人员进行了非常多的研究工作，提出了许多较好较优的设计计算方案，例如MonteCarlo随机模拟方法、反分析

25、方法、数值计算方法（如有限元）、现代工程数学方法（如模糊数学、灰色理论）、计算机辅助系统（智能软件包）和系统工程优化设计方法（如层次分析法）等，且都已逐渐被应用到基坑工程实践中。在高层建筑上部结构与地基基础及地基土共同作用的设计理论和一些设计方法 以及抗震分析等方面，我们已经接近国际水平或居于领先地位，但是毕竟国外已经积累了长期而且大量的工程实践经验，故在许多方面，尤其是在施工的设备、施工的检测及自动化程度等方面，我们还有是很大差距，并且国内建设工程中所遇到的一些困难和疑惑，经常可以从国外的经验和实践中得到启发或解释。在国外，由于先进的施工机械技术作为支撑，大孔径的钻孔灌注桩基础形式仍然是非常

26、受基坑设计人员喜欢使用的一种方式。国外在遇到施工高度受限、施工机械受施工环境限制不能进场或虽然能进场但不能正常工作时，特别青睐人工挖孔桩。其直3径已发展到8米，深度可达40米，不仅能在土质好的地区使用，也可在地下水位高的 软土地区采用。在高层建筑中，由于单桩设计荷载长达数十MN，用传统的压重平台静载荷试桩 法或锚桩反力架静荷载试桩法即使并非不可能，亦属过于费钱、费力、费时；如果使用最近比较流行的高、低应变动力测桩法来进行荷载的测试，则可能会出现测试的数据结果不够准确及显示不够直观等缺陷2，同时在采用高应变法来进行测桩时，如何 将大体积、重质量的机械设备运到坑底也是一个较难解决的问题。为解决这些

27、问题，美国工程技术专家J.Osterberg研制推出了静载荷的试桩法，这种方法可以单次、准确、直接的测定桩端部及侧向阻力，非常的经济安全，且也可以做慢速的测试。它适用于预制混凝土桩、钻孔桩、挖孔桩、钢管桩等桩型，实测单桩承载力可达30MN以上。 对狭窄场地和坡地试桩、深坑试桩、斜桩、水上试桩、嵌岩桩、抗拔桩等特殊情况非常有用。国外非常重视地下空间的开发和利用，城市以下常有数十米或者数十余层深的地下空间，各种相关设施全部都配套出现。并且地上和地下整体相通，置身其中，有时可能会分不清是在地上还是在地下。这些地下结构在其边界采用地下连续墙的同时，经常采用逆作法施工其主体结构，即从地面往下逐层进行主体

28、结构施工，并采用主体结构的梁、板、柱作为基坑开挖时的巨大支撑系统，这样既稳妥又经济，并可在地上地下同时施工。但这种工法需周密考虑在封闭或半封闭的条件下如何开挖土方，如何运出，地下所需材料如何运入，大体积混凝土如何进行浇筑养护和保温、绝热等问题，并需要加强施工管理。当然，国外在施工过程中也发生过一些较严重的基础工程事故，甚至出现过大厦刚一结顶就因桩基承载力的不足而哗然倒塌现象。这类事故正说明，对深基础、深基坑这门工程技术，不论在何地经济技术发展的任何阶段，都需要认真对待。我国深基坑研究现状解放以前，我国的最高建筑物为上世纪30年代外国商人所建的80米高24层的 上海国际饭店。解放后，高层建筑有所

29、发展，但在改革开放以前，100米以上的高楼 在国内尚不多见。如今，国内已经建成的100米至200米的高楼已超过100座，正在施工或设计中的200 米至300 米的高楼也有20 于座，400米以上的高楼近10 座，其中最高的广州塔高达600米，上海环球金融中心高达492米39。郑东新区CBD的高层及超高层建筑群从2003 年初开始施工，历时5 年，至2008年已基本完成，这些建筑的深基坑工程绝大多数密集分布在不足1平方公里环形区域 内，共包括1420m深的外环地下3层建筑基坑30个，816m深的内环和商业步行 街地下二层建筑基坑43 个，1926m深的核心建筑基坑3 个。润扬长江大桥的北侧锚碇深

30、基坑工程是我国深基坑开挖工程中的一个经典案例，4其基坑开挖深度之大（约 48m）、施工技术难度之复杂（地连墙厚 1.2m，内支撑12 道，立柱32根，外部封水帷幕等）、开挖土方工程量之多（约17万m3)，在世界范 围内都非常罕见。以上成就和进展有力的证明了我国在高层建筑地下工程的设计计算理念及方法、 施工工法使用、先进生产设备应用和工程管理等方面都有了非常大的进步，不但能够学习应用各种先进的技术来成功处理较复杂的设计施工难题，而且更有向世界发达国家奋起直追之势。由于深基坑和地下工程技术非常复杂，我们在学习和实践的过程中，不可避免的出现某些失误和浪费现象。例如：有的地下室施工至地面时竟发生上浮现

31、象、桩布置过密（海口某高楼设计用1500根大直径桩，施工时请人审查，竟可减少约500根） 等。根据统计资料显示，建国以来全国大城市发生过深基坑失稳事故的数量有接近1/3，其中有些事故还危及到了人民群众的生命安全。还有的事故造成了道路坍陷，邻近房屋倾斜，上下水道损坏，光纤电缆折断等等，以至于严重影响交通、通讯及附近工商企业生产和居民的正常生活、工作和学习。随着我国深基础和基坑工程技术的不断发展，在该技术领域还体现有如下几个鲜明的特点：（1）深。由于大幅度的开发应用地下空间资源，基坑在开挖时的深度越来越大。据了解，地下室最深的已达到地下六层，深度可达26.2 米，一般的地下室都在 2层以上，开挖深

32、度大（包括底板厚度在10米以上），如果深基坑支护工程出现在软土 地区，则就会对设计理论和施工技术提出更加严格的要求。（2）大。在过去，基坑一般都是一个单元开挖一个，其尺寸较小，开挖面积一 般小于3000m2。但是现在，由于设计施工技术的进步和发展，一个工程项目的所有 建筑设施的基坑往往都是在一个大底盘下进行设计和开挖，则造成了现在的一般基坑面积比过去大数十倍以上。例如：作为国家的标志性建筑，北京国家大剧院基坑深度为26.0m，歌剧院台仓的基础埋深为32.5m，基坑面积35000m2；北京东方广场基坑 开挖范围东西全长约480m，南北全长约190m，开挖深度达1523m，开挖土方量达 176万m

33、3，基坑开挖面积达9万多平方米。该类大型基坑地下室至少3层，基坑开挖 深度都在 15m以上，基坑在支护结构的设计中，特别是在支撑系统的布置、围护墙 的位移及基坑抗隆起的控制等方面均有相当大的难度。（3）密。城市市区在大规模的升级改造过程中，为节约并且能够充分合理地利 用土地资源，常常要求开发商将建筑物的地下室红线充分利用。这样就会给支护设计者增加工作难度，同时也会给施工带来较多困难。尤其是如果基坑周围有较多的既有市政基础设施存在时，周边环境保护问题就会尤为凸出，若设计或施工不当，就会对环境造成不利影响。（4）近。同时开工或相继开工的建设项目距离很近。尤其是一些城市的新建开5发区或旧城改造区，土

34、地在成片开发时会形成同一地块上的工程项目竞相开工建设以及新建建筑物与旧有房屋毗邻很近的情况出现。如郑州郑东新区在开发建设时，很多高层建筑的深基坑是在同一时间段内开始施工的，其中有些建筑基坑由于红线距离较近，则会相互产生干扰和影响，极其容易引起已施工完毕工程的桩位位移、围护墙体的倾覆和倒塌等事故。对于国内基坑工程的上述新情况、新特点，目前仍然有一些工程部门还没有做好 足够的思想准备工作，从而导致在基坑支护结构的设计和施工中带有一定的盲目性，出现了许多基坑支护质量事故。由于基坑支护事故频频发生，又一度出现基坑支护设计太趋于保守，不恰当地提高安全度，增大支护桩的直径和支撑断面，造成对于同一个基坑不同

35、的设计方案，其工程造价就相差几百万，甚至上千万的现象出现。1.3 深基坑支护事故原因与分析随着我国城市规模的不断扩张和发展，越来越多的深基坑支护工程在城市高层、 多层建设中涌现，由于在城市建筑群中进行基坑开挖和作业所能利用的空间非常有限，且同时还要考虑周边既有建筑物、市政基础设施的安全性，则工程建设人员所面临的基坑施工难度和现场环境非常恶劣。传统意义上的施工工法不仅安全系数较低，而且所需的工程投资和建设工期都较多，给其大范围的推广和使用带来了许多的限制。通过对已发生的深基坑支护事故原因进行统计分析后进行分类如下：基坑勘察成果、土的物理力学指标及土的分层、土的定名等不正确，设计考虑不够周全，施工

36、质量差，基坑中地下水或水患，基坑管理不善以及其他综合原因等类别。设计的缺陷和较差的施工质量是导致深基坑事故频繁发生的最主要影响因素，水患的影响和水文地质勘察不详细的危害则仅次于前两者。因此必须要加强这几方面的工作，努力降低基坑支护的事故率。目前采用较多的逆作法施工，由于支护结构的改变，可以大大减少基坑支护事故，而且施工速度快，环境污染少，质量好。各大城市的地铁站台，绝大部分是采用逆作法施工的，国外地下支护工程应用逆作法施工的更多。此外，深基坑支护工程方案选择的不恰当，也会造成倒塌事故。高层建筑设计一 般由设计单位负责，而支护工程却容易被当成是施工措施的一部分，作为临时措施，由施工单位或其他设计

37、单位设计和施工，造成二者的脱节，使得支护方案在选择时不能得到重视。近年来由于设计不合理造成的基坑倒塌事故屡见不鲜，因为各种原因建设单位委托一些不具备深基坑设计能力的单位或个人进行设计是当前基坑倒塌事故 的一个重要原因。尽管有些工程选用了合理的支护设计方案，但如果施工不当，也可能会造成基坑事故。因此一定要认真把好施工的质量这一个重要环节，如：在水下进行支护桩的浇6灌时不能够出现浆体流失现象；相关桩墙部位的混凝土强度必须要达到设计强度，不允许出现漏筋、麻面现象；止水桩搭接如果出现缝隙，将不能起到止水作用；不能随意改变设计意图，取消锚杆，将锚固结构转变成悬臂结构等。例如：位于郑州市郑东新区CBD外环

38、路内侧的A-4地块，由于施工单位一味顺应建设单位的要求，随意修改 设计，未严格遵照设计方案组织施工，为了赶进度，随意开挖、加深每层的开挖深度，并且在降水刚开始时就组织开挖，开挖的放坡率控制不够准确，从而导致了在快开挖到基底时发现预制的基础无法放下，且造成基坑开挖至15.0米时基坑东侧坡体约20 米的范围内发生了滑坡及坍塌事故。所以，只有提高工程质量意识，认真地抓好施工管理工作，明确并认真执行质量责任制度，按照国家相关部门要求做好见证取样、取样送检工作，加强开展安全生产教育工作，从思想认识上提高生产人员的安全意识， 开展好三级安全教育工作，以确保深基坑支护工程的施工质量。由于基坑监测不到位或不够

39、及时而造成工程事故在现实中也是存在的。由于仅仅 靠理论计算是很难对整个支护系统在施工的过程中出现的变化因素做出较为准确的 预测，加之还有许多不确定的人为影响存在，因此，必须对深基坑边坡产生的位移量、沉降量、周边土体产生的压力、锚索杆的应变量、周边既有建筑物的沉降量和发生的倾斜等做好监测，这样土体自身的变形特性就能够及时地被了解和掌握，并且可以随时地进行加固和防范，预防事故发生。总而言之，基坑支护事故发生的频率很高，从领导管理部门到施工部门、投资方、承包方都应该有足够的信心去改变过去那种落后、费工且冒险的支护施工方法，相信在不久的将来一定会有更多、更好的支护方案问世。1.4 课题主要研究的内容和

40、目的本文主要围绕对拉锚索和旋挖钻孔灌注桩组合支护技术的计算理论、理正软件计算方法、施工及监测技术来开展，通过对当前国内较流行的基坑工程支护结构形式的优缺点及使用范围进行阐述，结合该类支护技术在郑州市北三环下穿铁路编组站辅道深基坑工程中的实际应用情况，对该类基坑支护技术在实际工程中的使用和推广做了深入的分析研究。该类组合支护技术在郑州市北三环下穿铁路编组站辅道项目中使用之前，已经成 功的在郑东新区CBD河南省艺术中心大剧院深基坑工程中得到应用，这充分说明了这种支护技术的应用具有一定的广泛性，当地质水文条件及周边环境等条件都符合要求的情况下，它不仅能够在建筑工程中使用，而且也能够被应用到市政工程中

41、。虽然该技术是在特定的工程条件下产生并被应用的，但是在城市的现代化建设中，深基坑的开挖是施工过程中普遍存在的一个分项工程。其基坑围护体系，是一个土体、支护结构相互共同作用的有机体。由于城市建筑物密集程度高、周围建筑物及地下管道等因素的制约，对支护结构的安全性有了更高的要求。不仅要能保证基坑的稳定性7及坑内作业的安全、方便，而且要使坑底和坑外的土体位移控制在一定范围内，确保邻近建筑物及市政设施正常使用。因此，该项技术在一些同步开挖且距离较近的深基坑支护加固中及同类相似市政工程中还是有很大的应用前景。82对拉锚固混泥土灌注桩支护结构承受荷载计算基本理论2.1 土压力理论土压力概述当前，岩土工程的施

42、工环境越来越复杂，不断出现大量需开挖的工程，但是，由于开挖岩体而产生的作用在支护结构上的土压力比填土情况复杂，它不仅和挡土墙位移、刚度和岩体的地质条件有关，还在很大程度上取决于施工工法。过去采用的先进行土体开挖然后再采取支护措施的施工工法，对已经开挖完成的坡体产生的扰动非常大，其所诱发的较大土压力导致了许多工程事故，其仅适用于低矮边坡。对于中高度以上边坡，现在工程上更多的是采用预先加固的方法，比如：用衬板作为支撑的挡土结构、土钉墙和喷网锚等，采用一边开挖、一边支撑，分层开挖、逐层加固的工法，尽量减少对岩土体产生扰动。工程实践证明这种开挖方法诱发的土压力比较小，能保证安全施工。应该注意到的是在开

43、挖岩体时诱发作用在支挡结构上的土压力，在力的大小、方向和分布规律等方面都是非常复杂的，现在还没有比较成功的解决办法，对于土体，目前仍近似地采用现有土压力理论来计算，但是对于岩体，采用现有的土压力理论是非常不合理的，必须寻找其他有效的方法。图 2-1土压力分类Fig 2-1 Classification of earthpressure9土压力所处状态及土压力分类如图2-1所示。土压力计算问题涉及到基坑填料、挡土墙墙身及地基荷载间的共同作用，是一个非常复杂的工作。土压力的性质及大小与墙身的位移、墙身的高度和墙后填土的性质等有关。通过土工试验，根据挡土结构的位移方向不同，可以分为主动土压力、静止土

44、压力和被动土压力3种。现有的土压力理论，主要是研究极限应力状态下的土压力。在计算静止土压力时，因为填土处在弹性或弹塑性平衡状态，应作为超静定问题来解决。土与挡土结构之间相互作用会产生土压力，它不但与挡土墙的位移有关，而且还和墙体的刚度密切相关。挡土墙后的土压力性质和应力状态是由其自身的位移大小来决定的。产生主动土压力和被动土压力所需要的位移量可以参见表2-1。表 2-1诱发主、被动土压力所需的挡土墙体位移量Table 2-1 The displacement of soil retaining wall to induced lord and passive earthpressure土压力的

45、状态土体的类别挡土墙位移形式所需位移量砂性土平移 绕墙趾转动0.001H0.001H主动粘性土平移绕墙趾转动0.004H0.004H被动砂性土平移 绕墙趾转动0.05H0.1H注：H为挡土墙高度。朗金土压力基本理论用对拉锚固混凝土灌注桩作为支护结构的基坑工程在进行土压力计算时采用的是朗金理论来进行计算的，其模型按照弹性法土压力模型来建立。英国的科学家W.J.M.Rankine 于1857年提出了可以通过极限平衡条件来进行主动、被动土压力计算的公式，该理论即为著名的朗金土压力理论。理论的基本假定为：挡土墙的墙背光滑且竖直；其后的砂性填土表面为水平面，并且能够无限的延长。通过这个理论，我们可以得出

46、以下结论：挡土墙背面和任一砂性填土水平面都是主平面，且作用在两主平面上的正应力均为主应力。在现实工程中，由于朗金土压力理论的假定不仅能够使得计算简单、直观，而且还由于实际墙土界面是存在摩擦角的，这就会使得计算所得到的朗金主动土压力比实际要偏大，被动土压力比实际要偏小，这样对基坑支护结构而言计算是偏于安全的， 所以该土压力理论常常被使用。朗金理论的适用范围为49：1.地面是一个水平的平面；2.墙背是竖直的；103.墙背与土体间摩擦角的取值为零；4.填土为砂性土；5. 对于倾斜墙背和悬臂式挡墙由朗金理论计算其土压力时，可按图 2-2的方法处 理，土压力方向都假定与地面平行；对于图 2-2a的俯斜式

47、墙背，可假设通过墙踵的 内切面AB为假想墙面，但土体ABA的自重力必须包括在力学分析中；对于图2-2b的仰斜式墙背，可假设通过墙顶的内切面AB为假想墙面，求出Ea后只用其水平分 力Eah，因其竖向分力和土块ABB的自重力对墙是不发生作用的；对于图2-2c悬臂 式钢筋混凝土挡墙，设计时通常求出假想墙面AA2上的土压力Ea，再将底板上土块 AA1A2A的自重力包括在地基压力和稳定性验算中即可。图 2-2倾斜墙背和悬臂式挡墙的土压力计算a) 俯斜式墙背；b）仰斜式墙背；c）悬臂式挡墙Fig 2-2 The earth pressure calculation of inclined wall bac

48、k and cantilever retainingwalla) Advancing to the type of back; b) Yang skew wall back; c) Cantilever retainingwall首先进行主动土压力计算，结合挡土墙后填土表面以下z处土单元体的应力状态，则作用于上面的竖向应力为 z。由于此时挡土墙既未产生变形且又未产生位移，则 其侧向水平力大小为K0z，即为静止土压力，两者都是主应力。11图 2-3主动土压力计算简图Fig 2-3 Active earth pressure calculationdiagram由于此点的应力圆在土体的抗剪强度线以

49、下不与其相切，见图2-3所示，则墙后填土处于弹性平衡状态。由于土压力作用而使得挡土墙向前产生一定的位移，则竖向的应力作用在单元体上时仍然为 z。假如墙的位移量使得墙后填土就处在极限的平衡状态情况时，这时的应力圆会相切于土体的抗剪强度作用线，单元体上的最大主应 ( ) ( )力为z，最小主应力为Pa，这就是我们要研究的Ea强度。式中：z计算点距离填土表面长度； 填土单位体积的重量；KaEa 的系数， ( 基坑中的填土内摩擦角；paEa的强度。𝜑)；产生E的滑裂面和水平的假定面间夹角为 +𝜑。a其合力的计算公式如下： ( ) ( )土压力的合力作用线过土压力强度分布

50、图形的形心，距墙踵h3处，并且垂直于墙背。由于外力的作用，使得挡土墙向填土方向位移，其后的填土被压缩，这时我们应 进行被动土压力的计算。选一距离填土表面为z的假想单元体，竖直方向的应力仍为 z，水平方向的应力则从静止土压力逐渐增大。当挡土墙继续向后移动，达到产生被动土压力所需的位移量时，其后填土将会出现滑裂面，而填土处于极限平衡状态，12应力圆与土的抗剪强度线相切（图2-4），作用在单元体z上的竖直向应力为最小主应力，其数值为z；水平应力Pp为最大主应力，也就是我们要求的Ep强度。图 2-4 Ep的计算简图Fig 2-4 Passive earth pressure calculationdi

51、agram通过土体在处于极限平衡状态下的条件可知，发生在挡土墙墙体上的 Ep强度为： ( + ) ( 3)式中：PpEp的强度；p K Ep 系数， ( +𝜑)。 Ep 的强度分布呈三角形。当 Ep 作用时，滑裂面和水平面之间的夹角为( 𝜑)。Ep的合力为： ( + ) ( )Ep通过被动土压力的强度分布图形形心，距离墙踵h3，并且垂直于挡土墙墙背。2.2 地面超载作用下的土压力计算车辆荷载下的土压力计算在支护结构设计时，通常情况下应该考虑地表面可能出现的各种荷载，比如：建筑物重量、建筑材料的堆载、施工荷载及车辆重量等等。该类型活荷载称之为地面超载，它们的存在加

52、大了作用在支护结构上的土压力。对于地面超载影响的确定，这里13常用两种方法：弹性力学解析法和近似简化法（如超载从地面斜线向下扩散的方法）。为便于分析计算，一般将地面超载简化为集中荷载或均布的条形荷载。在本文后面的工程实例中，预制箱桥的基坑分布于郑州市北三环彩虹桥的条形基 础桥墩两侧，对该类具有地面超载作用下的对拉锚固混凝土支护结构在进行设计时，由桥面车辆荷载传递至桥墩的地面条形附加荷载所产生的土压力应该在计算时进行考虑。其计算图示如2-5图，公式如下： + （ ）式中：q 作用于基坑面的局部荷载标准值（kPa）；b 荷载作用宽度（m）；b 荷载作用位置距离基坑边缘距离（m）。图 2-5局部荷载

53、作用时基坑外侧附加竖向应力计算简图Fig 2-5 When partial load effect foundation pit lateral additional vertical stress calculationdiagram若将车辆引起的土压力考虑为集中荷载作用在支护结构附近，此时转化为集中荷 载的侧向土压力可用弹性理论计算，计算图式如图 2-6a所示。由此荷载引起的沿支 挡结构的竖向分布主动土压力h为：0 (0 + ) ( )当 m 0 时 ( + ) ( )当 m 0 时14h深度为z，沿支挡结构纵向y方向分布的主动土压力、可按照式2.8计算（图2-6b）： 、 ( ) ( )

54、图 2-6集中荷载产生的侧向土压力Fig 2-6 The lateral earth pressure caused by the concentratedload铁路荷载下土压力计算称列车的竖向活荷载简称“中活载”，根据我国国家铁路标准荷载进行选取，其计算图式如图2-7示，活载在路基面层的宽度上进行分布，从轨道道枕底的两端向下及向外按450的扩散角计算；轨道的静载根据轨道类型及其道床的标准形式尺寸来进 行计算44。依据铁路路基支挡结构设计规范中的相关规定，对于挡土墙在进行其力学大小的计算时，将路基面层上列车竖直方向上的活载和轨道的静止荷载共同换算成为和铁路路基上土体容重大小相同的呈一个矩形状

55、态分布的土体。经换算后的土柱作用在路基面层上的分布高度和宽度均按规定查表选用。15图 2-7“中活载”计算图式Fig 2-7 In and the live load computationalscheme2.3 水压力理论作用在基坑支护结构上的荷载，除了上述的土压力外，还有地下水位以下的水压力。当支护结构受地下水作用时，需同时考虑水压对结构的作用，这里的水压包含三个方面的内容，即静水压力、超静孔隙水压力和渗流引起的渗透水压力。由于基坑工程常常采用防水围护墙、防水帷幕或基坑内降水的做法以防止周边地表因降水引起的沉降，所以基坑墙体内外有很大的水头差值，导致发生底部渗流或透过墙体缝隙的渗流。竖向渗

56、流造成的渗透力可以加大土体骨架产生的侧向土压力，但是沿流水方向的水头损失却能明显减少主动区的水压力并增加被动区的水压力，所以基坑工程设计时在土压力计算中如忽略渗流的作用一般来说是偏于安全的。土体受剪后产生超静孔隙水压，该类水压在砂土中能够很快的消散，故可以不考虑，但是在黏性土中则不然。由于超静孔隙水压目前仍难以计算而只能通过现场实测来获得，所以一般设计中很难加以单独考虑，这样就只能采用总应力法进行设计，将有效应力和超静孔隙水压合在一起，这也是目前对黏性土不采用有效应力法而习惯采用总应力法的主要原因。所以，在确定主动和被动土压力时所用的土体强度参数c、值就应取不排水强度指标或快剪强度指标。通过上

57、述可知，在忽略渗流和不单独考虑超静水压的情况下，我们只需要考虑静水压力，该类水压力不论在砂土还是在黏性土中均存在，与是否采用总应力法或有效应力法都没有关系。对于透水性强的碎石及砂土，应该按照水土分算，这是业内人士公认的。对于粉土和黏性土，虽然有水土分算和水土总算之说，但是根据相关规范表述，本文中也将按照水土分算来进行，理由如下：一是从大量的基坑支护结构的实践来看，设计单位多采用水土分算的方法，最后的实施效果还是比较成功的；二是因为其渗透性相对较强，地下水可以对土粒形成浮力；三是采用水土分算的方法，主要还是从支护结构的安全度出发的。因为水土分算所得到的主动土压力要大于水土合算所得到的主动土压力，

58、而且前种方法得到的被动土压力小于后种方法，这样对支护结构16设计来说是偏于安全考虑的。 现行的水土分算，实际上是考虑静水压力的水土分算法，该方法考虑了土颗粒本身的重力，即(n)Gsw，还考虑了孔隙水对土颗粒的浮力，即土颗粒排开同体积水的重量，其值为( n)w，此浮力是作用在土颗粒骨架上的，故应乘以Ka或Kp系数，此浮力的反力作用于孔隙水土上，其侧压力系数为1，其计算公式如下： + ( )且 + + ( 0)式中：eai、epi主动土压力强度和被动土压力强度； Hai、Hpi主动土压力作用深度和被动土压力作用深度；、 土的有效重度、水的重度；、 土的主动土压力和被动土压力系数；土的黏聚力。 总之

59、，每一种土压力理论的简化假设，都会使该理论具有一定的局限性，它不能概况土体全部复杂性；同时，尽管计算技术比较先进，而土的强度的参数测定的进度也会大大限制计算结果的准确程度。2.4 本章小结本章对对拉锚固混凝土灌注桩支护结构承受的荷载计算理论进行了总结，探究了土压力的分类和性质，对朗金主动土压力和被动土压力的计算理论进行了概述，分析了水土分算理论，为后文进行对拉锚固混凝土灌注桩结构所承受的荷载计算打下了基础，其结论如下：（1）在开挖岩土体时诱发作用在支挡结构上的土压力，在力的大小、方向和分 布规律等方面都是非常复杂的，现在还没有比较成功的解决办法。对于土体，目前仍近似地采用现有土压力理论来计算，

60、但是对于岩体，采用现有的土压力理论是非常不合理的，必须寻找其他有效的方法。（2）基坑支护结构设计是一个涉及到岩土及结构工程的综合结构计算，其计算 的模型至今仍未完善，一般是经验和理论各半；且在支护结构设计时，又具有非常强的区域性和个案性，其由场地的工程水文地质条件和岩土工程性质及周边环境条件的差异性决定。（3）现有的土压力理论，主要是研究极限应力状态下的土压力，朗金土压力理 论就是基于极限平衡条件来进行主动、被动土压力的计算。17（4）在支护结构设计时，通常情况下应该考虑地表面超载的影响，它们的存在 加大了作用其上的土压力。由于本文中的工程实例既有北三环彩虹桥墩超载，又有郑州北货运编组站的轨道

61、静载和列车竖向活荷载，通过该章节的探究，为下步的设计计算工作提供了理论支持。183基坑工程支护结构形式3.1 基坑工程支护形式概述随着我国改革开放的进一步深入，国家经济实力的持续增强，人们在开发和利用地下空间资源的需求方面凸显紧迫。与此同时，目前国内的特大型基坑数目在持续的增加，施工的难度在不断的增大，在积极借鉴国外先进设计施工技术的同时，国内本专业领域的工程技术人员也在不断的实现着追赶和超越。在机遇和挑战并存的大环境下，增大节能省地、环境友好型支护技术方案的研究和开发利用力度，注定成为未来中国建筑业发展的必由之路。为使地下结构物的施工能够顺利开展，并且能确保周边既有结构设施的安全，就不得不利

62、用基坑支护结构来对坑壁采取相应的支挡加固保护。其主要包括有围护墙体（包括防渗帷幕）工程和支撑工程。为了实现在基坑支护工程中做到技术先进、经济合理之目的，确保基坑边坡、周边建筑物及构筑物安全，基坑工程中最重要的任务就是选择合适的支护形式，然后才对支护结构开展计算与分析，结合计算与分析的结果进行设计，包括结构物的截面形状、预应力锚杆或平面支撑的尺寸、抗滑护坡桩体和土钉墙墙体钢筋的配置等。在全面考虑结构物自身的受力特点及空间效应的前提下，积极选用对支护体自身材料受力有利的形式，并结合基坑周围的环境状况、土体需要开挖的深度、工程地质和水文地质条件、施工季节及基坑侧壁等级条件来选用合适的围护结构体系，选取的原则是安全、适用、耐久、经济。基坑支护与土方开挖施工必须按危险性较大的分部分项