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建筑基坑工程设计计算与施工（一）
前 言
随着经济建设的迅猛发展，城市的高层建筑大量涌现。由于城市地价愈益昂贵，向高空发展和地下空间开发利用的趋势愈加强烈。建筑物高度越来越高，地下室层数越来越多，从而导致基坑开挖深度越来越深。这种趋势对建筑基坑的设计计算理论和施工技术提出了严峻的考验，同时也推动了我国深基坑工程设计理论和施工技术的不断发展。目前，已发展了多种符合我国国情的、实用的基坑支护方法，设计计算理论不断改进，施工工艺不断完善。与地基工程相比，深基坑工程还很不成熟，大多依靠传统的土压力理论及地区性经验进行设计与施工，结果不是不安全，就是偏于保守，导致浪费。如何保证基坑工程的设计与施工既经济又安全，已成为一个重要的研究课题，这正是本书想要回答的问题。
建筑基坑工程是一门综合性很强的新型学科，它涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土与结构相互作用以及环境岩土工程等多学科问题。基坑工程性质有着"先实践，后理论"和"地区性"的特点。随着土力学理论、计算技术、测试仪器以及施工机具和施工工艺的不断发展，建筑基坑工程技术正在不断的发展和完善。要提高基坑工程的设计与施工水平，必须有一个好的设计计算理论作为依据，选择合理的支护结构体系，同时还要有丰富的设计和施工经验。目前，已有大量资料对建筑基坑工程作了比较全面的介绍；此外，我国的建筑基坑工程技术规范与不少省市的地方性基坑工程技术规程也已颁布执行。本书遵循"内容充实，取材新颖，注重实用，便于自学"的原则，努力做到不仅能掌握理解基本概念，而且能反映本学科的最新成果；既重视理论概念的阐述，也注重实际工程中的应用。
本书在编写过程中，唐业清教授给予了作者很大的启发和鼓励，李启民同志及作者的同事和朋友也提供了许多很有价值的资料；此外，本书在出版过程中得到了出版社同志们的热情支持和帮助，在此深表谢意。
基坑工程理论还很不成熟，各种工法地区性差异很大。书中介绍的理论、方法及经验只能在一定条件下适用，本书的目的在于解决问题的思路和途径，切不可照搬。因此，书中定有不妥之处，恳请读者批评指正。
作 者
1999年6月
第一章 概 述
第一节 基坑工程主要内容与特点
一、基坑工程的主要内容
建筑基坑工程是岩土工程的一部分，而岩土工程是近40年来在一些发达国家发展起来的一个相对独立于土木工程的专业性技术领域。在工程实践推动下，岩土工程在学术上亦形成了新兴的学科。在我国岩土工程技术早已存在，源远流长。但形成一个相对独立的工程技术行业以及新的学科是近20年间的事，是执行改革开放政策以来岩土工程体制改革与建设的结果。
建筑基坑工程是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和基坑周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下管线进行监测和维护，确保正常、安全施工的一项综合性工程，其内容包括勘探、设计、施工、环境监测和信息反馈等工程内容。基坑工程的服务工作面几乎涉及所有土木工程领域，如建工、水利、港口、路桥、市政、地下工程以及近海工程等工程领域。
建筑基坑工程是地下基础施工中内容丰富而富于变化的领域。工程界已越来越认识到建筑基坑工程是一项风险工程，是综合性很强的新型学科，它涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土与结构相互作用以及环境岩土工程等多学科问题。基坑工程大多是临时性工程，工程经费限制很紧，而影响基坑工程的因素又很多，例如，地质条件、地下水情况、具体工程要求、天气变化的影响、施页序及管理、场地周围环境等多种因素影响，可以说它又是一门综合性的系统工程。
建筑基坑工程的设计与施工，既要保证整个支护结构在施工过程中的安全，又要控制结构和其周围土体的变形，以保证周围环境(相邻建筑及地下公共设施等)的安全。在安全前提下，设计要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工期。要提高基坑工程的设计与施工水平，必须正确选择土压力、计算方法和参数，选择合理的支护结构体系，同时还要有丰富的设计和施工经验教训。此外，我国的行业建筑基坑工程技术规范与不少省市的地方性基坑工程技术规程也已相继颁布执行，可作为建筑基坑工程设计与施工的重要参考或依据。
建筑基坑工程的发展与建筑业的发展密切相关。由于城市化的快速发展，城市人口超饱和，建筑空间拥挤和城市绿地减少，导致我国的高层建筑如雨后春笋，拔地而起。1980～1989年10年间，我国新建高层建筑1000余栋；1990～1991年两年问新建高层建筑1000余栋；1992年一年就新建高层建筑1000余栋，几乎成几何级数递增。从发展趋势看，我国正在建设的高层建筑越来越高，向地下发展越来越深，这对基坑工程提出了严峻的挑战。随着城市建设中高层及超高层建筑的大量涌现，基坑工程越来越多。同时密集的建筑群、大深度的基坑周围复杂的地下设施，使得放坡开挖这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要，因此基坑工程引起了各方面的广泛重视。
特别是90年代以来，基坑工程问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一。基坑工程数量、规模、分布急剧增加，同时也暴露出许多问题。
二、基坑工程的主要特点
1．基坑工程是与众多因素相关的综合技术，如场地勘察，基坑设计、施工、监测，现场管理，相邻场地旋工的相互影响等。基坑设计和施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、地下水动态、施工程序和方法等许多复杂问题，是理论上尚待发展的综合技术学科。
2．基坑工程正向大深度、大面积方向发展，有的长度和宽度多达百余米。
3．随着旧城改造的推进，基坑工程经常在密集的建筑群中施工，场地狭窄，邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，不能放坡开挖，对基坑稳定和位移控制的要求很严。
4．在软土、高水位及其它复杂条件下开挖基坑，很容易产生土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破损等病害，对周边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大威胁。
5．基坑工程包含挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节，其中的某一环节失效将会导致整个工程的失败。
6．相邻场地的基坑施工，其打桩、降水、挖土等各项施工环节都会产生相互影响与制约，增加事故诱发因素。
7．基坑工程造价较高，但又是临时性工程，一般不愿投入较多资金。可是，一旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。
8．基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。
此外，基坑工程是面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，还存在以下一些不确定因素：
1．外力的不确定性。作用在支护结构上的外力往往随着环境条件、施工方法和施工步骤因素的变化而改变。
2．变形的不确定性。变性控制是支护结构设计的关键，但影响变形的因素很多，围护墙体的刚度、支撑(或锚杆)体系的布置和构件的截面特性、地基土的性质、地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管理水平等等都是产生变形的原因。
3．土性的不确定性。地基土的非均质性(成层)和地基土的特性不是常量，在基坑的不同部位、不同施：亡阶段土性是变化的，地基土对支护结构的作用或提供的抗力也随之而变化。
4．一些偶然变化所引起的不确定因素。施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素都会影响基坑工程的正常施工和使用。
目前在基坑工程中发生工程事故的概率往往高于主体工程。由于存在以上这些不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工定出一套标准模式，或用一套严密的理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变化。目前只能采用理论计算与地区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计。要求现场施工技术人员具有丰富的工程经验和高度的责任感，能及时处理由于各种意外变化所产生的不利情况，只有这样才能最有效地防止或减少基坑工程事故的发牛。
第二节 基坑工程发展简况
基坑：翻呈是一项古老的工程技术，又是一门新兴的应用学科。纵观古今、博览中外，作为基坑工程主要内容的工程地质以及岩土力学与基础工程，虽说作为一门单项学科是近六七十年间的事．但它作为一项工程技术早已不自今日始。本世纪20年代，K．Terzaghi的《土力学》和《工程地质学》的先后问世，标志着本学科走向系统和成型，带动了各国学者和工程技术人员对本门学科和技术的各个方面的探索、深入与提高。40年代Terzaghi和Peck等人就提出了预估挖土方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这一理论原理一直沿用至今，只不过有了许多改进和修正。50年代Bjerrum和Eide给出了分析深基坑底板隆起的方法。60年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘士深基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的准确性，并从70年代起产生了相应的指导开挖的法规。80年代初我国逐渐涉入深基坑设计与施工领域，进入90年代为了总结我国深基坑工程没计与施工经验，一些单位开始着手编制深基坑工程设计与施工的有关规程和法规。
目前，随着科技的发展，特别是电子计算机的广泛应用，极大地推动了岩土工程界(其中深基坑工程也不例外)，各种新的没汁汁算理论和先进的测试技术不断地被用到建筑基坑工程中，室内外的调查和测试正在实现着半自动比和自动化，有效地减轻了劳动，提高了效率；岩土工程中非线性计算和数值分析方法得以具体操作和实现，促进了岩土本构关系和计算从线性向非线性这一质变的过渡；而岩土工程监测技术(包括测试手段、方法与工具)的进步，加速了基坑工程中信息化施工的推行，反过来又迅速提高了人们对基坑工程设计方法和理论的认识，建筑基坑工程的设计原则正从强度破坏极限状态向着变形极限状态控制发展。目前有一部分内容正试行着向概率极限状态(可靠性设计方法)控制的新的方向发展，以便尽早与已经按照可靠性原则进行设计的上部结构设计方法相匹配。近年来，大、重型机械制造技术，特别是美、日及欧洲发达国家的大功率、强动力施工机械和大型静动态测试仪器的问世，更加推动了基坑工程理论与技术的迅速发展；而在法、意、日_等国家率先使用的新的基础施工法(如SMW工法等)的相继问世，又极大地发展了软土开挖与围护的技术。尤其是我国贯彻执行改革开放政策以来的近20年间所形成的开放大市场和与国际接轨的外向型运作，使我国的基坑工程领域的发展形成了东西方模式并存的独特格局，而在技术进步和发展上，又存在着地域上的不平衡。随着改革开放和经济建设高潮的兴起，许多城市新建和进行改建、扩建，特别是近年在沿海开放城市中高层建筑的大量兴建或地下空间的逐渐开发和利用，基坑工程的设计和施工技术的开发和实践，形成了近年国内岩土工程建设项目的热点。多种形式的围护结构，如排桩挡土、排桩与水泥土复合围护、水泥土搅拌桩支挡、引进的SMW工法以及地下连续墙等，已经逐步打破了以前单一的板桩(钢板桩、混凝土板桩等)围护的模式而形成了多样化格局，呈现出前所未有的技术发展与更新的势头。
在城市密集的建筑群中建造高层建筑物，对基坑工程技术提出了更高、更严的要求，不仅要确保边坡的稳定，而且要满足变形控制的要求，以确保基坑周围的建筑物、地下管线、道路等的安全。为了准确估汁由于基坑开挖引起的土体和支撑系统的变形，一方面依赖于成功地应用有限元等现代化的分析计算工具，另一方面依赖于获得土计算参数的正确性。常规的室内试验方法已不足以确定预估位移的关键参数。只有把室内试验与原位测试技术结合起来才能解决这个问题。目前在基坑围护漫计中，仍然采用朗肯土压力理论，采用有限元进行数值计算，把整个基坑围护结构视作平面问题来计算，如果基坑形状并非长方形必然会产生不合理的计算结果，甚至无法计算，此时只能依靠经验解决。随着土压力理论的进一步研究，计算技术的发展，实践经验的积累，已发展了一些新的能考虑基坑围护结构的空间作用和土压力的非线性变化的理论和计算方法(如基坑围护结构的空间非线性共同作用理论，即非线性地基竖向梁与土体共同作用理论和弹簧补偿迭代法等)。
基坑工程随着地区岩土性质不同而有很大差异，所以基坑工程技术有着"先实践，后理论"和"地区性"特点。我国各地区的基坑工程技术正在不断地发展和完善。近年来已出现了许多新的围护结构形式与稳定边坡的方法。维护边坡稳定传统的做法是板桩支撑系统或板桩锚拉系统。这些传统的方法优点是支撑材料可以回收，但却存在许多致命的弱点，如支撑往往是在开挖之后施加的，以致变形难以避免；拔出板桩时仍旧会引起边坡土体的进一步变形等。因此，在建筑物密集的城区或周围有建(构)筑物及地下设施的场地，选用传统的方法受到许多限制，处理不当还会酿成事故，这些例子是很多的。发生这些基坑工程事故固然是痛心的，但也从反面教育了岩土工程师去重视、去研究、去改进。从某种意义上讲，这些工程事故也是对岩土工程技术进步的促进和提高。
基坑工程技术另一个重要进展(在某种意义上可能是最重要的)是岩土工程信息化施工技术作业的运行。信息化施工原理和环境效应问题被人们所注意，以致被接受并付诸行动，这不仅是岩土工程技术本身的进步，更是工程界直至社会各方面在岩土工程总体意识上的更新、进步和延伸，已日益表现在岩土工程领域各类行为信息的反馈、监测、监控和监理等各项工作及信息数据的及时处理(包括计算机的应用)和技术与管理措施的及时调整等，岩土工程监测技术的进步和发展，则是岩土工程信息化得以实施的强有力的物质基础和技术保障。前者具体表现在两方面：一是监测方法及仪器本身的进步。现代物理，特别是电子技术的成就已广泛应用于新型监测仪表之中，如压力盒、远视沉降仪、各类孔压仪以及测斜仪等的设计与制作，优化了仪表结构性能，提高了精度和稳定性。二是监测内容的不断扩大与完善。分析方法的不断提高，如土体竖向位移和侧向位移、土体侧向压力、孔隙水压力以及施工环境诸因素和对象的反应监控等都能较全面地得到实施。而后者促进了前者的技术更新与改进，前者又为后者的实施提供了技术手段的保证。监测用于施工，保证和控制了施工质量，防止了事故(特别是灾难性事故)的发生，保护了环境安全，从而使我国的岩土工程设计与施工整体水平得到很大的提高，也为我国岩土工程与国际惯例接轨准备了基础条件。第三节 基坑工程支护结构分类
建筑基坑支护结构通常可分为桩(墙)式支护体系和重力式支护体系两大类；根据不同的工程类型和具体情况这两类又可派生出多种支护结构型式，如图1-1至图l-3。
桩(墙)式支护体系一般有围护墙结构、支撑(或锚杆)结构以及防水帷幕等部分组成。根据围护墙材料，桩(墙)式支护体系又可分为钢筋混凝土地下连续墙、柱列式钻孔灌注桩、钢板桩和钢筋?昆凝土板桩等形式。根据对围护墙的支撑方式，又可以分为内支撑体系和土层锚杆体系两类。桩(墙)式支护体系的墙体厚度相对较小，通常是借助墙体在开挖面以下孵-插入深度和设置在开挖面以上的支撑或锚杆系统来平衡墙后的水、土压力和维持边坡稳榭
于开挖深度不大的基坑，经过验算也可采用无支撑、无锚杆的悬臂状桩(墙)式支护体系"重力式支护体系一般是指不用支撑及锚杆的自立式墙体结构，厚度相对较大，主要借韵其自重、墙底与地基之间的摩擦力以及墙体在开挖面以下受到的土体被动抗力来平德墙铡水压力和维持边坡稳定。在基坑工程中，重力式支护体系的墙体在开挖面以下往往鬻繁粼定的埋入深度。目前，在我国各地常用的水泥土支护体系以及格构式地下连续墙一般都归在重力式支护体系中，其受力性能类似于悬臂状的桩(墙)式支护结构，但在桩(墙)式支护结构中一般不计墙体自重及墙底摩阻力对墙体稳定的影响。
第四节 基坑工程设计内容
基坑工程设计前所取得的资料应满足《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)3．0．1～3．0．2的有关规定。在基坑工程设计中应包括支护体系选型、围护结构的强度、变形计算、场地内外土体稳定性、渗透稳定性、降水要求、挖土要求、监测内容等，应注意避免"工况"和"计算项目"两方面可能的"漏项"，从而导致基坑失误。在施工过程中，尤其在软土地基中施工时，应该研究挖土的方法、过程以及支撑与挖土的配合。设计的基坑工程基本功能应满足：地下工程施工空间要求及安全；主体工程地基及桩基安全及环境安全(包括相邻建筑物、构筑物及地下共用设施等)。基坑工程设计与施工工作程序可参考图l-4所示的步骤进行。
一、支护体系选型
支护体系选型：包括围护墙体和支撑(或锚杆)结构两个体系所用材料和型式的选择及布置方式(可参见附录A)。应该根据工程规模、主体工程特点、场地条件、环境保护要求、岩土工程勘察资料、土方开挖方法以及地区工程经验等因素，经综合分析比较，在确保安全可靠的前提下，选择切实可行、经济合理的方案。
围护墙体和支撑结构的布置应遵循以下原则：
1．基坑支护结构的构件(包括围护墙、隔水帷幕和锚杆)在一般情况下不应超出工程用地范围。否则应事先征得政府主管部门或相邻地块业主的同意；
2．基坑支护结构构件不能影响主体工程结构构件的正常施工；
3．有条件时基坑平面形状尽可能采用受力性能较好的圆形、正多边形和矩形。
二、支护结构设计计算
通过设计计算确定支护结构构件的内力和变形，用于验算截面承载力和基坑位移。计算模型的假设条件必须符合支护结构的具体情况，所采用的有关参数应根据工程的具体条件和地区的工作经验确定。由于支护结构的内力和变形随着施工的进展而不断变化，因此设计计算必须按不同施工阶段的特征分别进行验算，同时应考虑前一种工况对后面各种工况内力和变形的影响。
三、极限状态下基坑支护结构稳定性验算
基坑工程的极限状态应分为承载力极限状态和正常使用极限状态。承载力极限状态包括土体稳定、围护结构破坏和支撑锚固系统失效；正常使用极限状态包括基坑变形不影响相邻地下结构，相邻建筑、管线和道路等正常使用。
稳定性验算通常应包括以下内容：
1．基坑边坡总体稳定验算。防止由于围护墙插入深度不够，使基坑边坡沿着墙底地基中某一滑动面产生整体滑动。
2．围护墙体抗倾覆稳定验算。防止开挖面以下地基水平抗力不足，使墙体产生绕前趾倾倒。
3．围护墙底面抗滑移验算。防止墙体底面与地基接触面上的抗剪强度不足，使墙体底面产生滑移。
4．基坑围护墙前抗隆起稳定验算。防止围护墙底部地基强度不足，产生向基坑内涌土。
5．抗渗流验算。在地下水较高的地区，在基坑内外水头差或者坑底以下可能存在的承压水头作用下，防止由于地下水竖向渗流使开挖面以下地基土的被动抗力和地基承载力失效。
6．基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。
以上各项稳定验算内容都与围护墙的插入深度有关，最后确定的围护墙埋入深度应同时满足以上各项验算要求。以上第(2)、(3)项验算主要针对重力式围护墙，对于有支撑或锚拉的桩墙支护结构，也应验算墙前被动压力，防止墙体下部产生过大变形。
支护结构稳定验算是在变形极限状态下的验算，所以都用主动土压力和被动土压力值进行计算。影响支护结构稳定的外界因素很多，各种变形现象往往不是完全独立存在的。目前一般都采取控制安全度的方法，用半经验、半理论公式分项验算，有时对同一个项目还要用多种方法进行验算，以达到总体上的稳定。
四、节点设计
在基坑工程中，经常发生由于支护结构局部节点构造不合理或由于施工不注意而导致基坑过大变形，甚至危及整体安全。因此必须充分重视节点设计这一环节。合理的节点构造应符合以下条件：①方便施工；②节点构造与设计计算模型中的假设条件一致；③节点构造应起到防止构件局部失稳的作用；④尽可能减少节点自身的变形量；⑤与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要有良好的节点延性。
五、井点降水
在地下水位较高的地区，降水是基坑设计必须考虑的一项内容，可以分为基坑内降水和基坑外降水两种情况。放坡开挖或无隔水帷幕的支护开挖通常在基坑外降水；围护墙设置隔水帷幕时通常采取坑内降水。降水深度通常控制在基坑开挖面以下0．5～1．Om，过深时容易引起渗流所带来的不利影响。常用的井点类型有轻型井点、多级轻型井点、喷射井点及深井井点，应该根据基坑规模、开挖深度和土层渗透性并结合地区经验选择。当基坑开挖深度小于3m时，通常可采用明沟排水，大于3m时宜采用井点降水。
六、土方开挖
不适当的开挖方式往往是造成基坑事故的重要原因，支护结构设计一方面应为土方开挖创造条件，同时应对开挖方式提出要求。其中最重要的要求是每阶段的开挖深度与相应设计工况的计算模型一致，强调先支撑(或锚定)后开挖的原则。每次挖到规定深度后，应及时架设支撑，一般情况下不宜超过48h，以防地基土塑性变形的发展。对于大型基坑应结合主体工程情况，采取在平面上分段，深度上分层的开挖方式，这样可以较为有效地减少事故的发生和对环境的影响。
七、监测
基坑工程的监测内容一般包括以下几方面：①支护结构主要构件的内力和变形，如支撑轴向力测定，墙顶的水平位移和垂直位移，墙体竖向的变形曲线测定，以及立柱的沉降或回弹等；②基坑周围土体的变形、边坡稳定以及地下水位的变化和空隙水压力的测定等，必要时还应测定坑底土的回弹情况；③对周围环境中需要保护的对象进行专门内容的观察和测定，如基坑附近的建筑物或构筑物，重要历史文物以及市政管线(f9括煤气管、上下水管、通讯电缆、高压电缆等)和道路、桥梁、隧道等。通过监测可以验证支护结构设计的合理性。监测工作是基坑工程中不可忽视的一项重要工程内容。
第五节 基坑工程安全等级
基坑工程支护结构应该与其它建筑设计一样，要求在规定的时问内和规定的条件下完成各项预定功能，即：①能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种功能；②在正常情况下，具有良好的工作性能；③在偶然的不利因素发生时和发生后，支护结构仍能保持整体稳定。此外，基坑支护结构还有以下特点：
1．当支护结构仅仅作为地下主体工程施工所需要的临时性措施时，其使用时间不长，一般不超过2年。而一般建筑结构所规定的设计基准期通常为50年。设计基准期的长短关系到对结构材料的耐久性要求和对发生偶然事件的概率统计等方面的问题。在地震区通常可不考虑地震力对支护结构的作用。
2．基坑支护结构的理论研究目前尚不完备，满意的工程实测资料很少，因此还没有条件能够像建筑结构那样通过对材料性能、荷载作用及结构效应等方面统计分析得出结构可靠性的概率指标。
为了区别对待各种不同的情况，《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)根据结构破坏可能产生的后果严重程度(包括对主体工程和环境的危害程度、危及人的生命安全、造成的经济损失和社会影响的严重性等)，把基坑划分为不同的安全等级，见表1-1。基坑等级的划分是一项复杂的问题，在设计与施工经验还有待进一步积累的条件下，为了确保基坑安全，适当提高安全等级仍然是必要的。《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)还根据工程性质、水文地质条件、基坑开挖深度及规模，把基坑划分为复杂、中等和简单三种等级。在软土地区，以一层、二层、三层地下室一般具有的深度划分为三种等级，见表1-2。
基坑工程尽管已经积累了大量成功的经验和不少失败的教训，鉴于地基和基坑工程的复杂性，设计、旋工除了应遵循一般性原则外，"因地制宜"仍然是基坑工程取得成功的重要原则之一，因此，应遵循本地区规范和规程，重视本地区及类似土质、工程条件下已有的经验及教训。除此之外，施工监测在基坑工程中有其突出的重要意义，尤其在地质条件复杂，相邻环境保护要求严格的情况下，更必须重视信息化施工。
第二章 基坑工程设计计算
基坑工程的设计计算通常包括支护体系选型、围护结构的强度、变形计算、坑内外土体稳定性计算、渗流稳定性计算、降水要求、挖土要求和监测内容等。在施工中要确定挖土方法，挖土及支撑的施工流程。
第一节 作用于支护结构上的荷载
通常情况下，作用在支护结构上的荷载有：土压力、水压力、施工荷载、地面超载、结构自重、支撑预压力、温度变化和周围建筑物引起的侧向压力，当围护结构作为主体结构的一部分时还应考虑人防和地震荷载等，此外，还应考虑其它不利于基坑稳定的荷载。
一、土压力
土压力是指土体作用在围护墙上的侧向土压力，在基坑工程问题中是一个重要的设计参数。通常是由土的自重和地面荷载产生的。土压力的大小与土的密度、土的抗剪强度、支护结构侧向变形的条件以及墙与土界面上的摩擦力等因素有关。根据桩墙的变位情况，作用在围护墙墙背上的土压力可分为静止土压力、主动土压力、被动土压力。其定义分别为：
静止土压力：指墙体未产生变位前作用在墙背上的土压力。其相应的土压力系数称为静止土压力系数，以K。表示。静止土压力可以根据直线变形体无侧向变形理论或近似方法求得，土体内相应的应力状态称为弹性平衡状态。
主动土压力：指围护墙产生离开土体方向的位移时作用在墙背上的土压力。其相应的土压力系数称为主动土压力系数，以K。表示。此时土体内相应的应力状态称为主动极限平衡状态。
被动土压力：指围护墙产生向着土体方向的位移时作用在墙背上的土压力。其相应的土压力系数称为被动土压力系数，以K，表示。此时土体内相应的应力状态称为被动极限平衡状态。
自然状态土体内水平有效应力，可认为与静止土压力相等。
主动土压力是土体作用在墙上的最小土压力，被动土压力是土体作用在墙上的最大土压力。这两种土压力与支护结构的变形有关，分别对应墙后土体处于两种不同极限平衡状态时作用在墙背上并可计算的两个土压力。至于介于这两个极限平衡状态之间的情况，除静止土压力这一特殊情况外，由于填土处于弹性平衡状态，是一个超静定问题，目前还无法计算其相应的土压力。如图2一1所示。实际土压力往往是介于这三种土压力之间，在有些规范中使用"动用土压力"、"过渡土压力"或中间土压力来表示这三种状态。
设计时应根据挡土结构的实际工作条件，主要是墙身的位移情况，决定采用哪一种土压力作为计算依据。一般基坑围护结构的上部分由于受到墙后土的作用和地基变形，总要转动向前移动，这些微小的转动或移动将足以使作用在墙背上的土压力接近于主动土压力，所以设计时多按主动土压力计算。于此同时基坑围护结构的下部分由于结构向坑内的可能位移，使土体处于被动受压状态，产生被动土压力以维持结构的平衡作用。
库仑(c·A·Cou10mb，1776年)分析了挡土墙后滑动土体的极限平衡条件，其基本假定为：墙后土体为理想散体材料，颗粒间粘聚力c为零；土体滑裂面为平面；墙背与滑裂面之间的土体视为刚体。库仑土压力理论是从滑动楔体处于极限平衡状态时力的静力平衡条件出发而求解主动或被动土压力的。Eh上述假定，可以对具有粗糙、倾斜墙背，墙后土体为粘性土，填土表面倾斜的挡土墙所受的主动和被动土压力用库仑土压力公式计算(详细推导可参阅有关土力学书)。库仑主动与被动土压力公式为
式中EE，--库仑主动与被动土压力(kPa)；
y--基坑开挖深度内土层平均重度(kN／m3)；H--基坑开挖深度(m)；
K，K，--库仑主动与被动土压力系数。表达式为
式中口--墙背倾斜角，即墙背与垂线的夹角，反时针为正(叫俯斜)，顺时针为负(叫仰 斜)；
卢--墙后填土表面的倾斜角；
艿--墙背与填土间的摩擦角，它与填土性质、墙背粗糙程度、排水条件、填土表面轮 廓和它上面有无超载等有关，由实验确定；(2-2)没有考虑土的粘聚力影响，在粘性土中考虑粘聚力对土压力的影响时，可假定中各个方向均有粘聚力C作用，并按粘聚力换算为粘结压力qc=C／tg0，此时，主动和被动土压力仍可用(2-2)式计算，但式中系数K，K，可参见《建筑基坑技术规范》(YB9258-97)附录8库仑主动与被动土压力系数。
3．朗金土压力理论
朗金(w．J．M．Rankine，1875年)首先从分析半无限体中一点应力状态出发，推导出具有光滑垂直墙背挡土墙的主动与被动土压力。朗金土压力公式虽然只能用来计算垂直光滑墙背挡土墙的土压力，但这种理论能够比较符合实际地反映主动与被动土压力的形成机理，因而朗金土压力理论一直被人们所重视并当作一种经典的土压力理论加以介绍。根据填土体内任一点处于主动和被动极限平衡状态时最大和最小主应力间的关系可求得主动和被动土压力(推导略)。朗金主动与被动土压力公式为
式中P，P--朗金主动与被动土压力强度(kPa)；
y--土的重度(kN／m3)；--土的厚度(m)；
K，K，--朗金主动与被动土压力系数，由下式确定
与库仑土压力公式比较，当墙背垂直、光滑，填土表面水平与墙齐高时，用朗金土压力理论求得的土压力值和用库仑土压力理论求得的土压力值是完全一致的，所以可以认为：朗金土压力公式是库仑土压力公式的一个特例。
用土压力理论计算挡土墙的土压力时，应注意以下问题：
(1)当支护结构经受的侧向变形条件不符合主动、被动极限平衡状态时，可将主动土压力系数调整为K。=(K。+K。)／2；被动土压力系数调整为K，一(0．5～0．7)K。
(2)由于朗金土压力理论简单，所以工程界常常乐于采用，但它没有考虑墙背的边界条件，所以计算结果与实际情况有一定出入。例如当墙土界面上有摩擦力存在时，朗金主动土压力偏大，而被动土压力偏小。
(3)用库仑理论可以解决包括地面荷载在内的各种边界条件下的土压力计算。在主动土压力状态下，库仑理论的计算结果可以达到很高的精度，足以满足工程需要。在被动土压力状态下，当墙背比较粗糙，与土之间摩擦角较大时，墙后土体的滑动面往往是一个曲面，而不是平面，因此计算结果有较大误差。
(4)墙背与土体问摩擦角度艿与墙背粗糙度、填土性质、填土表面倾斜程度、墙后jF水条件等因素有关。如果d值选用大，主动土压力就小；反之主动土压力就大。根据经验墙背摩擦角艿一般在之间变化。当墙背光滑，墙背排水条件差，取0～3；墙背较粗糙，墙后排水条件好，艿取0～(1／3～I／z)P；墙背很粗糙墙后排水条件好，艿取0～(1／2～2／3)。
(5)库仑土压力理论和朗金土压力理论是工程中常用的两种古典土压力理论。无论用库仑或朗金理论计算土压力，由于理论的假设与实际情况有一定的出入，加以在理论中也不可能对影响土压力大小和其分布规律的各种因素及其相互作用加以全面考虑和概括，所以只能看作是近似的方法，与实测数据有一定的距离，有时甚至相差很大，因此，土压力理论还有待于进一步研究，不断予以完善。
(6)刚性支护结构的土压力分布可按经典的库仑和朗金土压力理论计算得到，实测结果表明，只要支护结构的顶部位移不小于其底部的位移，土压力沿垂直方向分布可按三角形计算，与上述理论一致。但是，如果支护结构底部位移大于顶部位移，土压力将沿高度近似呈抛物线分布，此时土压力的合力较上述典型条件要大10％～15％，在设计中应予注意。柔性结构的位移及土压力分布情况比较复杂，主要取决于支护结构体系的刚度，设计时应根据具体情况分析，选择适当的土压力值。有条件时应采用现场实测土压力值，反演分析等方法总结地区经验，使设计更加符合实际情况。
二、地面荷载引起的侧压力
各种地面荷载对侧压力的影响可以用库仑理论求解。下面介绍几种用弹性理论公式求解的结果，其假设前提是墙体不发生位移，所得到的侧压力分布一般偏大，因此在具体工程应用时应考虑假定的适合性。
1．当地表有集中力Q，作用时(如图2-2)
2．当地表有线荷载Q。作用时(如图2-3)
3．当地表有条形均布荷载q作用时(如图2-4)
三、水压力
处于地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力和土压力是分开计算的。这种方法概念比较明确。但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对粘性土有效抗剪强度指标的确定，在实际工程中往往难以解决。因此在许多情况下，往往采用总应力法计算土压力，即将水压力和土压力混合计算。各地对此都积累了一定的工程实践经验。然而这种方法中也存在一些问题，如低估了水压力的作用，对此必须有足够的认识，才能恰当地协调工程的安全性和经济性。
在地下水位较高的地区，基坑内外存在着水位差，如果围护墙下端插入不透水的土层中，并可以认为基坑内外的地下水不会发生渗流时，则可不考虑渗流的影响，反之应考虑地下水渗流对侧压力的影响。
1．地下水无渗流时的水压力
当地下水无渗流时，可按静水压力考虑。在按总应力法计算时，作用在围护墙上的土压力用土的天然重度和总应力抗剪强度指标进行计算，不另计水压力，这种方法通常称为水土合算。在粘性土中(渗透系数≤10.7／s)宜采用水土合算。
当按有效应力法计算时，土中的孔隙水压力按静水压力考虑，土压力用土的浮重度和有效应力抗剪强度指标计算，同时还必须加上静水压力的作用，如图2-5。这种计算方法通常称为水土分算法。在砂性土中宜用水土分算。由于采用有效应力抗剪强度指标，必须要知道超静水压力才能得出有效应力，虽然通过室内土工试验可以测定U，但相对比较麻烦，在工程上为了方便计算也可采用总应力指标代替有效应力指标进行计算。
无论采用哪一种方法进行计算，都应结合地区经验分别确定不同的安全度。
2．地下水有渗流时的水压力
地下水有渗流时的水压力应按动水压力考虑，动水压力计算公式为
式中P--每延米板桩护壁上的动水压力(kN／m)；h一一水深度(m)；
秽一一水的流速(m／s)；7--水的重度(kN／m3)；9一一重力加速度(9．8m／s2)；K--系数，矩形木板桩护壁K一1．33，正方形K一1．47，圆形K一0．73，槽形钢板桩护壁K-1．8～2．0。
动水压力可假定为作用于水面以下1／3水深处的集中力，动水压力由板桩的一定入土深度所得的被动土压力来平衡。
四、其它荷载
通常为了缩短挡土结构，开挖基坑上部采用部分放坡或开挖时土体不能及时运出而堆在基坑附近等，这些情况在挡土结构计算中都必须加以考虑，其对支护结构产生的侧压可按如下情况简化计算。
1．在附加荷载(邻近建筑物、设施基础及施工荷载等)作用下土压力按以下简化方法计算：
(1)对于均布和局部均布荷载作用在支护结构上的主动土压力，可采用图2-6所示的方法计算。
(2)对于集中荷载在支护结构上产生的土压力，可采用图2-7的方法计算。
(3)当地面为不规则情况时，支护结构上的土压力，可按图2-8及下式进行计算。
①图2-8(a)的情况
支护结构上的主动土压力和被动土压力为
式中p--地表斜坡面与水平面的夹角；
z--计算点深度。②图2-8(b)的情况支护结构上的土压力计算时，可将斜面延长达c点时计算，则BAdfB就是实际主动土压
力的近似分布图形。
③图2-8(c)的情况
可按图28(a)及图2-8(b)的方法叠加计算。
2．冰荷载
在寒冷地区，当基坑形成以后，有集中水结冰的可能时，应考虑坑内冰层因温度变化而产生的膨胀力对坑壁的影响。特别是对平面连接较差的地下墙系结构，更应该注意这个力的作用。由于冰荷载的影响因素很多，对冰荷载的准确计算是很困难的。目前，在工程设计中常采用极限冰压力作用计算冰荷载，即不论什么原因，当有大面积冰层堆挤坑壁时，最大冰压力发生在冰被挤压时，这时冰作用在建筑物上的作用力称为极限冰压力。作用在坑壁上的极限冰压力可按下式计算
第二节 支护结构的静力计算
为了确定支护结构构件的内力和变形，并验算它们的截面承载力。基坑支护结构的静力计算模型可以分为空间和平面两类。
空问计算模型是把包括地基土在内的整个基坑作为一个空间结构对待，地基土视为空间半无限体介质，把基坑影响范围内的土介质以及支护结构的各个构件划分为若干个单元，用三维有限元方法分析。这种方法的关键是确定土介质的有关参数，目前条件下在这方面与工程设计的实用性之间尚有一定的距离。作为一种简化方法，是把墙背土压力视为不随基坑位移而改变的结构外荷载，在考虑土的抗力时，把土体假定为线弹性体，这样就可以用传统的计算理论对结构进行分析。
对于平面形状为圆形、正多边形或近似方形的基坑，用空间计算模型进行分析，由于考虑了支护结构和地基土的空间作用，因此可以获得较好的经济效果。
采用空间计算模型分析基坑工程，除了土介质的计算参数难以正确判断外，计算工作量也往往是非常大的。因此在多数情况下，基坑支护结构静力分析是采用平面计算模型，即沿基坑平面的纵向或横向截取单位长度的支护结构加以分析，这样可以大大减少计算工作量。一般情况下平面模型的计算精度足以能满足一般工程的设计要求，尤其是对于空间作用不大的长条形基坑和平面尺度较大的基坑。
一、支护结构的受力特点
为适应不同的地质及环境条件，针对不同的具体工程、建筑材料、施工条件等可以设计出不同的支护型式。但其受力性能大致可分为如下几类：悬臂式支护结构、单(多)支点混合结构、重力式挡土结构及拱式支护结构。不同类型的支护结构主要受力特点及做法如表2-1所示，其它支护结构形式的适用条件及注意事项可参见附录A。
二、支护结构的计算模型
支护结构的计算，应考虑施工过程中(包括开挖和回填)基坑开挖、支撑设置、拆除及替换、荷载变化、墙体刚度改变、与主体结构的结合方式等对墙体受力的影响。墙体的受力分析应根据施工顺序逐段进行。支护结构的计算简图，应符合结构实际的工作条件，反映结构与土层的相互作用。根据计算目的、结构特点、基坑规模、土层条件及墙体变形后土层的应力状态等因素，结合工程经验，合理选择计算方法。
1．计算方法的选择
(1)支护结构抗倾覆稳定所需的入土深度可采用极限平衡法计算；
(2)支护结构的内力宜采用土抗力法计算，空间作用不明显的三类基坑和地层较稳定、周围环境较简单的二类基坑中的悬臂结构及单支点结构可采用极限平衡法计算；
(3)支护结构的变形一般可采用土抗力法计算，当基坑周围有重要建(构)筑物需要保护时，可采用平面有限元法计算基坑开挖引起的支护结构和地层的位移。
2．支护结构上的荷载
支护结构设计计算时，一般应考虑以下荷载：
(1)自重；
(2)施工阶段的水、土压力及邻近建筑物基底压力产生的土压力；
(3)地面堆载、车辆或机械等活载及其产生的土压力；
(4)逆作法或盖板法施工时，顶、楼板和盖板传给支护结构的竖向力及力矩；
(5)其它荷载：包括通过支撑对墙体施加的预压力以及在基坑附近进行的工程活动(如地层加固、开挖)对墙体产生的作用力等，必要时应考虑支撑温度变化的影响；
(6)支护结构作为主体结构的一部分或建筑物的基础时，作用在其上的荷载，包括上部结构的重量、竖向荷载、地震荷载或人防荷载等。
作用在支护结构上的侧压力，应考虑墙体所处工程地质条件和水文地质条件、埋置深度、施工方法等影响，根据墙体受力后的位移大小及地层的应力状态设定，并与所采用的计算模型相适应。
在依据理论计算结果确定支护结构的入土深度、内力和水平位移时，应考虑当地类似工程的实践经验，必要时作出合理修正。
支护结构的计算模型可参见表2-2。
在支护结构的设计计算中，地基反力系数也是必须首先确定的一个参数。地基反力系数(也称地基抗力系数、基床系数、垫层系数、弹簧常数和地层压缩系数等)是决定桩土共同作用的重要参数，其计算取值方法很多，且结果有很大的差别。地基垂直方向和水平方向的地基反力系数也有很大差异，一般认为水平地基反力系数大于垂直地基反力系数，有些资料认为前者是后者的1．5～2．0倍。按文克尔假定，每一点的地基反力与该点的弹性变形成正比，
式中K--地基反力系数(kPa／m3)；
声--地基反力强度(kPa)；甜--位移量(m)。
地基反力系数主要由地质条件决定，当然与承力面积和深度也有关系，其值最好通过实验求得，如果无条件时也可近似地按有关地质参数求得或查有关手册。
三、桩(墙)内力的计算分析
1．梁和桩的挠曲线微分方程设嵌入桩在基坑底面处沿桩的主截面平面内受有水平外力H。及力矩M。的作用(由基坑侧壁压力引起)，桩身受有水平分布荷载(x)的作用，如图2-9所示。以图2-9为参考坐标系可推导出土中桩的挠曲线微分方程为(推导略)：
式中 E--桩体弹性模量；
2．挠曲线微分方程的特殊情况
对桩在基坑底面以上的部分，坐标原点可取在桩顶。若在桩或梁的单位长度上作用分布荷载石(z)，以及桩后土体产生的反力(z，y)，其微分方程同式(2-11)。若将(z，y)用土压力取代，并表示成仅与z相关时，则可合并入石(z)中，此时，挠曲线微分方程为
这个四阶微分方程的一般解为
式中a，a，a，a4--由边界条件确定的积分常数。
若弓(z)为．27的简单函数，则式(2一11b)的四重积分可以很容易得出，但对于部分分段荷载、集中荷载就非常复杂，直接求解很困难。下面对荷载函数的形式作一简单讨论。将桩和梁的挠曲微分方程(2一11a)的一般解(2一11b)对z连续微分，可得
这些就称为荷载函数。对一般常见的部分等变化分布荷载，可按下列公式计算(如图2一10所示)
由式(2-12b)可看出，当荷载函数不采用对原点的距离，而采用对所求点的距离来整理时，就可表示为规则的形式。在计算中常遇到的几种有代表性的集中荷载和分布荷载的荷载函数如表2-3。
荷载函数的物理意义为(以桩为例)：
Q(z)：至2点处桩上所受荷载之和，即剪力；R(z)：桩上作用的荷载对z点的弯矩之和；S(z)／El：由于桩上荷载的作用，使2点产生的相对于桩顶的转角(弧角)；
T(z)／El：由于桩上荷载的作用，使2点产生的相对于桩顶的相对变位。
3．地基反力的计算方法
式(2一儿)给出了护坡桩墙的基本方程。一般用桩单位面积上的地基反力P(z)代替作用在单位桩长上的地基反力石(z，y)，即
式中6--与反力垂直方向的桩宽。由式(2-13)代入式(2-11)得
这就是水平受力桩的基本方程。其中最重要的是地基反力P(z，y)的求解方法，许多学者对此进行了专门的研究，提出计算地基反力的方法也很多，若按水平受力桩的计算方法分类，大致有如下三类(详见表2-4所示)。
(1)极限地基反力法(或称极限平衡法)；
(2)弹性地基反力法(线性弹性地基反力法，非线性弹性地基反力法)；
(3)复合地基反力法(p-Y曲线法)。
3．支护结构的计算
按《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)对基坑支护结构的计算基本方法分类为：极限平衡法、土抗力法和平面有限单元法，以下对这三种方法分别介绍。
(1)极限平衡法
极限平衡法假定作用在结构前后墙上的土压力分别达到被动土压力和主动土压力，在此基础上再作某些力学上的简化，把超静定的结构力学问题作为静定问题求解。等值梁法、静力平衡法、泰沙基法、二分之一分割法等都属于此类。以国内采用较多的等值梁法和静力平衡法为例，在分阶段计算多撑式结构的内力时，不考虑设撑前墙体已产生的位移，并假定支撑为不动支点，下层支撑设置后，上层支撑的支撑力保持不变。
①整体稳定和内力计算
计算支护结构的整体稳定和内力时，作用在围护结构上的土压力分布模式，迎土侧可取主动土压力，开挖侧坑底以下取被动土压力；计算锚撑式钢板桩等柔性围护结构的内力时，宜采用经验土压力分布形式。
②极限平衡法计算
用极限平衡法计算围护墙结构的入土深度及内力时，一般可采用等值梁法或静力平衡法；确有实践依据时也可采用其它方法。当用等值梁法或静力平衡法计算围护墙结构的入土深度及内力时，应考虑开挖侧坑底以下被动土压力的修正：
a．用静力平衡法计算的悬臂式或单支点板桩墙及地下连续墙，修正系数取K一0．5。
b．用等值梁法计算的单支点板桩墙及单支点地下连续墙，修正系数K可参考表2-5选用。
③悬臂式围护结构计算
悬臂式围护结构可能是地下连续墙、木桩、钢筋混凝土桩和钢板桩等，它利用悬臂作用来围护墙后土体。悬臂式围护结构的设计过程首先是选定初步尺寸，然后按稳定性和结构要求分析并根据需要修改。
悬臂式围护结构的最小嵌固深度t可按顶端自由、嵌固段下端简支的静定结构计算(图2-11)，由下式通过试算确定
式中E"b，--分别为被动侧土压力的合力及合力对围护结构底端的力臂；Eb--分别为主动侧土压力的合力及合力对围护结构底端的力臂。围护结构的设计长度L按下式计算
L-H+z+kt (2-16)式中H--基坑深度；
z--基坑面至墙上土压力为零之点的距离；
k--与土层和环境条件等有关的经验嵌固系数，对安全等级为一级、二级、三级的
基坑板桩可分别取2．10、2．O0、1．90；排桩取1．40、1．30、1．20；土压力零点至墙脚的距离。围护结构的最大弯矩位置在基坑面以下，可根据剪力Q一0条件按常规方法确定。
④锚撑式围护结构计算锚撑式围护结构用等值梁法和静力平衡法计算。
锚撑式围护结构应逐层计算基坑开挖过程中每层支撑设置前围护结构的内力，达到最型挖土深度后，验算支护结构抗倾覆的稳定性；当基坑回筑过程需要拆除或替换支撑时，尚应计算相应状态下围护结构的稳定性及内力；根据围护结构嵌固段端点的支承条件合理选定算方法。一般情况下视为简支，按等值梁法计算；当嵌固段土体特别软弱或入土较浅时，百视为自由端，按静力平衡法计算；锚撑式围护结构采用等值梁法或静力平衡法计算时，假矗支撑为不动支点，且下层支撑设置后，上层支撑的支撑力保持不变。
⑤等值梁法的汁算(如图2-12)
a．基坑面以下围护结构的反弯点取在土压力为零的C点，并视为等值梁的一个铰支点；b．第一层支撑设置后的围护结构计算，基坑深度。取第二层支撑设置时的开挖深度。按下式计算第一层支撑的支撑力丁。
⑥静力平衡法的计算(如图2-13)
第一层支撑设置后的围护结构计算，基坑深度h。取第二层支撑设置时的开挖深度。按下式计算第一层支撑的支撑力丁，
式中E，--基坑开挖至h。深度时，主动侧土压力的合力；E一-基坑开挖至h-深度时，被动侧土压力的合力。第志层支撑设置后的围护结构计算，基坑深度h。取第志+1层支撑设置时的开挖深度，第一层至第是一层支撑的支撑力为已知。第k层支撑的支撑力71。按下式计算
各施工阶段围护结构的内力可根据支撑力和作用在围护结构上的土压力按常规方法求得。
极限平衡法中的各种方法多是某种特定条件下的近似，但适用条件不很明确，多凭经验判断。极限平衡法中被动土压力的修正可参见《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)的规定。
虽然极限平衡法存在许多缺陷，但该方法简单快捷、无需借助电子计算机就能解决问题，且已为我国大多数工程技术人员所采用。应用极限平衡法时，应注意以下问题：由于抗倾覆稳定问题本质上是挡土结构前后墙上荷载达到极限时的平衡问题，与支护结构的微小变形无关，所以应用等值梁法和静力平衡法从概念上看似乎无问题，故在规范中一一般推荐使用。关于内力计算，由于目前找不到更合适的方法取代现行的等值梁法和静力平衡法，为此通常采取如下处理方法：对等值梁法和静力平衡法的应用条件进行较严格的限制，只用于三类基坑及地层条件与环境条件较好的二类基坑，多支点结构尽量不用。不排斥其它经过实践检验证明是可行的方法。在内力计算中，提倡采用经验土压力分布模式，强调依据工程经验对计算结果的修正。
(2)土抗力法
在工程界土抗力法有时又称为弹性抗力法、地基反力法、竖向弹性地基梁的基床系数法等。在计算复杂受力情况的围护结构时，假定墙体两侧的土压力随开挖过程变化，在开挖侧和迎土侧的墙上均设有土体弹簧，并规定迎土侧土压力随墙体向基坑一侧的变形增大而减小，但不得小于主动土压力。
土抗力法能较好地反映基坑开挖和回筑过程中各种基本因素和复杂情况对围护结构受力的影响，如施工过程中基坑开挖、支撑设置、失效和拆除、荷载变化、预加压力、墙体刚度改变、与主体结构板、墙的结合方式内支撑式挡土结构和基坑两侧非对称荷载等的影响；结构与地层的相互作用及开挖过程中土体刚度变化的影响；围护结构的空间效应及围护结构与支撑系统的共同作用；反映施工过程及施工完成后的使用阶段墙体受力变化的连续性。
土抗力法的计算精度主要取决于一些基本计算参数的取值是否符合实际，如基床系数、墙背和墙前土压力的分布、支撑的松弛系数等，可通过地区经验加以完善。在淤泥质地层中，由于难以反映土体的流变效应，计算墙体水平效应可能偏小，应通过工程实践予以调整。
根据围护墙结构的受力特点，分别采用以下模型：a．平面结构可采用侧向地基上的杆系有限元模型；b．扶壁式结构及围护墙为地下连续墙(槽段之间采用可传递面外剪力或弯矩的接头连接)和围护墙为灌注桩、钢筋混凝土板桩或普通接头的地下连续墙，与钢筋混凝土内衬组成的复合墙或重合墙的竖井式挡土结构可采用侧向地基上的空间板壳元模型。
墙体为支承在墙背地层和开挖面一侧坑底以下地层及支撑上的弹性梁或弹性板壳。弯曲变形为主的钢筋混凝土围护墙的刚度一般取混凝土全截面刚度的0．6倍。钢板桩的抗弯刚度需分别考虑乘以折减系数k：当桩顶不设圈梁并打入软土时，k一0．7；当桩顶设置刚度较大的圈梁时，锁口焊接时，k=1．0。
支撑为弹性体，其对围护墙的作用用压缩(支撑采用锚杆时为拉伸)刚度等效的弹簧模拟。当支撑处的墙体计算位移小于设撑前的位移时，支撑弹簧即失效。
用土体等效弹簧模拟地层对墙体变形的约束作用。土体应力处于弹性状态时，地层抗力符合温克尔假定，按下式计算
托--计算点水平方向的地基基床系数(N／cm3)，与地层条件、受力方向、承压面积、构件形状和变形量等因素有关，可假定为与深度无关的常数或与深度成正比，其数值宜参考当地类似工程的实践或通过现场土工试验设定。
当假定瓦为与深度无关的常数时，开挖面坑底一定深度范围内宜取三角形分布。
作用在墙体两侧的土压力随开挖过程变化，且由两部分组成，即墙体变形前的静止土压力及墙体变形后产生的地层抗力。基坑开挖前，墙体两侧的土压力平衡，均为静止土压力。在墙上有效土压力(墙背静止土压力与开挖侧坑底以下静止土压力之差)的作用下，墙体产生变形，只--计算点的静止土压力强度(N／cm2)。
用土抗力法对挡土结构进行分析时，按侧向地基上的结构计算，用压缩刚度等效的土体弹簧模拟地层对墙体变形的约束作用。根据挡土结构受力特点及所采用的支撑类型可把挡土结构的计算方法分为：
a．按计算对象：考虑围护结构与支撑的变形协调，单独对围护结构进行计算的方法；或把围护结构和支撑视为一体，对挡土结构进行整体计算的方法。
b．按挡土结构的受力特点：把结构构件视为杆系。按平面结构计算的方法；或把结构构件视为板壳，按空间结构计算的方法。
c．按墙背土压力的设定方式：墙背土压力不随开挖过程变化的方法，或墙背土压力随开挖过程变化的方法。
各种方法的适用条件参见图2-14。其中受力对称的平面结构、墙背土压力为定值的方法在我国工程界应用较普遍。表2-6为按墙背土压力的设定方式分类的两种计算方法的主要特征。
采用锚拉式支撑系统或受力基本对称的内支撑挡土结构，可将支撑简化为刚度等效的弹簧模拟。当支撑处的墙体计算位移小于设撑前的位移时，支撑弹簧即失效。支撑的等效弹簧
刚度根据支撑类型分别考虑。
当围护结构内支撑按杆系计算时
当围护结构内支撑按板壳计算时
式中K--相当于每延米墙宽的支撑弹簧刚度(kN·m一／m)，或支撑弹簧刚度(kN／m)；口一与支撑松弛有关的折减系数，钢筋混凝土支撑取1．0，钢支撑取0.7～1.0；E--支撑材料的弹性模量(Pa)；
A--支撑构件截面积；L--支撑长度(m)；S--支撑的水平间距(m)。
对围护结构锚杆按杆系计算时
对围护结构锚杆按板壳计算时
各施工阶段围护结构的内力可根据支撑力和作用在围护结构上的土压力按常规方法求得。
极限平衡法中的各种方法多是某种特定条件下的近似，但适用条件不很明确，多凭经验判断。极限平衡法中被动土压力的修正可参见《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)的规定。
虽然极限平衡法存在许多缺陷，但该方法简单快捷、无需借助电子计算机就能解决问题，且已为我国大多数工程技术人员所采用。应用极限平衡法时，应注意以下问题：由于抗倾覆稳定问题本质上是挡土结构前后墙上荷载达到极限时的平衡问题，与支护结构的微小变形无关，所以应用等值梁法和静力平衡法从概念上看似乎无问题，故在规范中一般推荐使用。关于内力计算，由于目前找不到更合适的方法取代现行的等值梁法和静力平衡法，为此通常采取如下处理方法：对等值梁法和静力平衡法的应用条件进行较严格的限制，只用于三类基坑及地层条件与环境条件较好的二类基坑，多支点结构尽量不用。不排斥其它经过实践检验证明是可行的方法。在内力计算中，提倡采用经验土压力分布模式，强调依据工程经验对计算结果的修正。
(2)土抗力法
在工程界土抗力法有时又称为弹性抗力法、地基反力法、竖向弹性地基梁的基床系数法等。在计算复杂受力情况的围护结构时，假定墙体两侧的土压力随开挖过程变化，在开挖侧和迎土侧的墙上均设有土体弹簧，并规定迎土侧土压力随墙体向基坑一侧的变形增大而减小，但不得小于主动土压力。
土抗力法能较好地反映基坑开挖和回筑过程中各种基本因素和复杂情况对围护结构受力的影响，如施工过程中基坑开挖、支撑设置、失效和拆除、荷载变化、预加压力、墙体刚度改变、与主体结构板、墙的结合方式内支撑式挡土结构和基坑两侧非对称荷载等的影响；结构与地层的相互作用及开挖过程中土体刚度变化的影响；围护结构的空间效应及围护结构与支撑系统的共同作用；反映施工过程及施工完成后的使用阶段墙体受力变化的连续性。
土抗力法的计算精度主要取决于一些基本计算参数的取值是否符合实际，如基床系数、墙背和墙前土压力的分布、支撑的松弛系数等，可通过地区经验加以完善。在淤泥质地层中，由于难以反映土体的流变效应，计算墙体水平效应可能偏小，应通过工程实践予以调整。
根据围护墙结构的受力特点，分别采用以下模型：a．平面结构可采用侧向地基上的杆系有限元模型；30式中E--基坑开挖至ht深度时，被动侧土压力的合力，可按《建筑基坑工程技术规范》围护结构的设计长度按式(2-16)计算，其中t与z分别为对最下一层支撑计算所得的围护结构嵌固深度及坑底至反弯点的距离。经验嵌固系数愚对安全等级为一、二、三级的基坑可分别取1．40、1．30、1．20。
各施工阶段围护结构的内力可根据支撑力和作用在围护结构上的土压力按常规方法求得。
⑥静力平衡法的计算(如图2-13)
第一层支撑设置后的围护结构计算，基坑深度h。取第二层支撑设置时的开挖深度。按下式计算第一层支撑的支撑力丁，
式中E0。--基坑开挖至h-深度时，主动侧土压力的合力；E，--基坑开挖至h-深度时，被动侧土压力的合力。第启层支撑设置后的围护结构计算，基坑深度h。取第点+1层支撑设置时的开挖深度，第一层至第五一层支撑的支撑力为已知。第五层支撑的支撑力n按下式计算
式中E--基坑开挖至ht深度时，主动侧土压力的合力；E--基坑开挖至t深度时，被动侧土压力的合力；71--第一层至第七一1层支撑的支撑力。
当围护结构内支撑按杆系计算时
当围护结构内支撑按板壳计算时
对围护结构锚杆按杆系计算时K一1／·S (2-28)对围护结构锚杆按板壳计算时
b．扶壁式结构及围护墙为地下连续墙(槽段之间采用可传递面外剪力或弯矩的接头连接)和围护墙为灌注桩、钢筋混凝土板桩或普通接头的地下连续墙，与钢筋混凝土内衬组成的复合墙或重合墙的竖井式挡土结构可采用侧向地基上的空间板壳元模型。
墙体为支承在墙背地层和开挖面一侧坑底以下地层及支撑上的弹性梁或弹性板壳。弯曲变形为主的钢筋混凝土围护墙的刚度一般取混凝土全截面刚度的0．6倍。钢板桩的抗弯刚度需分别考虑乘以折减系数k：当桩顶不设圈梁并打入软土时，k一0．7；当桩顶设置刚度较大的圈梁时，k一0．9；锁口焊接时，k=1．0。
支撑为弹性体，其对围护墙的作用用压缩(支撑采用锚杆时为拉伸)刚度等效的弹簧模拟。当支撑处的墙体计算位移小于设撑前的位移时，支撑弹簧即失效。
用土体等效弹簧模拟地层对墙体变形的约束作用。土体应力处于弹性状态时，地层抗力符合温克尔假定，按下式计算
R-K·Y (2-25)
式中R--计算点水平方向的地基反力强度(N／cm2)；
y一一计算点墙体的水平位移(cm)；
托一计算点水平方向的地基基床系数(N／cm3)，与地层条件、受力方向、承压面积、构件形状和变形量等因素有关，可假定为与深度无关的常数或与深度成正比，其数值宜参考当地类似工程的实践或通过现场土工试验设定。
当假定‰为与深度无关的常数时，开挖面坑底一定深度范围内宜取三角形分布。
作用在墙体两侧的土压力随开挖过程变化，且由两部分组成，即墙体变形前的静止土压力及墙体变形后产生的地层抗力。基坑开挖前，墙体两侧的土压力平衡，均为静止土压力。在墙上有效土压力(墙背静止土压力与开挖侧坑底以下静止土压力之差)的作用下，墙体产生变形，用土抗力法对挡土结构进行分析时，按侧向地基上的结构计算，用压缩刚度等效的土体弹簧模拟地层对墙体变形的约束作用。根据挡土结构受力特点及所采用的支撑类型可把挡土结构的计算方法分为：
a．按计算对象：考虑围护结构与支撑的变形协调，单独对围护结构进行计算的方法；或把围护结构和支撑视为一体，对挡土结构进行整体计算的方法。
b．按挡土结构的受力特点：把结构构件视为杆系，按平面结构计算的方法；或把结构构件视为板壳，按空间结构计算的方法。
C．按墙背土压力的设定方式：墙背土压力不随开挖过程变化的方法，或墙背土压力随开挖过程变化的方法。
各种方法的适用条件参见图2-14。其中受力对称的平面结构、墙背土压力为定值的方法在我国工程界应用较普遍。表2-6为按墙背土压力的设定方式分类的两种计算方法的主要特征。
土弹簧具有非线性特性。土体应力处于弹性阶段时，地层反力符合温克尔假定。基坑开挖前，墙体两侧的土压力均为静止土压力；基坑开挖过程中，墙背土压力减小但不小于主动土压力，墙前土压力增大但不大于被动土压力。
目前对坑底以下被动区土应力状态尚难以把握。从大量深基坑工程实测资料中发现，在上层土体开挖卸载后，开挖面下方的土体内仍保留着相当部分不能完全卸除的残余应力，即
上层土体开挖的卸载作用对于下层土体中应力的影响，只是在一定深度范围内存在，在此深度以下，土中应力值将很少变化。再考虑到由于采用朗金理论未计入墙与土问存在摩擦阻力致使被动土压力的设计值偏小等因素，故在工程应用中，一般假定被动区的土体应力处于弹性状态。图2-15示出了土体加(卸)载条件下土压力强度与墙体位移的关系曲线。考虑施工过程中受力继承性的基本方法有"总和法"和"增量法"(也称"叠加法")，两者都可用于整个受力过程中墙体刚度不发生改变的情况，否则应采用增量法。
在总和法的计算简图中，已知外荷载是各施工阶段实际作用在墙上的有效土压力或其它荷载，支承由支撑弹簧和地层弹簧组成。在支承处应输入设置支承前该点墙体已产生的水平位移。由此可直接求得当前施工阶段完成后围护结构的实际位移及内力。
在增量法的计算简图中，外荷载是相当于前一个施工阶段完成后的荷载增量，支承由支撑弹簧和地层弹簧组成。所求得的围护结构的位移和内力是相对于前一个施工阶段完成后的增量，当墙体刚度不发生变化时，与前一个施工阶段完成后墙体已产生的位移和内力叠加，可得到当前施工阶段完成后体系的实际位移及内力。
关键问题是如何确定引起体系内力改变的每一个荷载增量，方法归纳如下：支撑的拆除相当于在拆撑处反向施加这一支撑力。
坑底土被挖除：图2-16示出了坑底土被挖除时作用在墙上的荷载增量，该增量由两部分组成。第一部分为由于开挖引起的侧土压力的减少；由于墙背计算土压力为常数(一般为主动土压)，故侧土压力增量实际就是开挖侧静止土压力的减少值，其变化规律坑底以上为三角形分布，坑底以下为矩形分布。第二部分为被挖土体中土抗力的释放，相当在挖除土部位对墙体反向施加这些土抗力。
采用tn法计算时，坑底上弹簧的刚度随开挖过程而变小；图2-17示出了由于土弹簧的刚度变小而引起的荷载增量。假定第一次开挖完成后被动区土弹簧的刚度为K，相应弹簧的土抗力为R，第二次开挖完成后被动区土弹簧的刚度减少到怒，则由此而产生的荷载增量为尺一亿(K。一瓦)／K，作用方向与土抗力方向相反。
活载效应：活载是一种可变荷载，只在当前的计算阶段中起作用，对每个受力阶段，都需计算有、无可变荷载作用的两种工况，将它们与前面各步中无可变荷载时的计算结果叠加。结构自重：仅当构件第一次在计算简图中出现时考虑。
对墙体施加预压力的方法与挡土结构的支撑方式有关。这里讨论内支撑式挡土结构的预加压力问题。这种情况在当前工程界有两种施加预压力的方式：一是通过安装在横撑活接头端的油压千斤顶对墙体施加设定的预压力，迫使墙体产生朝向地层一侧的位移，位移稳定后锁定千斤顶；二是对墙体施加设定的预压力，并在墙体位移稳定后，用钢楔楔紧横撑活接头端的间隙，油泵回油后，拆除千斤顶。
虽然第一种方式需要配备较多的千斤顶，但预加压力的效果较好，已为国外大多数工程采用，国内目前多采用第二种方式。
从力学的观点看，以上两种施加预压力的方式对支护体系的作用是不同的。
两种方式都可以认为横撑是在预加压力使墙体位移稳定后才开始对墙体起作用的，所以可杷旒加予丽乐了作为架设专樘前的一个独市的詈力阶段．不同的县，第一种方式预加压力始终作用在墙上，支撑只是在向下继续开挖的过程中才起作用。第二种方式则可把对墙体施加预压力的过程分解为两个独立的阶段：在横撑的支点处通过于斤顶对墙体旋加集中力；在支点处设置横撑，拆除千斤顶，释放此集中力。
如果假定活接头端的钢楔是不可压缩的，则拆除千斤顶并不引起挡土结构内力的改变，只是在向下开挖的过程中，已释放的预压力不再作用在墙面上。
当采用墙背土压力不随开挖过程变化的方法计算围护结构的内力时，对预加压力工况，应在墙背增设土弹簧。
围护结构与内衬墙的结合方式，视围护结构与内衬之间传力方式不同，有以下两种基本构造型式：
复合式构造：可用于连续墙与内衬的连接。通过对连续墙的凿毛、清洗，当连续墙与内衬结合面的剪应力超过0．7MPa时，应在二者之间设置拉结钢筋以保证剪力传递。结构分析时可把二者视为一个整体墙。设置内衬前的墙体内力，由围护结构承担；设置内衬后的内力增量，由复合墙承担。
重合式构造：多用于两者之间敷设有防水夹层时，为保护防水效果，围护墙与内衬之间一般不用钢筋拉结，故成为仅能在垂直于墙面方向传递压力的重合式结构。当在无水地层中用分离式灌注桩作坑壁支护时，虽然其与内衬之间也有设置拉结钢筋的，但由于连接较弱，也可视为重合式结构，此时墙面之间不仅可传递压力，也能传递一定的拉力。建立结构计算模型时，可将围护结构和内衬位于同一水平上的节点用只传递压力或拉力，但不能传递弯矩和剪力的刚性连杆连接。设置内衬前的内力由围护结构承担，设置内衬后的内力增量则分别由支护结构和内衬承担。
在力学处理上用增量法计算围护结构设置内衬后的内力。但不是在已有内力基础上的简单叠加，配筋时需根据内外墙的结合方式以及内力在断面中的变化情况，采用不同的方法。圆筒式围护结构计算非均匀受力影响时，沿环向可采用如下土压力分布模式：
由于参数难以准确取值及计算工作量大等原因，目前在基坑工程支护结构设计中尚无直接用平面有限单元法的计算结果作为设计依据的实例。有时结合某些重大工程技术问题的处理，把它作为一种辅助的计算手段。
在城市深基坑的四周常会遇到一些重要建筑物或构筑物，例如，为了保证基坑附近地铁的正常运营，必须对基坑开挖引起的地铁结构的沉降和倾斜进行极其严格的限制，在这种情况下，无论用极限平衡法或土抗力法均难以估算出开挖引起的地层位移，而需采用平面有限单元法。在平面有限单元法中，有关土层的物理力学参数的取值，应根据当地工程的实测资料，通过反分析确定。
4．荷载函数的挠曲线法
荷载函数的挠曲线法主要以式(2-11)和式(2-12)为基础求解挠曲线微分方程，根据不同的支护结构形式，利用相应的边界条件和变形连续条件确定积分常数，最终计算出锚杆反力、最大弯矩和临界入土深度。对单(多)锚杆支撑体系板桩墙的计算要点见表2-7。表中荷载函数Q(z)、R(z)、S(z)、T(z)用式(2-11)或式(2-12)计算，其它符号可参见图2-18。
以上简要介绍了桩墙内力的理论分析方法，实际情况要复杂的多，各种支护结构的内力计算方法见第八章结合具体工程来分析讨论，其中有一些是经验简化算法。
第三节 基坑稳定性验算
在实际工程中除对支护结构的荷载及内力进行分析计算外，还需要进行基坑稳定性验算。基坑的稳定性问题直接与支护结构体系的变形稳定以及基坑的工程地质、水文地质条件有关。基坑稳定性验算主要是计算基坑在外荷载作用下是否会丧失稳定(简称失稳)，基坑失稳的表现形式和原因是多种多样的。
基坑失稳可分为两种主要形态：
第一，因基坑土体的强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑底土因承载力不足而隆起，地层因承压水作用、管涌、渗漏等导致基坑工程破坏。《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)将基坑稳定性验算归纳为：支护桩稳定入土深度；基坑底土隆起稳定性；基坑底土渗流稳定性；基坑边坡整体稳定性等四个方面。第二，因支护结构(包括桩、墙、支撑系统等)的强度、刚度和稳定性不足引起的支护结构系统破坏而造成基坑倒坍、破坏。基坑的整体稳定计算，按平面问题考虑，并采用圆弧滑动面计算。对不同情况(如不同设计状况，不同验算方法及不同土性指标)的基坑稳定性验算，其危险滑弧均应满足下式要求
式中尬、尬--作用于危险滑弧面上的总滑动力矩(kN·m)，设计值和抗滑力矩(kN·m)
标准值；
K一抗力分项系数，其取值应根据地区经验加以调整。
下面对第一种基坑失稳情况简要分析。
一、支护结构稳定人土深度的验算
支护结构的稳定入土深度采用极限平衡法计算确定。作用在支护结构上的土压力分布为：基坑外侧一般可采用主动土压力，基坑内侧坑底以下取被动土压力。当入土深度较大时，在反弯点至支护结构底端可考虑反弯点下土的约束作用。
悬臂式围护结构和锚撑式围护结构的稳定入土深度可参阅本章第二节极限平衡法的计算。
二、基坑抗隆起稳定
随着深基坑逐步向下开挖，坑内外的压力差不断增大，就有可能发生基坑坑底隆起现象。特别在软粘土地基中开挖时很容易发生基坑底土向上隆起现象。由于坑内外地基土体的压力差，使墙背土向基坑内推移，造成坑内土体向上隆起，坑外地面下沉的变形现象，控制这种现象发生的验算大致根据两种假定，即临界滑动面假定和地基极限承载力假定。
1．临界滑动面假定
如图2-19在开挖面下假定一个圆弧滑动面。根据在滑动面上土的抗剪强度对滑动圆弧中心的力矩与墙背开挖面标高以上土体重量(包括地面荷载)对滑动中心的力矩平衡条件，计算隆起的安全度。转动中心的位置通常认为可定在基坑最下一道支撑与围护墙的交点处。
设滑动半径为2，则滑动力矩
抗滑力矩
抗隆起安全系数
式中7--墙背开挖面以一k土的平均重度；q地面荷载；
(1)Terzaghi-Peck方法
如图2-20，当开挖面以下形成滑动面时，由于墙后土体沉，使墙后土在竖直面上的抗剪强度得以发挥，减少了在开挖面标高上墙后土的垂直压力，其值可按下式估算
相应的垂直分布力为
在饱和软土中土的抗剪强度采用萨0，S。一C，地基极限承载力为尺一5．7C，由此可以得到抗隆起的安全系数
式中y--墙背开挖面以上土的平均重度；
C--土的内聚力；
K--抗隆起安全系数，K≥1．5。
(2)考虑C、9值的承载力方法
同济大学侯学渊教授等人提出了考虑C、P值的地基承载力的稳定验算方法。该方法在土体墙体中包括了C、驴的因素，同时参照普朗特尔(Prandtl，1920年)和泰沙基(Terzaghi，1950年)的地基承载力公式，并假定以板桩底平面作为求极限承载力的基准面，如图2-21所示。墙背在围护墙底平面上的垂直荷载：P。一L(H+D)+9；墙前在围护墙底平面上的垂直荷载：P。一托D；在极限平衡时，墙前地基极限承载力：尺一y6DⅣ。+CⅣ，由此可以得到地基抗隆起的安全系数
式中 以，％--分别为墙后和墙前土的平均重度；
三、坑底渗流稳定验算
1．渗流稳定
在地下水丰富、渗透系数较大(渗透系数≥10 cm／s)的地区进行支护开挖时，通常需要在基坑内降水。如果围护短墙自身不透水，由于基坑内外水位差，导致基坑外的地下水绕过围护墙下端向基坑内渗流，这种渗流产生的动水压力在墙背后向下作用，而在墙前(基坑内侧)则向上作用，当动水压力大于土的水下重度时，土颗粒就会随水流向上喷涌。在砂性土中，开始时土中细粒通过粗粒的间隙被水流代出，产生管涌现象。随着渗流通道变大，土颗粒对水流阻力减小，动水力增加，使大量砂粒随水流涌出，形成流砂，加剧危害。在软粘土地基中渗流力往往使地基产生突发性的泥流涌出。以上现象发生后，使基坑内土体向上推移，基坑外地面产生下沉，墙前被动土压力减少甚至丧失，危及支护结构的稳定。验算抗渗流稳定的基本原则是使基坑内土体的有效压力大于地下水向上的渗透力。图2-22是Terzaghi-Peck方法的计算简图。设围护墙在开挖面以下的埋入深度为D，墙下端宽度为D／2范围内的平均超静水头为h，作用在土体b-c-d-e下端的渗透力u一h，土体的有效应力户一y7D，则抗渗流稳定的安全度K为
抗渗流稳定所要求的插入深度
式中-水重度；
在墙下端D／2宽度范围内的平均超静水头h。是变化的，需要通过绘制流网图确定。作为一种略算法，如图2-22，取沿围护墙的最短流线a-b-c b来求墙下端的水头替代h。(矗，为开挖面以上产生水力坡降的土层厚度)：设平均水力坡度为i，i=h／(+2D)，则
将式(2-35b)代入式(2-35)可得
式(2-35c)中的安全系数K应大于1．2；h。取开挖面以上至透水性良好的土层，如松散填土，中、粗砂，砾石等底面之间的距离，对于土层可取0．7～1．Oh。
2．承压水的验算
如图2-23在不透水的粘土层下，有一层承压含水层，或者含水层中虽然不是承压水，但由于土方开挖形成的基坑内外水头差，使基坑内侧含水层中的水压力大于静水压力。此超静水压力向上浮托开挖面下粘土层的底面，有可能使开挖面上抬，或者承压水携带土粒沿围护墙内表面和基坑内桩的周围与土层接触处的薄弱部位上喷，形成管涌现象。当发生这种情况时，同样会导致基坑外的周围地面下沉。
对于这种情况，Tschebotarioff的验算方法是：
设下部含水层顶面与围护墙背面的水位差为H=h1-t，粘土层的饱和重度为比；，水的重度为k，则抵抗承压水上托力所需要的粘土层厚度为：≥y。／L，因为H=h-t，所以上式可改写为
在下面有承压透水层的粘土中开挖时，基底隆起通常是突发性的和灾难性的。为了防止这种现象发生，基坑底部任一点的空隙水压力不宜超过该点总压力的70％。若以此引入一个安全系数，则式(2-36)可改写为
式中K--安全系数，取K一1．43。
当不满足式(2-37)时，应把围护墙加深到下部不透水层中；或者在承压含水层中降水，以减少含水层的水压力。
3．管涌验算
当基坑位于砂土地基时，即，≤10的土层内时，应进行抗管涌验算。实验证明管涌首先发生在离坑壁大约等于板桩入土深度一半的范围内。为简化计算近似地按邻近板桩的最短路线计算。最大渗流力
不发生管涌条件为
如基坑以上为透水性好的土层(土、砂土等)，则流经该层的水头损失可忽略不计，)，～h≈o，式(2-38a)可改写为
四、基坑整体稳定性验算
1．边坡稳定
所谓边坡稳定是指防止基坑边坡上的部分土体脱离整体而沿着某一个面向下滑动所需要的安全度。在放坡开挖的基坑中需要控制边坡稳定，在没有支护结构的基坑中，当地基深部存在软弱土层时，也需要防止在围护墙底以下可能产生的深层滑动面。
(1)砂性土的边坡稳定
砂性土边坡的坡角小于土的内摩擦角时，通常就不会产生滑坡，由边坡上土体的平衡关系可以得到砂性土稳定的安全系数为
由式(2-39)可知，在砂性土中边坡稳定只取决于坡角的大小，而与坡的高度或土体的重量无关。
当地下水位高于基坑开挖面时，需要考虑动水压力对边坡稳定性的影响。此时土柱的抗滑安全度为(推导略)
式中b，h，Q--分别为单位长度土柱的宽度，土柱在水位线以下的高度，土柱的自重；
i--水位线以下土柱部分平均水力梯度(可由流网图确定)。L--水的重度。
若渗透力等于零，则T。=0，此时式(2-39a)与式(2-39)相同。
(2)粘性土边坡的稳定
在粘性土中，边坡失稳时的滑动面近似于圆弧，滑动体绕某个中心向下带旋转性的滑动，在这种情况下的边坡稳定通常采用条分法分析。条分法的基本假定是：
①边坡失稳时，滑动体沿着一个近似于圆筒形的滑动面下滑。但当地基有软弱夹层时，可按实际可能发生的非圆弧滑动面验算。
②考虑平面问题。在实际工程中，可根据地基情况、边坡形状和地面荷载基本相同的原则，把边坡分成几个区段，在每个区段中选取有代表性的断面作为计算段面。
边坡滑动面可以有很多个，其中最可能产生滑动的危险面要通过试算才能确定。具体步骤可参阅有关手册。
2．整体稳定性验算
整体稳定性验算可用毕肖甫法，其安全系数公式为
第四节 基坑开挖中的变形计算
基坑问题过去都作为地下室施工的一种施工措施，围护设计由施工单位考虑，通常按强度和稳定来计算，以不倒能满足旋工要求为目的。随着建设的发展，尤其在建筑群中间，基坑设计的强度和稳定性仅是必要条件，很多场合主要控制条件是变形。基坑的变形计算比较复杂，而且不够成熟。有关基坑变形控制的要求可参见《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-4297)中的规定。这里主要就与基坑开挖有关变形验算作简单介绍。
一、回弹和抗隆起验算
深基坑开挖工程几乎都会有不同程度的回弹。如有的工程在施工中基坑失去稳定，在失稳前会发生较大的隆起，因此研究由于基坑开挖而引起的回弹(弹性隆起)，直至最后基坑失稳的内在规律以成为重要的课题之一。
同济大学侯学渊教授等人利用室内三轴仪的拉伸试验模拟基坑开挖时的土体卸荷与隆起变形，采用先拉伸后压缩试验模拟基坑开挖后建造基础及上部结构再压缩变形过程，通过实验提出了确定割线膨胀模量E，及割线压缩模量E的方法，进而提出了以下三种计算方法，即实用计算法、经验公式和有限单元法。
1．实用计算法
基坑开挖时土体隆起量按下式计算
式中E。一一第i层土体的割线再压缩模量；
m--基坑顶面荷载，即建筑物传下的荷载。
2．经验公式法
实用于地下连续墙
式(2-42)考虑了开挖深度H，入土深度t，地面超载q，土性c、认y等因素，先进行单项因素与隆起量关系的研究，最后通过数理统计而得出。单项研究结果表明：隆起量与基底平面处的荷载成正比；入土深度增大，隆起量减小；开挖深度增大，隆起量也增大；隆起量与t／H成曲线关系；隆起量随土体重度增加而增加，而随c、妒值的增加呈负指数减少。式(2-42)综合考虑了多种因素，特别是墙体入土深度因素，经与上海基坑工程实测值对比，较符合实际情况。
由模型实验研究结果还可以得出在已知基底允许隆起量时，求墙体入土深度的经验公式曲
式中基底允许隆起量，其取值分别为：当基坑旁无建筑物或地下管线时取H／100；当基坑旁有建筑物或地下管线时取(0．2～0．5)H／100；当有特殊要求时取(0．04～0．2)H／100；当值≤0．5H／100时都需进行地基加固。
实践证明，式(2-42a)较实用于上海地区的地下连续墙工程。3．有限单元法
充分利用现代化的计算工具，将分层总和法和有限单元法同时结合应力感应图，综合考虑基坑外侧正荷载和基坑内负荷载对地基回弹的共同作用。中国兵器工业勘察设计研究院用此法对北京京城大厦深基坑回弹进行了分析研究计算。
二、基坑周围变形预估
1．重力式挡墙墙顶最大水平位移霸应通过计算确定。当无经验时，可按表2-8估算。
2．重力式挡墙后地面最大竖向沉陷
一般发生在紧靠墙后地面处，正常情况下其大小与墙顶最大水平位移如相当，地面变形区范围及其沉陷量可根据图2-24查得。
3．有支撑基坑周边地面变形与围护体系的整体刚度和主动区、被动区的土质有关，所谓整体刚度就是指构成围护体系备部分的刚度及其匹配。坑周地面变形曲线与挡土结构的弹性变形曲线的形态有密切关系。正常情况下曲线形态大致有以下四种情况：
(1)支撑刚度较弱，墙体插入深度较小，坑底土较弱，变形曲线形态如图2-25(a)所示，墙体最大位移"发生在根部；
(2)坑底土较弱，墙体插入深度较大，下支撑位置偏高时，变形曲线形态如图2-25(b)所示，墙体最大位移发生在坑底以上，地面最大沉陷5。发生在离墙体某一距离处；
(3)坑底土比较坚硬，下支撑位置偏高，变形曲线形态如图2-25(c)所示；
(4)坑底土比较软弱，下支撑位置较低，变形曲线形态如图2-25(d)所示，墙体最大位移发生在坑底以下。
4．墙后地面最大沉可根据墙体最大弹性变形占进行估算
其中，口是与基坑抗隆起安全系数和坑底土性质有关的系数，当抗隆起安全系数大于1．5时，一般粘性土地基a≈0．3～0．5，软弱地基d≈0．5～1．1。
墙后地面最大沉陷S发生的位置，一般在墙后(0～1／2)z区间内。2为地面沉陷影响区的距离，可按下式估算。
第三章 围护结构设计与施工
基坑围护结构可以分为桩(墙)式围护结构和重力式挡土结构两类体系。桩(墙)式围护结构的墙体厚度相对较小，靠墙体的埋入深度和支撑体系(或锚拉)抵抗墙后的水土压力。重力式围护墙的厚度一般较大，主要靠墙体的自重和埋入深度保持墙后土体的稳定。
常用的桩(墙)式围护结构有：地下连续墙、柱列式钻孔灌注桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩以及由间隔立柱和横板组成的挡土墙体等。采用连续搭接施工方法，把水泥土加固体组成的格栅形挡土墙属于重力式围护墙体系。
桩(墙)式围护结构一般由围护墙和支撑系统组成，其选型应综合考虑以下资料：工程水文地质资料；场地环境条件资料；所建工程的有关资料；与施工条件有关的资料。对于地下连续墙设计时还应根据不同的安全等级提供有关实验资料。这些资料的详细内容可参阅有关规程或规范。应本着安全、经济、便利施工和缩短工期的原则，通过方案比较确定。
基坑设计计算的主要内容可参阅第二章。围护桩(墙)的设计计算步骤如图3-1。
第一节 桩(墙)围护结构设计与施工
桩(墙)式围护结构一般应设置内支撑或坑外锚拉系统，设计应满足施工工艺及环境保护要求，保证其在使用过程中必须具备的强度、刚度、稳定性和抗渗性；且宜将钢筋混凝土围护墙作为主体结构的一部分加以利用。
在桩(墙)围护结构的顶部应设置沿基坑四周统长的连续圈梁，以增加墙体的整体工作性能。墙顶圈梁通常兼作第一层支撑(或锚杆)的围檩。当圈梁采用现浇钢筋混凝土时，圈梁宽度应大于墙体厚度，墙体顶端伸入圈梁底部的厚度应不小于50mm。钢板桩围护墙的顶部圈梁一般常用一对通长槽钢置于墙前，用螺栓与墙体连接。
当基坑深度不大(在地下水位较高的软土地区不超过4m)，环境条件允许有较大的变形时，可以采用不设支撑(或锚拉)的悬臂式围护墙。设计桩(墙)式围护结构时需要验算以下内容：
(1)围护结构(包括墙体、支撑或锚拉体系)和地基的整体抗滑动稳定性及墙体入土深度的确定。一般采用通过墙底的圆弧滑动面计算。
(2)基坑底部土体的抗隆起回弹、抗渗流或管涌稳定性验算。
(3)确定支撑系统的布置及架、拆撑顺序，进行支撑构件的内力、变形及稳定性计算。
(4)围护结构的内力和变形计算，通常采用弹性地基反力法计算，对于自立式围护墙以及单道支撑(或锚钉)的围护墙也可以采用极限平衡法计算。对于钢筋混凝土墙体，当采用弹性地基反力法计算时，墙体的抗弯刚度应乘以0．65～0．75的折减系数(预应力墙体除外)。对于有支撑(或锚拉)的围护结构当采用极限平衡法计算时，由于支撑(或锚拉)点假定为墙体的不动支点，因此墙体跨中最大弯矩计算值一般偏大，截面设计时应乘以0．6～0．8的折减系数。
(5)桩(墙)式挡土结构构件和节点构造设计。
(6)当必须严格控制施工引起的地面沉降时，分析和预估基坑开挖产生的墙体水平位移、墙脚下沉、坑底土隆起及降水等对墙背地层位移的影响，提出相应技术措施。
(7)围护墙作为主体结构的一部分时，应计算在使用荷载作用下的内力及变形。
设计时应根据桩(墙)式围护结构的使用目的，就其在施工和使用过程中的不同阶段可能出现的最不利内力，进行截面设计。构件承载力应满足下式
托S≤R (3-1)式中y。--围护结构的重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级基坑的围护结构，施工阶段分别取1．10、1．05、1．00；
5--内力组合设计值，各荷载作用下的内力组合系数取1．0，综合荷载分项系数一般 取1．20；
R--围护结构的承载力设计值。
围护墙一般按纯弯构件设计。对逆作法施工、兼作主体结构的侧墙或支撑采用斜锚杆时可按弯压构件设计。
现浇钢筋混凝土桩(墙)式结构的混凝土强度等级不得低于C20，也不宜大于C30；预制构件的混凝土强度等级不宜低于表3-1中的数值。围护墙结构采用自防渗时，墙体的抗渗等级不宜低于S6级。
钢筋混凝土桩(墙)式围护结构应根据使用目的和环境条件等确定其在外荷载作用下的最大裂缝宽度允许值。仅作为基坑支护时一般不作限制。作为主体结构使用时一般不大于0．2mm。当与内衬墙结合时，迎土面一侧一般不大于0．2mm，基坑面一侧不大于0．3mm。处于侵蚀环境等不利条件下的围护墙，其最大裂缝宽度允许值应根据具体情况另行确定。
一、柱列式钻孔灌注桩
利用并列的钻孔灌注桩组成的围护墙体由于施工简单，墙体刚度较大，造价比较低，因此在工程中用的较多。就挡土而言，钻孔灌注桩围护墙可用于开挖深度较大的基坑，但在地下水位较高地区往往由于隔水措旋失效而导致基坑事故的例子时有发生。因此当开挖深度较大而又缺乏有把握的隔水手段时，不宜采用钻孔灌注桩作为围护墙。
1．墙体构造
用于围护墙体的钻孔灌注桩一般直径不宜小于400～500mm(在饱和软土地层中取较大值)。人工挖孔桩的直径不应小于800mm。邻桩的中心距一般不大于桩径的1．5倍，在地下水位低的地区，当墙体没有隔水要求时，中心距还可以再大一些，但不宜超过桩径的2倍。为防止桩问土塌落，可采用在桩间土表面抹水泥砂浆或对桩间土注浆加固等措施予以保护。在地下水位较高地区采用钻孔灌注桩围护墙时，必须在墙后设置隔水帷幕。图3-2为采用不同隔水方法的钻孔灌注桩墙体构造。图3-2(a)由于旋工偏差，桩间的树根桩或注浆体往往难以封堵灌注桩的间隙而导致地下水流入基坑。因此在开挖深度超过5m时，必须慎重使用。其余几种形式的隔水帷幕效果相对比较可靠。隔水帷幕下端深度应满足地基土抗渗流稳定的要求。
墙体顶部圈梁构造如图3-3所示，当圈梁兼作支撑围檩时，其截面尺寸应根据静力计算确定，梁宽通常不宜小于支撑间距的1／6。圈梁顶面标高宜低于主体工程地下管线的埋设深度，以便于今后管线施工。
2．墙体截面计算
钻孔灌注桩墙体截面内力应根据支护结构静力计算确定，截面承载能力可按现行《混凝土结构设计规范》(GBJ10一89)中的圆截面受弯构件正截面受弯承载力计算。桩内钢筋笼通常全长配筋，也可根据弯矩包络图分段配筋，以节省锣。
3．墙体施工
柱列式钻孔灌注桩围护墙体可以采用一般钻孔，主桩施工机械和旖工规程中有关技术要求进行施工。
在钻孔时为了防止邻桩混凝土坍落或损伤，相疰位的施工间隔时间不应小于72h，实际施工时一般应采取每问隔3～5根桩位跳打方法。此在每一个跳打间隔内，总有一根桩是在左右已成桩的条件下嵌入施工。为了能使其正确就位要求围护桩的允许施工误差小于普通工程桩。桩位偏差应控制在正负30mm以内。桩身垂直度偏差小于1／200，桩径变化应控制在5／100以内。为此在地下水位较高的软土地区，当采用一般回转式钻机成孔时，除必须采用优质泥浆护壁外，钻杆直径不应小于89mm，最好采用114mm钻杆，必要时可在钻头上加配重，以保证成孔垂直度。此外，钻头旋转速度应控制在40～70r／min范围内，在淤泥土内应小于40r／min，在地层中的进钻速度应控制在4～5m／h以内。
二、钢板桩围护墙
钢板桩围护墙一般采用U形或Z形截面形状，当基坑较浅时也可采用正反扣的槽钢；当基坑较深，荷载较大时也可采用钢管、H钢及其它组合截面钢桩。
1．墙体构造
钢板桩的边缘一般应设置通长锁口，使相邻板桩能相互咬合成既能截水又能共同承力的连续护壁；国内常用U形钢板桩，其性能和特点可参阅有关手册。当采用钢管或其它型钢作围护墙时，在其两侧也应加焊通长锁口，如图3-4。带锁口的钢板桩一般能起到隔水作用，但考虑到施工中的不利因素，在地下水位较高的地区。环境保护要求较高时，应与柱列式围护墙一样，在钢板桩背面另外设水泥土之类的隔水帷幕。
钢板桩围护墙可以用于圆形、矩形、多边形等各种平面形状的基坑，对于矩形和多边形基坑在转角处应根据转角平面形状做相应的异型转角桩，如无成品角桩．可将普通钢板桩裁开后，加焊型钢或钢板后拼制成角桩。角桩长度应适当加长。
2．墙体截面计算
截面内力应根据支护结构静力计算确定，截面承载力按现行《钢结构设计规范》(GBJ17-88)计算。如图3-4相互咬合的钢板桩如能发挥整体作用，其截面性能指标要比单块钢板桩大得多。根据材料力学知识，此时截面中性轴应在咬合部位，截面最大剪应力也将产生在这一部位。但实际上这种咬合连接构造能否有效地传递剪力是有疑问的。根据有关实验资料表明，这种组合截面受力后，发现中性轴并不在咬合处，而是位于单块钢板桩上。对于围护墙，钢板桩的应力和变形是重要的控制参数，因此设计时应把整体截面的惯性矩和截面抵抗矩作适当折减后使用。
3．墙体施工
钢板桩通常采用锤击、静压或振动等方法沉入土中，这些方法可以单独或相互配合使用。桩前，现场钢板桩应逐块检查并分类编号，钢板桩尺寸的允许偏差应按下列标准控制：截面高度正负3ram；桩端平面平整≤3ram；
截面宽度(+10～一5)mm；长度挠曲1％。
阪桩边缘锁口应以一块长约1．5～2m同型标准锁口做通长检查，不合格时应予修正。经检验合格的锁口应涂上黄油或其它厚质油脂后待用。
当板桩长度不够时，可采用相同型号的板桩按等强度原则接长，通常先对焊，再焊接头加强板。打钢板桩应分段进行，不宜单块打入。封闭或半封闭围护墙应根据板桩规格和封闭段的长度事先计算好块数，第一块沉入的钢板桩应比其它的桩长2～3m，并应确保它的垂直度，否则应采取措施纠正。有条件时最好在打桩前在地面以上沿围护墙位置先设置导架，将一组钢板桩沿导架正确就位后逐根沉入土中，如图3-5。
钢板桩一般作为临时性的基坑支护，在地下主体工程完成后即可将钢板桩拔出，但是在拔出钢板桩时容易引起周围地基土体的侧向位移和沉降，从而影响周边环境安全，发生这种情况的原因主要是：
(1)主体工程完成后，基坑内四周回填土没有充分填实，板桩拔出后将使坑壁土体卸载而变形；
(2)拔钢板桩时，粘着在钢板桩内表面的土体随之带出，在土中形成宽度相当于板桩截面高度，深度接近于板桩长度的空隙，此空隙很难用常规方法填实。根据近年来的实践经验，在这种情况下采用跟踪注浆的办法效果较好。具体做法有两种：第一，沿着拔桩方向在钢板桩外侧土中事先插入注浆管，待板桩起拔后随即通过临近的注浆管往土层中压浆，使浆液充填钢板桩留下的空隙；第二，在钢板桩起拔后，随即在桩位孔中插入套好布袋或塑料袋的压浆管直至空隙底部，而后马上压浆，浆液使布袋(或塑料袋)膨胀而充填空隙。
三、钢筋混凝土板桩
钢筋混凝土板桩的截面尺寸应根据受力要求按强度和抗裂计算结果确定，并满足打桩设备的能力。
墙体一般由预制钢筋混凝土板桩组成，当考虑重复使用时，宜采用预制的预应力混凝土板桩。桩身截面通常为矩形，也可以用T形或工字形截面。
1．墙体构造
板桩两侧一般做成凹凸榫，如图3-6。也有做成z形缝或其他形式的企11缝。阳榫各面尺寸应比阴榫小于5mm。板桩的桩尖沿厚度方向做成楔形，为使邻桩靠接紧密，减小接缝和倾斜，在阴榫一侧的桩尖削成45～60。的斜角，阳榫一侧不削。角桩及定位桩的桩尖做成对称形。矩形截面板桩宽度通常用50～80cm，厚度25～50cm。T形截面板桩的肋后一般为20～30cm，肋高50～75cm，混凝土强度等级不宜小于C25，预应力板桩不宜小于C40。考虑沉桩时的锤击应力作用，桩顶都应配4～6层钢筋网，桩顶以下和桩尖以上各1．0～1．5m范围内箍筋间距不宜大于10Omm，中间部位箍筋间距250～300mm。当板桩打入硬土层时，桩尖宜采用钢桩靴加强，在榫壁内应配构造钢筋。
在基坑转角处应根据转角的平面形状做成相应的异型转角桩，转角桩或定位桩的长度应比一般部位的桩长1～2m。
2．墙体截面计算
截面内力根据支护结构的静力特征由计算确定，并应考虑板桩在起吊和运输过程中产生。的内力。截面承载力应按现行钢筋混凝土设计规范确定。
3．墙体施工
钢筋混凝土板桩通常采用锤击、静压和振动等方法沉入土中，这些方法可以单独使用，也可以相互配合使用，打桩前应根据围护墙的水平总长度和板桩规格事先确定所需要的板桩数量。沉桩应分段进行，不应单独打入。定位桩应确保它的沉桩垂直度，否则应采取纠正措旋。其它板桩在定位桩打好后，以此沿着导架逐块打入土中。
第二节 重力式围护墙的设计与施工
基坑工程中的重力式围护墙，一般是指厚度较大的水泥土墙体，用特殊的深层搅拌机械，在地面以下就地把土与水泥强行搅拌，形成柱状的加固体，并采用连续施工的搭接方法可以把柱状加固体组成墙体，用在基坑中。由于它的材料强度比较低，主要是靠墙体的自重平衡墙后的土压力，因此常常将其作为重力式挡土墙对待，这种围护墙体适用于软土地基，但不宜在有较多碎石、砖块及其它有机质杂物的填土层中使用。
水泥土墙作为基坑的支护结构有以下优点：
(1)水泥土加固体的渗透系数比较小，一般不大于10cm／s。因此墙体有良好的隔水性能，不需要另作防水帷幕；
(2)水泥土支护墙一般采取自立式的，不加支撑，所以开挖较方便；
(3)水泥土墙体的工程造价比较低，当基坑开挖深度不大时，其经济效益更为显著。水泥土围护墙的主要缺点是：
(1)由于水泥土墙体的材料强度比较低，不能适应支撑力的作用，所以一般都采用自立式的结构体系，这样基坑的位移量就比较大，在环境保护要求较高的情况下采用时必须十分慎重；
(2)墙体材料强度受施工因素影响导致成墙质量的离散性比较大，由于施工设备、施工管理和施工操作上的原因，往往不能保证水泥(或水泥浆)与土搅拌得很均匀而影响加固体的强度。一般情况下，粉喷桩质量的离散性比搅拌桩更大。
根据上海地区的使用经验，在地下水位较高的软土地区，用水泥土围护墙的基坑开挖深度不宜超过7m。当基坑开挖深度在5m以下时，可以获得较好的技术经济效果。
一、水泥土墙体的构造
如图3-7，水泥土围护墙一般设计成格栅形，截面置换率一般为0．7～0．8，并应满足下式Fy≤CU (3-7)式中F--每个格子的土体面积；
y--格子内土体的自然重度；c--格子内土体的内聚力；U--格子内土体的周长(m)。根据大多数国产设备规格，双钻头的搅拌桩钻机一次可成型直径700mm的‘8‘字形柱
状体，如图3-7。粉喷桩钻机一般每次成型直径500mm圆柱体。组成墙体时，邻桩的搭接长度不宜小于20cm。
为增加墙体的整体性，在墙顶浇注厚度不小于15cm的混凝土压顶。一般在压顶内配垂8@150×150的钢筋网。同时在每根桩的桩顶应预留一根直径10mm的插筋浇入压顶。有时在墙体的前后排桩体中插毛竹。墙体的厚度及插入深度应根据工程地质条件由计算确定。当基坑开挖深度小于5m时，一般可按经验选取墙后等于0．6～0．8倍开挖深度，在开挖面以下的插入深度取0．8～1．2倍开挖深度。
二、水泥土围护墙体的验算项目
1．作用荷载
水、土压力及地面荷载对墙体的作用可按第二章方法计算，或者参阅有关规范和规程。2．墙体材料力学指标
影响水泥土加固体强度指标的主要因素有：水泥掺入量、原状土性质、土体含水量、施工质量以及养护期等。虽然目前水泥土在地基处理及围护结构中用得相当普遍，但对这种材料的力学性能尚缺乏系统的和具有足够数量的试验或统计资料，所以对这种材料国内还没有统一的或规范的力学计算指标。
根据上海地区的经验，当水泥参量为加固体中重量的12％～15％时，加固体的无侧限抗压强度的变化范围是0．5～4．0MPa，在多数情况下q一0．7～2．0MPa；材料抗拉强度drt一0．15～0．25q；变形模量E一100～150q；加固体的粘聚力C一0．2～0．3q；内摩擦角妒一20。～40。
3．墙体的内力和变形计算
水泥土围护墙体的内力和变形可以按第二章所述的极限平衡法或弹性地基反力法计算，同时需考虑墙底的垂直地基反力对内力和变形的影响。墙体截面应力应满足下式
4．抗倾覆验算
如图3-8验算墙体绕前趾A的抗倾覆安全系数
式中Ⅳ--墙体自重；
K--抗倾覆安全系数，K≥1．2。其余符号见图3-8。
5．抗滑移验算
验算墙体沿底面滑动的安全系数
式中K--抗滑安全系数，K≥1．2；
式(3-3)、式(3-4)是目前水泥土围护墙常用的稳定验算公式，实际上是借用了重力式挡土墙的稳定验算方法。但是在软土地区，当土的抗剪强度较小时，用这两个公式计算，常常会发现墙体的埋置深度愈大，抗倾覆和抗滑移的安全系数愈小的不正常情况。为此建议可按以下思路考虑：传统的重力式挡土墙埋置深度一般较浅，但水泥围护墙的埋置深度较大(与板式围护墙基本相同)，因此可以假定在极限状态时的土压力作用下，墙体绕开挖面以下某点作刚体转动。稳定验算可参考前面第二章介绍的方法。
6．其它验算项目
对于水泥土围护结构，还应与其它形式的围护结构一样，要按第二章所述方法验算边坡稳定，沿墙内边坑底土抗隆起、抗渗流以及坑底土有承压水作用时的抗隆起等。
三、水泥土围护墙的施工要点
无论是搅拌桩墙体还时粉喷桩墙体，施工的关键问题是要保证水泥和土体搅拌均匀，并且要确保与邻桩搭接长度。这两个问题直接影响着墙体的材料强度和抗渗性能。
1．搅拌桩墙体的施工要点
(1)搅拌机械就位对中后，启动搅拌机，把钻头沿着导向架边旋转边沉入土中。控制好下沉速度，使土体充分破碎。
(2)钻头下沉到设计深度后，提升15～20cm，开启砂浆泵，把准备好的水泥浆压入土中，边喷浆边提升钻头。压浆过程中不得发生断浆情况。压浆速度与钻头的提升速度应该匹配，使得核定的浆量均匀分布在桩身全长范围内。钻头提升速度y也可由下式确定
式中Q--砂浆泵排浆速度；7，7--水泥浆和土的重度；A一加固体的截面积；泥掺量与加固体土重的百分比，一般情况下10-12％～15％，当采取两次压浆时取p／2。
a--浆液的水灰比。
一般情况下，每分钟钻头的提升速度不宜大于0．5m。
(3)为使土和水泥浆搅拌均匀，应把额定的压浆量分两次均匀分布在桩身全长范围内。即在第一次压浆提升到地面后，再将钻头边旋转边沉入土中，到设计深度后，再沿桩全长压浆提升。
(4)水泥浆液的水灰比不宜大于0．5。
(5)桩位偏差小于5cm，桩体垂直度小于l％。
(6)相邻桩体的施工间隔不宜超过12h，每一施工段应连续作业。
2．粉喷桩墙体的施工要点
粉喷桩墙体是用压缩空气把干水泥以雾状喷入加固体，通过钻头旋转与地基深层的原状土充分搅拌均匀而形成。它的施工过程和施工要求基本上和搅拌桩墙体相同。
(1)粉喷搅拌机就位对中后，启动搅拌机使钻头边旋转下沉，控制好下沉速度，以便把原状土充分破碎。
(2)钻头下沉到设计深度后停钻，再启动搅拌机使钻头反向旋转，然后通过送灰装置把水泥定时定量地喷入被搅动的土体中。在钻头反向旋转的过程中边送灰边提升，使土和水泥充分搅拌混合。送灰装置应附有计量装置，以便随时测定喷出的水泥重量。喷粉时，钻头每旋转一周的上提量以1～1．5cm为宜。
(3)为使土体与水泥均匀混合，应把核定的水泥用量分两次均匀喷送在桩体的全长范围内。在第一次喷灰提升到桩体顶面后，再把钻头边旋转边沉入土中，到设计深度后再自下而上沿桩体全长喷灰提升。
(4)应采用新鲜干燥的水泥施工，禁用受潮、结块水泥，以防堵塞喷嘴。
(5)桩位偏差应小于5cm，垂直度不超过1％。
(6)相邻桩体的搭接长度不小于20cm，旋工间隔时间不应超过2h。每一施工段应连续作。
第三节 地下连续墙的设计与施工
地下连续墙是通过特殊手段在地下构筑的连续墙体，常用于挡土、截水、防渗和承力等。地下连续墙作为深基坑施工方法之一，近几年来得到迅速发展，在日本已成为最主要的基坑支护措施。
一、地下连续墙的类型
根据施工工艺不同，地下连续墙可分为桩排式、槽段式、预制拼装式和组合式等：根据制作材料又可分为钢筋混凝土、混凝土、粘土、劲性骨架水泥加固土和其它一些材料制成的地下连续墙。其中钢筋混凝土地下连续墙应用最为普遍。钢筋混凝土地下连续墙按其成槽、成孔工艺的不同，又可划分为钻、抓、冲、挖等几种。常用地下连续墙的分类形式及基本特点见表3-2。
二、地下连续墙的设计
地下连续墙的设计除应满足前面围护结构的有关要求外，还应包括如下内容：
(1)单元槽段的平面形状及成槽长度；
(2)槽段之间的接头型式及接头设计；
(3)作为主体结构的一部分时，与梁、板等水平构件的连接型式及构造设计；
(4)作为主体结构的一部分时，与内衬墙的结合方式及构造设计。
地下连续墙的厚度应由计算确定，并与成槽机械的能力相适应。一般情况下现浇钢筋混凝土地下连续墙的厚度可选用600～1000mm；预制钢筋混凝土地下连续墙的厚度不宜大于500mm。
地下连续墙及其构筑物作为基础设计的极限状态分以下两类：
(1)承载能力极限状态，对应于地下墙及其坑槽地基达到最大承载能力或局部、整体失稳不适于继续承载的状态。
(2)地下墙和坑槽地基达到土木工程正常使用所规定的变形限值或耐久性要求的某项限制。地下连续墙及其构筑物应根据其自身和影响范围内建筑物的安全等级，按承载能力极限状态与正常使用极限状态的要求，分别进行计算和观测。
三、地下连续墙的施工
地下连续墙的施工应考虑对周围环境的保护要求，主要有：成槽及开挖过程中对邻近建筑物、构筑物和地下管线的影响；施工过程中噪音、振动以及废弃泥浆等对居民和市容的影响。
(1)导墙的修筑精度(宽度、平直度、垂直度和标高)和强度对成槽施工质量有直接影响，高质量的导墙是高质量槽段的基础，常用的导墙形式如图3-9所示。导墙一般采用现浇?昆凝土、预制钢筋混凝土等修筑，混凝土标号不宜小于C20，深度一般1～2m，墙顶高出施工地面0．1～0．2m，遇特别松散易垮的杂填土层时，要穿过该层坐落于较密实的粘土层上。导墙背侧回填粘土并夯实，不漏水不漏浆。地下水位较高时，可适当提高导墙面高度，保证泥浆液面高出地下水位不小于1．Om，以保护槽壁稳定。导墙内墙面平行于地下连续墙轴线，对轴线距离的允许偏差一般在正负10mm以内。导墙现浇昆凝土拆模后，应立即在墙问加撑。养护期间，重型机械不能在导墙旁行走，导墙旁不能堆放重物，防止导墙变形、开裂和移位。
(2)挖槽旋工要使用符合要求的泥浆，以保持槽壁的稳定，泥浆的性能指标可参阅表3-3。泥浆密度一般控制在1．08～1．25k9／L，在特别易垮的砂层可提高至1．30～1．40k9／I。施工结束后，槽内泥浆密度控制在1．10～1．15k9／L，槽底部泥浆密度不宜大于1．25kg／L，粘度不宜小于20s。
(3)合理划分单元槽段长度，以减少墙体接头，提高其刚度和防渗能力。单元槽段的长度一般根据土质稳定情况，地下水活动情况，墙体附近地面的静荷载和动荷载情况，钢筋笼的整体尺寸、质量、刚度、起重机械的能力，混凝土供应能力和浇灌时间，接头位置的设置等因素综合考虑选取。一般为4～6m，国外一般为5～8m。
(4)采用挖斗挖槽施工。在软土地层，挖槽速度根据挖斗的容量、升降速度及现场运土能力合理选定，一般为4～10m3／h；在硬粘土层或Ⅳ值大于40的砂土层，宜采用"两钻一抓"法挖槽，防止挖斗吃土阻力不均衡，造成槽段或槽壁偏斜或凸凹不平，以保证槽段开挖的垂直度。采用回转施工，挖槽施工速度根据砂石泵的排量和墙厚取4～10m3／h。旋工要充分注意土质和地下水情况对槽壁稳定的影响(如表3-4)，并经常进行槽壁稳定验算。
槽段开挖结束后，进行清槽换浆，槽底沉淀物淤积厚度不大于200mm。槽段长度允许偏差为正负50mm，厚度允许偏差为正负10mm，深度允许偏差小于等于10Omm，垂直度偏差小于等于1／150。
(5)地下连续墙接头类型多种多样，有接头管、接头箱、楔形接头、隔板式接头和插入式接头等。接头构件形式的选择，最主要的是能保证墙段之间的可靠连接，不渗漏，能传递单元之间的受力而不变形，旖工操作便利等。接头构件入槽前，要用钢刷对槽壁进行上下拉刷，除去槽壁泥皮附淤，钢刷的形式及刷毛要适应槽壁及接头形状。
(6)钢筋笼的制作要充分考虑堆放、装卸、运输、插放等作业过程中可能产生的弯曲或变形，整体尺寸应根据槽段尺寸和起重能力来考虑，最好能制作成一整体。为增加刚度，每榀钢筋笼设置不小于3根竖向龙骨筋，直径不小于16mm，面层剪刀筋直径不小于20mm。安放灌注导管的位置，其周围要增设箍筋及连接筋加固。钢筋笼的垂直度，在地面以上可用仪器检测，入槽后检测比较困难。因此需要分段吊放入槽的钢筋笼，可在上下段的钢筋笼上设置若干精确的垂线，并在导墙顶部确定一水平面，下段入槽的钢筋笼保持垂线与水平面互成直角，然后将上段钢筋笼垂线对准下段钢筋笼垂线后焊接，再插放入槽。要防止钢筋笼碰撞槽壁，造成壁面坍塌，槽底产生大量沉渣。
第四章 撑锚结构设计与施工
支撑和锚拉(简称撑锚)是基坑支护结构的主要组成部分，也是基坑设计中的重要内容，锚撑材料和结构形式的选择，不仅直接关系到土方开挖和基坑安全，而且对基坑的工程造价和施工周期影响很大。
撑锚结构设计一般应包括以下内容：材料选择和结构体系的布置；结构的内力和变形计算；构件的强度和稳定验算；构件的节点设计；结构的安装和拆除设计。
撑锚结构设计时还应注意以下问题：
(1)撑锚体系一般只实用于由钢和混凝土材料组成的墙式和桩式围护结构，如钢板桩、混凝土钢板桩、柱列式钻孔灌注桩和地下连续墙等。对于水泥土围护墙，由于墙身材料强度较低，不宜加设撑锚。
(2)撑锚结构必须采用稳定的结构体系和可靠的连接构造，锚撑体系应具有足够的刚度。对于安全等级为一级的基坑内支撑，除应满足承载力要求外，还应满足变形的要求。
(3)撑锚结构形式应力求荷载传递路线简单，受力明确，施工方便，常用结构形式有单层或多层平面支撑体系和竖向斜撑体系。
(4)撑锚体系应结合土方开挖方式，尽可能为土方作业创造条件。
(5)撑锚结构布置不应妨碍主体结构的施工。
(6)撑锚材料的设计强度、弹性模量和线膨胀系数等物理力学指标，以及撑锚构件的变形、稳定和截面承载力验算应符合国家现行《钢结构设计规范》(GBJ17-88)和《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)的规定。
一般情况下，在撑锚结构上不考虑施工机械运行和材料堆放等作用。当必须利用撑锚构件兼作施工平台或栈桥时，或采取逆作法施工时，应进行专门的设计。
第一节 内支撑材料的选择
内支撑材料主要有：木材、钢材和钢筋混凝土等材料。除了一些小型基坑有时采用木支撑外，目前在一般的建筑工程和市政工程的基坑中都采用钢结构或钢筋混凝土结构体系。有时在一个基坑中也有将钢和混凝土支撑混用的情况。钢结构支撑和混凝土结构支撑的优缺点如表4-1。
对于水泥土围护墙，由于它的材料强度和变形模量比钢和混凝土低得多，一般情况下不适宜设置支撑。在特殊情况下，需要对水泥土墙体架设支撑时，除了应验算节点处的墙体强度外，还应对墙体和支撑锚点部位采取加强措施。
柱列式或桩墙式围护结构，墙体厚度通常较小，而且在水平方向往往是不连续的，必须靠撑锚结构才能建立起整体刚度。此外挡土结构所受的外力作用也不同于其它结构，除了场地的岩土工程性质外，还受到环境条件、施工方法、时空效应等诸多因素的影响，往往会产生常规计算难以预估的意外变形。撑锚结构的设计必须适应上述的特殊情况，因此必须采用稳定的结构体系和可靠的连接构造。避免采用由于局部构件失效而有可能波及全体的结构体系。通常采用多次超静定结构形式，其目的是即使局部构件失效也不致影响整个支撑结构的稳定。
第二节 内支撑体系选型和布置
内支撑体系的选型和布置应根据下列因素综合考虑确定：
(1)基坑平面的形状、尺寸和开挖深度；
(2)基坑周围环境保护和临近地下工程的施工情况；
(3)场地的工程地质和水文地质条件；
(4)主体工程地下结构的布置，土方工程和地下结构工程的施工顺序和施工方法；
(5)地区工程经验和材料供应情况。
一般情况下支撑结构的形式有平面支撑体系和竖向斜撑体系。平面支撑体系由腰梁(或围檩)、水平支撑和立柱组成。平面支撑体系可以直接平衡支撑两端围护墙上所受到的部分侧压力，且构造简单，受力明确，适用范围较广。但当构件长度较大时，应考虑弹性压缩对基坑位移的影响。此外，当基坑两侧的水平作用力相差悬殊时，围护墙的位移会通过水平支撑而相互影响，此时应调整支护结构的计算模型。水平支撑可用对撑或对撑桁架，斜角撑或斜撑桁架，边桁架及八字撑等形式组成的平面结构体系，如图4-1所示。平面支撑体系整体性好，水平力传递可靠，平面刚度较大，适合于大小深浅不同的各种基坑。
竖向斜撑体系的作用是将围护墙上侧压力通过斜撑传到基坑开挖面以下的地基上。
竖向斜撑体系由竖向斜撑、腰梁(或围檩)和斜撑基础以及水平连系杆及立柱等构件组成，如图4-2。竖向斜支撑要求土方采取"盆式"开挖，即先开挖基坑中部土方，沿四周围护墙边预留土坡(即放坡开挖)，待斜撑安装后再挖除四周土坡。对于平面尺寸较大、形状不很规则，但深度较浅的基坑采用竖向斜撑体系施工比较简单，也可节省支撑材料。但是墙体位移受到坑内土坡变形、斜撑的弹性压缩以及斜撑基础变形等多种因素的影响。为此土方施工和支撑安装必须保证其对称性。
一、平面支撑体系
1．平面布置
支撑布置要注意不妨碍主体工程施工，通常支撑轴线平面位置应避开主体工程的柱网轴线。相邻支撑之间的水平距离不宜小于4m，当采用机械挖土时不宜小于8m。各层支撑端部与围护墙之间一般都应设置腰梁。当为地下连续墙时，如果在每个槽段的墙体上有不少于两个支撑点，可用设置在墙体内的暗梁代替腰梁。
(1)钢结构支撑平面布置
因为钢腰梁和围护墙之间的水平力传递性能较差，不宜采用斜角撑或斜撑桁架为主体的体系，一般情况下应优先采用相互正交、均匀布置的对撑或对撑桁架体系。后者可以为土方开挖留出较大的作业空间。对于宽度不大的长条形基坑，可以采用单向布置的对支撑体系，水平支撑体系可参见．图4-3和图4-4。
当相邻支撑之间水平距离较大时，为减少腰梁的计算跨度，可在支撑端部设置八字撑，八字撑应左右对称，长度不宜大于9m，与腰梁夹角以60。为宜。沿腰梁长度方向上的支撑点(包括八字撑)间距不宜大于4m，以减少腰梁的截面尺寸。
(2)混凝土支撑平面布置
混凝土支撑除可以采用钢支撑的布置方式外，根据具体情况还可以采取以下布置方式：①平面形状比较复杂的基坑可采用边桁架和对撑或斜角撑组成的平面支撑体系。边桁架可以加强支撑体系的整体刚度，提高腰梁的水平抗弯能力，布置在基坑形状复杂的区段，可方便支撑布置。边桁架的矢高不宜大于12m，在其两端支座处应设置对撑或斜角撑加强。②在基坑平面中需要留设较大作业空间时，可采用边桁架和对称桁架或斜撑桁架组成的平面支撑体系；对于规则的方形基坑可采用布置在基坑四角的斜撑桁架所组成的平面支撑体系。在布置对撑桁架或斜撑桁架时，要注意避免使支撑两端受到相差悬殊的侧压力。因为在这种情况下，支护结构容易产生不对称的变形，导致部分构件或局部节点受到事前没有估计到的内力和变形而提前破坏。
2．竖向布置
在基坑垂直平面内，根据需要可以设置一道或多道支撑。具体数量应根据开挖深度、地质条件和环境保护要求等因素由计算确定。在地下水位较高的软土地区，基坑深度小于8m时，可设置1道支撑；基坑深度为10～16m时，可设置2～4道竖向支撑。
支护结构水平支撑数量可参考表4-2。
当有多道支撑时，上、下各层水平支撑轴线应尽量布置在同一竖向平面内，竖向相邻支撑的净距离不能小于3m，采用机械挖土时不能小于4m。
为了不妨碍主体工程结构施工支撑顶面与地下室楼盖梁底面或楼板底面之间的净距离不宜小于300mm，当支撑和腰梁位于地下室竖向承重构件(如柱子或混凝土墙)的垂直平面时，支撑底面与地下室底板顶面之间的净距离不应小于600mm。
一般情况下应利用围护墙的顶圈梁作为第一道支撑的腰梁。当第一道支撑标高低于墙顶圈梁时，应另设腰梁，但在软土地区不宜低于自然地面以下3m，在其它地区也不宜超过4m。此时应考虑支撑设置前围护墙所产生的初始位移对支护结构各个计算工况的影响。在不影响地下室底板施工的情况下，最下面一道支撑的标高应尽可能降低，以改善支护结构的受力性能。
各层水平支撑通过立柱形成空间结构，加强了水平支撑的刚度，对控制支护结构的位移起有效作用。但立柱的下沉或由于坑底土回弹而上抬，以及相邻立柱间的差异沉降等因素，而导致水平支撑产生次应力，同时削弱支护结构的刚度，因此立柱应有足够的埋入深度。通常应尽可能结合主体结构的工程桩设置，并与工程桩整体连接，一次沉桩。
立柱应布置在纵横向支撑的交点处或桁架式支撑的节点位置上，并要避开主体工程梁、柱及混凝土承重墙的位置。立柱的间距应根据支撑构件的稳定要求和竖向荷载的大小确定，一般情况下不宜小于15m，立柱下端应支撑在较好的土层上，开挖面以下的埋入长度应满足支撑结构对立柱承载力和变形的要求。
二、竖向斜撑体系
竖向斜撑体系通常应由斜撑、腰梁和斜撑基础等构件组成。如图4-2。斜撑宜采用型钢或组合型钢截面。
斜撑坡度应与土坡的稳定边坡一致，斜撑与基坑底面之间的夹角一般不宜大于35，在地下水位较高的软土地区不宜大于26。为防止开挖面以下墙前土体被动抗力受到斜撑基础上水平作用力的影响而降低，斜撑基础边缘与围护墙内侧之间距离不小于墙体在开挖面以下埋入深度的1．5倍(如图4-2)。
在不影响主体结构施工的前提下，斜撑应尽可能沿腰梁长度方向均匀对称布置，水平方向的间距不宜大于6m。在基坑的角部可辅以布置水平支撑。当斜撑长度超过15m时，应在斜撑中部设置立柱，并在立柱与斜撑的节点上设置纵向连系杆。
斜撑与腰梁、斜撑与基础以及腰梁与围护墙之间的连接应满足斜撑水平分力和垂直分力的传递要求。
三、混合支撑体系
利用前述两种基本支撑体系，可以演变成其它支撑形式。如"中心岛"方案，类似竖向斜撑方案，先在基坑中部放坡挖土，施工中部主体结构，然后利用完成的主体结构安装水平支撑或斜撑，再挖除四周留下的土坡。在特殊情况下，同一个基坑里也可同时布置两种支撑形式，如图4-5。
"中心岛"方案可以充分利用主体工程，加强基坑围护结构的整体刚度，尤其对大型基坑可方便支撑布置和施工，节省支撑材料。
第三节 支撑结构的设计与施工
一、荷载及内力计算
作用在支撑结构上的竖向荷载，除了自重以外，还应考虑一定数量的施工活荷载，一般可取4kPa。当支撑结构需要兼作旋工作业平台或栈桥时，应进行专门设计。
作用在支撑结构上的水平荷载，主要是由围护墙传来的由坑外地表荷载和水、土压力和坑外地面荷载引起的围护墙对腰梁的侧压力和支撑预加压力。当支撑长度大于40m时，应考虑温度变化对支撑轴向力的影响。对于钢结构支撑，当实际建立的预加压力值大于由地表荷载和水土压力所引起的轴向力的50％时，应考虑预压力对支撑轴向力的影响。
支撑结构计算模型的尺寸取支撑构件的中心距。对于现浇混凝土支撑构件考虑到使用时有裂缝产生，所以抗弯刚度应乘以0．8～0．9折减系数。对于钢结构腰梁，当采用分段拼装或拼接点的构造不能满足截面的等强度连接要求时应把拼接点作为铰接考虑。
当支护结构采用空间模型分析时，支撑结构的内力和变形可直接采用其计算结果。当支护结构采用简化的平面计算模型分析时，一般只给出单位墙段长度在腰梁上的分布反力，在这种情况下，支撑结构的内力和变形可以按以下方法确定：
1．形状比较规则的基坑，采用相互正交的支撑体系时，各支撑构件的内力可以按以下方法确定：
(1)支撑轴向力可以近似采用围护墙在腰梁上的水平分布力沿支撑长度方向上的投影乘以中心距。在垂直荷载作用下的内力和变形可以近似按单跨或多跨梁分析，其计算跨度取相邻立柱中心距；
(2)腰梁在水平分布力作用下的内力和变形，可近似按多跨或单跨水平梁分析。计算跨度一般情况下可取相邻支撑点中心距。
2．较为复杂的平面支撑体系，宜对每层支撑用空间杆系模型进行分析。计算模型的边界可以做如下假定：
(1)支撑与腰梁、支撑与立柱的节点处，以及膜梁的转角处设置竖向约束，防止计算模型竖向移动；
(2)如果沿腰梁四周并与腰梁长度方向正交的水平荷载不是均匀分布时，需要在适当位置上设置防止计算模型整体平移或转动的假想水平约束。由于在假想约束中会产生水平反力，影响支撑结构的实际内力，因此假想水平约束应设置在对主要构件内力影响最小的位置上，总数量应尽量少。这是因为在实际结构中，约束支撑结构水平位移的构件是四周的围护墙，其约束反力就是支护结构内力分析时得出的在支撑位置上的水平分布反力。所以在假想水平约束中的反力在实际结构中是不存在的。
在斜撑安装前，作用在墙背的水土压力通过围护墙，部分由墙前开挖面以下的地基抗力承受外，其余的侧压力与墙前预留土坡的被动抗力相平衡。在斜撑安装后，并挖除了墙前土坡，此时墙背的部分水土压力通过墙体传到腰梁上，再由腰梁传给斜撑，并通过斜撑传给基础。作用在基础上的斜撑轴向力可以分解为垂直和水平方向两个分力，垂直分力由基础底面的地基反力平衡，水平分力通常由基础压杆与基坑对面斜撑基础上的水平分力相平衡。当具备下列条件之一时，也可不设基础压杆。①斜撑基础支承在基岩上，水平分力可由基底与基岩之间的摩擦力平衡。②允许利用地下室底板兼作斜撑基础时。⑧主体工程采用群桩，斜撑基础与主体结构整体铺设的混凝土垫层整浇时，此时垫层厚度不宜小于15cm，强度等级不小于C15级。采用斜撑体系时，支护结构的内力和变形也可以用平面支撑体系的简化平面计算模型进行分析。当需要考虑支撑与墙体的变形协调时，应考虑斜撑基础位移的影响。④对于采用边桁架、斜撑桁架等构件组成的较为复杂的平面支撑体系，宜对每层支撑用三维杆系模型分别进行计算。在计算模型中，对于支撑与腰梁的节点处、立柱和支撑的节点处，以及腰梁的转角处应设置竖向铰支座或弹簧。
3．在围护结构简化的平面计算模型中，考虑支撑与围护墙之间的变形协调时，其变形协调方程可分别按下列情况采用：
(1)在水、土压力及地面荷载作用下的变形协调方程为
式中P--围护墙在单位长度腰梁上的水平反力；K。--支撑在腰梁长度方向上的折算弹簧系数；--支撑两端沿支撑长度方向上的墙体水平位移之和；
A--支撑的截面积，对于桁架式对撑或斜撑取桁架的两根弦杆截面积之和；E--材料弹性模量；
5---支撑在水平方向的中心距；L--支撑全长；
曰--支撑与腰梁之间的夹角。
(2)考虑环境温度变化影响时的变形协调方程为当环境温度升高时
当环境温度下降时
式中只--由于温度变化引起围护墙在单位长度腰梁上的水平反力；d--支撑材料的线膨胀系数；
--施工期间的环境温度变化，根据施工工期、施工季节及地区的季节和昼夜温度变化确定；
∽--由于温度变化在支撑两端沿支撑长度方向上产生的墙体水平位移之和。
z--支撑长度。
(3)当需要考虑支撑预加压力的影响时，可将预压力作为外荷载，把施加预压力后和继续向下开挖之前的围护结构工作状态作为一个独立工况进行分析。此时不计该层支撑的截面特征。
4．支撑构件的截面承载力应根据围护结构在各个施工阶段荷载作用效应的包络图进行计算，其承载力表达式为
F--支撑构件内力的组合设计值，各项荷载作用下的内力组合系数均取1．0；R--按现行国家的有关结构设计规范确定的截面承载力设计值。
一般情况下，腰梁的截面承载力计算可按水平方向的受弯构件计算。当腰梁与水平支撑斜交，或腰梁作为边桁架的弦杆时，还应按偏C,受压构件进行验算，此时腰梁的受压计算长度可取相邻支撑点的中心距。
支撑应按偏心受压构件计算。截面的偏心弯矩除由竖向荷载产生的弯矩外，还应考虑轴向力对构件初始偏心距的附加弯矩。构件截面的初始偏心距可取支撑计算长度的2％o～3％，对于混凝土支撑不宜小于20mm，对于钢结构支撑不宜小于40mm。
支撑的受压计算长度按以下规定确定：在竖向平面内取相邻立柱的中心距；在水平面内取与计算支撑相交的相邻横向水平支撑的中心距。对于钢结构支撑，当纵横向支撑不在同一标高上相交时，其平面内的受压计算长度应取与计算支撑相交的相邻横向水平支撑中心距的1．5～2．0倍。
当纵横向水平支撑交点处未设置立柱时，支撑的受压计算长度按以下规定确定：．在竖向平面内，现浇混凝土支撑取支撑全长，钢结构支撑取支撑全长的1．2倍；在水平面内取与计算支撑相交的相邻横向水平支撑或连系杆中心距的1．0～1．2倍。斜角撑和八字撑的受压计算长度在两个平面内均取支撑全长。现浇混凝土支撑在竖向平面内的支座弯矩可以乘以0．8～0．9的调幅系数折减，但跨中弯矩应相应增加。
5．立柱应按偏心受压构件计算。开挖面以下立柱的竖向和水平承载力可按单桩承载力的计算方法验算。
立柱截面上的偏心弯矩应包括以下各项：竖向荷载对立柱截面形,的偏心弯矩；使水平支撑纵向稳定所需要的横向作用力对立柱验算截面的力矩；土方开挖时，作用于立柱的单向土压力对验算截面的弯矩。立柱受压计算长度取竖向相邻水平支撑中心距。最下一层支撑以下的立柱计算长度取该层支撑中心线至开挖面以下5倍立柱直径(或边长)处之间的距离。支撑构件的长细比应不大于75；连系构件的长细比应不大于120；立柱的长细比应不大于25。
目前在实际工程中，大多数基坑支护结构的内力和变形都采用平面杆系模型进行计算。在这种情况下，通常把支撑结构视为平面框架另行分析，即将支撑结构从支护结构中截离出来，在截离处加上相应的支护结构内力，以及作用在支撑上的其它荷载，用平面杆系模型进行分析。为简化计算，加在截离处的内力通常只考虑由支护结构静力计算确定的沿腰梁长度方向正交分布的水平反力，对于其它的内力(或变形)则通过设置约束来代替。约束的性质、数量和位置应根据其对主要支撑构件内力和变形影响最小的原则确定。这样的假定虽然会对计算结果带来一定的误差，但由于支护结构的平面杆系模型本身就是近似的，对支撑结构采用很精确的计算模型就无多大意义了。当必须加设水平支撑时，通常宜设置在基坑平面的转角处，以避免计算模型产生"漂移"现象，这样处理虽然可能使腰梁的轴向力不符合实际情况，但在设计时只要把握腰梁主要是受弯构件这一概念就容易处理了。如果沿基坑四周与腰梁长度方向正交的水平反力是均匀分布的，而且在计算平面内的支撑刚度分布也是均匀的，在这种情况下，通常可不必设置水平方向的约束。
二、内支撑结构的构造与联结
支撑结构，尤其是钢支撑结构的整体刚度更依赖构件之间的合理连结构造。支撑结构的设计，除确定构件截面外，还需重视节点的构造设计。
1．钢结构支撑的构造
钢支撑和钢腰梁的常用截面有钢管、H钢、工字钢和槽钢，以及它们的组合截面，如图4-6。
节点构造是钢结构支撑设计中需要充分注意的一个重要内容，不合适的连接构造容易使基坑产生过大变形。
钢结构支撑构件的拼接应满足截面等强度的要求。常用的连结方式有焊接和螺栓连接，图4-7是H钢和钢管的几种拼接方法。其中图4-7(a)为螺栓连接，图4-7(b)为焊接。焊接连接一般可以达到截面等强度要求，传力性能较好，但现场工作量很大。螺栓连接的可靠性不如焊接，但可方便现场拼装。为减小节点变形，宜采用高强螺栓。构件在基坑内的接长，由于焊接条件差、焊缝质量不易保证，通常采用螺栓连接。
钢腰梁的截面形式如图4-8。对于钢腰梁的现场拼装，无论采用哪一种连接方法，由于受到操作条件限制，很难使腰梁在拼接点处的全截面强度得到发挥，尤其在靠围护墙一侧的翼缘连接板较难施工，影响整体性能。所以在设计时应把安装节点设置在内力较小的位置上，同时在可能条件下应尽量增加现场安装段的长度。在腰梁内力分析时应把安装节点作为铰接处理。
由于围护墙表面通常不十分平整，尤其是钻孔灌注桩墙体，为使腰梁与围护墙接合的紧
密，防止腰梁截面产生扭曲，在腰梁与围护墙之间采用细石混凝土填实，如图4-9。
如缝宽较大时，为了防止所填充的混凝土脱落，缝内宜放置钢筋网。
用H钢作腰梁时，虽然在它的主平面内抗弯性能很好，但抗剪和抗扭性能较差，需要采取合适的构造措施加以弥补。
当支撑和腰梁斜交时，或者对于承受较大轴向力的角撑，需要考虑把沿腰梁长度方向的水平分力通过有效途径传给围护墙体，对地下连续墙可通过预埋钢板，钻孔灌注桩则通过钢腰梁的焊接件，其构造如图4-10所示。通常钢腰梁和混凝土墙体之间传递水平剪力的能力是有限的。因此在斜交的情况下，当支撑轴向力较大时不宜采用钢腰梁。
纵横向水平支撑交叉点的连接有平接和迭接两种。一般来说，平接节点比较可靠，可以使支撑体系形成较大的平面刚度；迭接(即相应的腰梁在基坑拐角处不在同一平面处相交)连接施工方便，但是这种连接能否有效限制支撑在水平面内的压屈变形是值得怀疑的。一般应在转角处的腰梁端部采取加强的构造措施。
2．现浇混凝土结构支撑的构造
现浇钢筋混凝土支撑及腰梁一般采用矩形截面。支撑的截面高度除应满足受压构件的长细比要求外(不大于75)，不应小于其竖向平面内计算跨度(一般取相邻立柱中心距)的1／20，腰梁的截面高度(水平向尺寸)不应小于其水平方向计算距度的1／8，腰梁的截面宽度(竖向尺寸)不应小于支撑的截面高度。整个混凝土支撑体系应在同一平面内整浇。
支撑和腰梁内的纵向钢筋直径不应小于16mm，沿截面四周纵向钢筋的最大间距应小于200mm。箍筋直径不小于8ram，间距不大于250mm。支撑的纵向钢筋在腰梁内的锚固长度不宜小于30倍的钢筋直径。
混凝土腰梁与围护墙之间不留水平间隙。对于地下连续墙与混凝土腰梁的结合面通常不考虑传递水平剪力。当基坑形状比较复杂，支撑与腰梁斜交时，应在墙体上沿腰梁的长度方向预留经过验算的剪力钢筋或剪力槽，如图4-11。墙体剪力槽的高度一般与腰梁截面相同，间距150～200mm，槽深50～70mm。
3．立柱构造
立柱的长细比应不大于25。立柱截面可以采用型钢或组合型钢。一般情况下，在基坑开挖面以上宜采用格构式钢柱，以方便主体工程基础底板钢筋施工，同时也便于和支撑构件连接。立柱在开挖面以下部分可以用与开挖面以上相同截面的钢柱，当主体工程采用灌注桩或挖孔桩时，宜把上部钢柱插入灌注桩或挖孔桩内，插入长度不小于钢柱边长的4倍，并一次成桩。有条件时应尽可能利用工程桩支承上部钢立柱。为了防止立柱沉降或坑底土回弹对支撑结构的不利影响，立柱的下端应支承在较好的土层上。在软土地区，立柱在开挖面以下的埋置深度不宜小于基坑开挖深度的2倍。当主体工程桩不为钻孔灌注桩时，为方便施工，也可采用截面不小于350mm×350mm的H型钢或钢管。
立柱与水平支撑连接可采取铰接构造，但连接件在竖向和水平方向的连接强度应大于支撑轴向力的I／50，以保证支撑构件的稳定。当采用钢牛腿连接时，钢牛腿的强度和稳定应通过计算确定。
三、支撑构件的截面承载力验算
支撑构件的截面承载力应根据各个施工阶段中最不利的荷载组合作用效应进行验算。
1．腰梁截面验算
腰梁的截面承载力一般情况下按受弯构件验算。当支撑与腰梁斜交时，还应验算偏心受压时的截面强度，此时构件的受压计算长度取内力分析时的计算跨度。
对于按连续梁计算的钢筋混凝土腰梁，支座负弯矩可以考虑塑性变形内力重分布，乘以调幅系数0．8～0．9，但此时梁的跨中正弯矩应相应增加。
2．水平支撑截面验算
水平支撑的截面承载力通常应按偏心受压构件验算。在竖向平面立柱计算长度取相邻立柱的中心距；在水平面内的受压计算长度取与计算支撑相交的相邻横向水平支撑的中心距；对于钢支撑，当纵横向支撑不在同一标高上相交时，其平面内的受压计算长度取与之相交的相邻横向水平支撑中心距的1．5～2．0倍。
支撑截面上的偏心弯矩除由竖向荷载所产生之外，还应考虑轴向力对构件初始偏心距所引起的附加弯矩。构件的初始偏心距可取支撑计算长度的2‰～3‰，对于混凝土支撑不宜小于20mm，钢支撑不宜小于40mm。
现浇混凝土支撑在竖向平面内的支座弯矩可以乘以0．8～0．9的调幅系数折减，但跨中弯矩应相应增加。
3．立柱截面验算
立柱截面承载力应按偏心受压构件验算。其受压计算长度取竖向相邻水平支撑中心距，最下一层支撑以下的立柱受压计算长度取该层支撑中心线至开挖面以下5倍立柱直径(或边长)处之间的距离。
除了截面承载力验算外，开挖面以下的立柱尚应按单桩承载力的计算方法验算立柱的竖向和水平承载力。
4．竖向斜撑体系截面验算
竖向斜撑体系应验算以下项目：
(1)预留土坡的边坡稳定验算，稳定安全系数不宜小于1．5。
(2)斜撑截面承载力，可近似按轴心受压构件验算，受压计算长度(当不设立柱时)取支撑全长。
(3)腰梁截面承载力验算同水平支撑体系中心腰梁验算方法。
(4)斜撑基础验算，按天然地基上浅基础的设计方法验算其竖向承载力。
(5)基础压杆可近似按轴心受压构件验算截面承载力。
四、支撑结构的施工要点
支撑的安装和拆除顺序必须与支护结构的设计工况相符合，并与土方开挖和主体工程施工顺序密切配合。所有支撑应在地基上开槽安装，在分工开挖原则下做到先安装支撑，后开挖下部土方，在同层土开挖过程中做到边开挖边安装支撑。在主体结构底板或楼板完成后，并达到一定的设计强度，可借助底板或楼板构件的强度和平面刚度，拆除相应部位的支撑，但在此之前必须先在围护墙与主体结构之间设置可靠的传力构造，如图4-12所示。传力构
件的截面应按楔撑工况下的内力确定。当不能利用主体结构楔撑时，应按楔撑工况下的内力先安装好新的支撑系统后，才能拆下原来的支撑系统。一般情况下，在区段的土方挖好后，对于钢结构支撑应在24～36h内发挥作用，对于混凝土结构支撑应在48～72h内开始起作用。对于混凝土支撑的施工应遵循现行的钢筋混凝土旋工规程。一般应在混凝土强度达到设计强度的80％后，方可开挖支撑面以下的土方。混凝土支撑拆除一般采取爆破方法或其它破碎方法，爆破作业应由专业单位操作，事先应做好施工组织计划，严格控制药量和引爆时间，并做好安全防护措施，以免支撑坍落时受到损伤。位于城市道路旁的基坑，爆破时应临时封闭交通。当采取分区拆除支撑时，应注意未拆区段支撑的整体性和稳定性。
对于钢结构支撑，必须制订严格的质量检验措施，保证构件和连接节点的施工质量。根据场地条件、起重设备能力和具体的支撑布置，尽可能在地面把构件拼装成较长的安装段，以减少在基坑内的拼装节点，钢腰梁的坑内安装段长度不宜小于相邻4个支撑点之间的距离。拼装点宜设置在主支撑点位置附近。支撑构件穿越主体工程中底板或外墙板时，应设置止水片，如图4-13。
钢支撑在安装就位后，应按设计要求旋加预压力，有条件时应在重要支撑上设置计量千斤顶，这样可以防止预压力松弛。当逐根加压时，应对邻近支撑预压力采取复校。当支撑长度超过30m时，宜在支撑两端同时加压。支撑预压力不宜小于支撑轴向力的30％，也不宜大于80％。
利用主体结构换撑时，地下室外墙与围护墙之间的换撑传力构造可以采用厚度不小于300mm的现浇混凝土板块或者短撑，如图4-12。短撑截面应按传力大小由设计确定。对于钻孔灌注桩围护墙，当每根围护桩都设置相应的短撑时，可不设腰梁。
第四节 锚杆设计与施工
岩体和土层的锚固是一种把受拉杆件埋入地层的技术。岩土锚杆能充分发挥岩土能量，谓用和提高岩土的自身强度和自稳能力，大大减轻结构物自重，节约工程材料，并确保施工安全与工程稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而世界各国都在开发利用这门技术。岩土锚固技术几乎遍及土木建筑领域的各个方面，如边坡、基坑、隧洞、地下工程、坝体、碉头、海岸、桥梁、高耸结构及悬索建筑的拉力型基础等，如图4-14。锚固技术的分类参见匿4-15。
本节主要就土层锚固的设计与施工作简要介绍。
土层锚杆有临时性和永久性之分，用于基坑工程中的一般是服务年限为2年以下的1靥时性土层锚杆。目前土层锚杆技术已能施工长达50m以上，在粘性土中抗拔力可达1000kN，在非粘性土中可达2500kN。被锚固的挡土墙可达40m以上。由于它发展迅速，并已成为一项新的施工技术。许多国家先后制定了土层锚杆规范，西欧已开始制订统一的欧洲标准规范。但是土层锚固技术和其它地基加固技术一样，它的发展主要不是依靠理论上的突破，而是大量采用实践的施工经验，故理论研究往往落后于施工实践。
一、土层锚杆的构造
土层锚杆是一种受拉构件，如图4-16。土层锚杆一般由锚固段、自由段和锚头三部分组成。锚固段是土层锚杆在土中以摩擦力形式传递荷载的部分，它由水泥、砂浆等胶结物以压浆形式注入钻孔中凝固而成的。其中有受拉的锚杆(钢筋或钢丝束等)，它的上部连接自由段，自由段不与钻孔土壁接触，仅把锚固力传到锚头处。锚头是进行张拉和把锚固力锚碇在结构上的装置，它使结构产生锚固力。
锚固于砂质土、硬粘土层并要求较高承载力的锚杆，宜采用端部扩大头型锚固体；锚固于淤泥质土层要求较高承载力的锚杆，宜采用连续球体型锚固体。
锚杆上下排间间距不宜小于2．5m；锚杆水平方向间距不宜小于1．5m。锚杆锚固体上覆土层厚度不应小于4．5m，锚固段长度不应小于4．Om。倾斜锚杆的倾角不应小于13，并不大于45，一般以15。～35。为宜。锚杆体材料宜选用钢铰线或精轧螺纹钢筋，当设计轴力较小时，可采用Ⅱ级或Ⅲ级钢筋。
二、锚杆计算
1．截面和长度计算
锚杆预应力筋的截面面积按下式确定
式中N，--锚杆设计轴向拉力值；
q一土体与锚固体间粘结强度标准值，一般由试验确定，无试验条件时可参考表4-4 选取。
2．基坑锚杆护壁的整体稳定性检算
锚杆有多种破坏形式，当依靠锚杆保持结构系统稳定的构筑物，设计时必须仔细校核各种可能的破坏形式，因此除了要求每根锚杆必须能够有足够的承载力之外，还必须考虑包括锚杆和地基在内的整体稳定性。通常认为锚固段所需的长度是由于承载力的需要，而锚杆所需的总长度取决于稳定的要求。
以基坑锚杆护壁的整体稳定性为例，其检算可以采用图解法分析墙面与锚固段之间的土体稳定性。现对三种不同情况分述如下：
(1)在均质土中的锚杆护壁稳定分析
图4-17(a)表示一个在均质土中锚杆护壁的锚固区土体受力情况，图中HF为挡土墙的墙面；AREQm为设计所需要的锚杆拉力；D为有效锚固段的中点；P为HF墙面上所受的主动土压力；P为CD竖直面上所受的主动土压力；FD为锚固区土体的下滑动面；CD为锚固区土体的后方边界；C，为FD滑面上的粘聚力(一CL)；C为FB滑面上的粘聚力(一cFB)；妒为土的内摩擦角。
图4-17(b)表示锚固区土体处于极限平衡条件时的力多边形。其中P、W、C、R、C五个作用力的方向和数值均可计算确定，R。和A的数值未知，但其方向已定。因此从这个力多边形的闭合图中可以求得A，即这个锚固土体所能提供的锚杆最大拉力。如果AR刚D<a，则锚固土体是稳定的，其抗滑安全系数为>< p>
Kh-Apos／AREQD (4-6)为了保证安全，Kn应不小于1．5。如果Kn<1．5，则应加长锚杆并重新检算。在这个计算中，如果FD的倾角小于P，则不计算活荷载的影响。
(2)在分层土中锚杆护壁稳定分析
图4-18(a)表示一个在分层土中锚杆护壁的锚固区土体受力情况。土层1为饱和粘土，其单位粘聚力为C一0；土层2为砂土，其内摩擦角为纯，Cz-O，在这种情况下，滑面FD应分为FG和GD两段。GD面上的反力为R-，粘聚力为C，一CL；FG面上的反力为尺，粘聚力C一0，其它符号的意义同前。
图4-18(b)表示锚固区土体处于极限平衡条件时的力多边形。其中Ⅳ、C、Pn五个作用力的方向和数值均可计算确定，R、R和A的数值未知，但方向均已定，由此可求得月，并可得抗滑安全系数K一A／A附D。
(3)多层锚杆护壁的稳定性分析
对于多层锚杆护壁，应自上而下对每一层锚杆滑面的稳定性逐层进行分析检算。各层锚杆滑面如图4-19所示。当检算任何一层滑面时，其所需的锚杆拉力应为该滑面以上各层锚杆拉力的总和。
三、锚杆设计与施工
土层锚杆设计应考虑以下因素：
第一，使用年限在2年以内的锚杆称为时性锚杆，超过2年时间的锚杆称为永久性锚杆。
第二．土层锚杆的锚固体截面积和长度直接影响土层锚杆的承载力。通过试验表明：在饱和软土中土层锚杆承载力与锚固段长度和直径成正比关系。
第三，锚杆钢筋(或钢丝束)和水泥砂浆强度的确定，在设计荷载作用下，应考虑锚固砂浆产生的裂缝宽度和裂缝间距的控制。
第四，设计土层锚杆拉力由锚固体与土体间摩阻力确定，在实际工程应用时应进行现场抗拔试验，确定其极限承载力。
1．基坑支护锚杆的设计程序(见图4-20)。
(1)锚杆头部设计
锚杆头部是构筑物与拉杆的连结部分，为了能够牢固地将来自结构物的力得到传递，一方面必须保证构件本身的材料有足够强度，相互的构件能紧密固定；另一方面又必须将集中力分散开，为此锚杆头部需对台座、承压板及紧固器三部分进行设计，如图4-21实际现场施工条件不同，设计拉力不同，必须根据每一个工况点的不同情况进行个别设计。
构筑物与拉杆方向不垂直时，需要用台座作为拉杆受力调整的插座，并能固定拉杆位置，防止其横向滑动与有害的变位，台座用钢板或混凝土做成。
为使拉杆的集中力分散传递，并使紧固器与台座的接触面保持平顺，钢筋必须与承压板正交，一般采用20～40mm厚的钢板。
拉杆通过紧固器的紧固作用将其与垫板、台座、构筑物贴紧并牢固联结。如拉杆采用粗钢筋，则用螺母或专用的连结器，焊螺丝端杆等。
(2)拉杆设计
拉杆是锚杆的中心受拉部分。从锚杆头部到锚固体尾端的全长即是拉杆的长度。拉杆的全长(L)实际上包括有效锚固长度(L，)和非锚固长度(L)两部分。有效锚固长度(即锚固体长度)主要根据每根锚杆需承受多大的抗拔力来决定；非锚固段长度(亦称自由长度)应按构筑物与稳定地层之间的实际距离决定。
拉杆材料的选择应根据具体施工条件决定。拉杆截面设计需要决定每根拉杆所用钢拉杆的钢材规格和根数。并需根据钢棺杆的断面形状及灌浆管的尺寸决定钻孔的盲径。例如：根
据作用于侧壁上的土压力计算设计拉力一支点反力一216kN，如采用5号螺纹钢筋，受拉无疲劳现象时。采用允许应力18kN／cm2，则需钢筋截面为
采用2根28组成的锚杆钢筋束
2×6．18-12．36cm(合适)
为了保证钢筋周围有足够的砂浆保护层，沿钢筋长度每隔1．5～2．0m焊一个支架是很需要的。钢拉杆插入钻孔时，如需将灌浆管同时插入，则钻孔的直径必须大于灌浆管与钢筋及支架高度的总和。
(3)锚固体设计
锚固体是锚杆尾端的锚固部分，通过锚固体与土之间的相互作用，将力传递给地层。锚固力能否足够保证构筑物的稳定要求是锚杆技术成败的主要关键。因此在决定锚杆拉力和钻孔直径后，要计算有效锚固长度。
土层锚杆应根据锚固段地层抗拔力的需要而决定。锚杆极限抗拔力目前较多采用的计算式为
式中R一摩擦抵抗力；
R一一土压抵抗力，只有当锚固体有足够的扩大头时才能计算(有建议按桩基承载力 公式或按旁压仪求得)(kN／m2)；
A--土压作用面积(m2)；
计算时的r值可参考提供的土层抗拔力参数进行初步设计，由于r值受到很多复杂因素的影响，具体的71。值必须依靠现场抗拔试验验证之后，才能成为完全的设计。
应该指出的是，并不能与锚固长度L成直线比例增长，因为摩擦力分布随抗拔力的增加而变化，有资料认为，长度在10m以内时采用计算式(4-7)的估算是合适的；式(4-7)中R，与R，的最大值并不能同时出现，因R，与R，和位移量有关。实际上的T<rf+r，因此对于r、q的取值一般要采用最大值与终值之问的平均值为宜。>< p>
(4)斜土锚的设计计算简图(On图4-22)
第一层斜土锚的高度宜在填土层以下，以防钻孔时发生坍孔。斜土锚的自由长度2，应是位于土体滑裂面内的锚杆长度，当斜锚与地面成夹角口时，根据图4-22中所示锚杆与破裂面及支护结构构成的三角关系可求得
斜锚的锚固段长度应进入到较硬的持力层中，锚固段和长度不应小于4m，锚固段的长度由锚杆设计拉力值及锚固段土体摩阻力强度决定
式中F--单锚允许抗拔力(kN)；
K--安全系数，根据锚杆破坏后的危险程度确定，对于永久性锚杆K一1．8～2．2，对于临时性锚杆K一1．4～1．8；
为了避免群锚作用降低单锚承载力，锚杆水平间距一般为1．5～4．0m，上下层锚杆间距不宜小于2．5m，锚杆的倾斜角一般取15～25以保证充分利用锚杆的水平力。
2．锚杆的施工
锚杆的施工工艺流程如图4-23。实践表明，施工技术的关键是二次灌浆，土锚的关键是锚固段与土体的摩擦力，其值与锚固段和周围土体的挤密、粘结度有关。多次试验表明，用通常的一次注浆工艺，其承拉力较低；如果在水泥砂浆呈初凝状态时再在其底部注入水泥浆，使水泥浆挤入土体，即能增加土体对锚固段的法向应力，从而较大地提高土锚的承拉力。二次注浆其承拉力一般为一次注浆法的2倍，且徐变大大减少，因而，土锚杆在饱和软粘土中得到广泛应用。
为保证锚固段工作可靠，锚固段应埋置一定深度，即应在土壁稳定坡线以下。
通过试验测得，土层锚杆在早期荷载作用下的变形：当试验荷载为极限荷载的70％时，10h内位移趋向稳定，其最大位移值为1mm；当试验荷载为极限荷载的70％～86％时，在20h内位移趋向稳定，其最大位移值为3mm。
(1)土层锚杆钻孔。在钻孔前，根据设计要求和土层条件，定出孔位，作出标记。锚杆水平方向孔距误差不应大于50mm，垂直方向孔距误差不应大于100mm。钻孔底部的偏斜尺
寸不应大于锚杆长度的3％，可用钻孔测斜仪控制钻孔方向。锚杆孔深不应小于设计长度，也不宜大于设计长度的1％。钻孔作业应作好记录。
(2)采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋作锚杆杆体时，杆体组装前钢筋应平直、除油和除锈。Ⅱ、Ⅲ级钢筋的接头应采用焊接的搭接接头，焊接长度为30d，且不小于500mm，并排钢筋的连接也应采用焊接。沿杆体轴线方向每隔1．0～2．0m应设置一个对中支架，保证杆件保护层厚度不小于10mm。排气管应与锚杆杆体绑扎牢固。杆体自由段应用塑料布或塑料管包裹，与锚固体联接处用铅丝绑牢。
(3)当采用钢铰线或高强钢丝作锚杆杆体时，钢铰线或高强钢丝应除油污、除锈，严格按设计尺寸下料，每股长度误差不大于50mm。钢铰线或高强钢丝应该按一定规律平直排列，沿杆体轴线方向每隔1．0～1．5m设置一个隔离架，杆体的保护层不应小于1．0cm，预应力筋(包括排气管)应捆扎牢固，捆扎材料不宜用镀锌材料。杆体自由段应用塑料管包裹，与锚固段相交处的塑料管管口应密封并用铅丝绑紧。
(4)锚杆杆体安放应注意：杆体放入钻孔之前，应检查杆体的质量，确保杆体组装满足设计要求。安放杆体应防止杆体扭压、弯曲，注浆管宜随杆体一同放入钻孔，注浆管头部距孔底宜为50～100mm，杆体放入角度应与钻孔角保持一致。杆体插入孔内深度不应小于锚杆长度的95％，杆体安放后不得随意敲击，不得悬挂重物。
(5)锚杆注浆材料应该根据设计要求确定，一般宜选用灰砂比1：1～1：2，水灰比0．33～0．45的纯水泥砂浆或水灰比为0．40～0．45的纯水泥浆，必要时可以加入一定量的外加剂或掺合料。注浆浆液应搅拌均匀，随搅随用，浆液应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入浆液。注浆作业开始和中途停止较长时间，再作业时宜用水或稀水泥浆润滑注浆泵及注浆管路。孔口溢出浆液或排气管停止排气时，可停止注浆。浆体硬化后不能充满锚固体时，应进行补浆。注浆体的设计强度不应低于20MPa，传递锚固力的台座的承压面应平整，并与锚杆的轴线方向垂直。
建筑基坑工程设计计算与施工（一）