1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

随着高层建筑的不断增加,市政建设的大力发展和地下空间的开发利用，产生了大量的深基坑支护设计与施工问题，并使之成为当前基础工程的热点与难点。

深基坑设计与施工是土力学基础工程中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，同时还涉及土与支护结构的共同作用问题。对这些问题的认识及其对策的研究，是随着土力学理论、测试技术、计算技术以及施工机械、施工技术的发展而进步完善的[1]。

在毕业设计的这个环节中，我们将复习、巩固、加深所学的基础理论和专业知识，全面的理解并构建工程全况的框架，综合运用所学知识解决工程实际问题。

在李老师的指导下，我们收集毕业设计所需资料，阅读文献资料，合理选择基坑支护方案，熟悉基坑支护设计内容、设计规范以及规程，掌握设计参数的合理选取，支护结构的设计和计算，独立完成毕业设计任务书的内容和工作量。

早期的基坑支护只是作为施工单位进行地下工程的施工而采取的一项临时性辅助措施，随着基坑开挖规模和深度的增加，基坑工程越来越复杂，基坑工程设计已经涵盖勘察、支护结构的设计、降水设计（地下水控制）、土方开挖方案设计、监测和环境保护方案设计等一系列内容[2]。

深基坑支护的传统施工方法是板桩支撑系统或板桩锚拉系统，其优点是材料可以回收，缺点是支撑往往是在开挖之后施加的，拔出板桩时又会引起土体的进一步变形。目前经常采用的主要基坑支护类型有:

（1)水泥土深层搅拌桩支护，其优点是采用重力式挡墙，不需要支撑，基坑内挖土施工方便，搅拌桩施工时无环境污染(无噪声、无振动、无排污)，造价低廉及防渗性好，但这种支护结构往往要求基坑周围有一定间距布置搅拌桩，且只适用于深度不大的基坑；

(2)排桩支护结构，可以是稀疏排桩支护，适用于土质较好的地区；也可采用连续排桩支护加搅拌桩防渗，适用于软土地区。这种排桩支护结构适用于较深的基坑，其造价也比较低[3]；

(3)地下连续墙，这种支护结构施工时对周围环境影响小，对土层条件适用性强，墙体抗弯刚度、防渗性能和整体性均较好，但其造价比较高。

基坑工程的设计的特殊性是和施工密不可分，其施工的每一个阶段，外荷载、结构体系等都在变化；施工工艺和施工顺序的变化、支撑形成时间的长短、支撑拆除的顺序和方式、基坑尺寸的大小和气温的变化，都影响最终的计算结果。因此，详细了解各个的施工工况，对正确进行基坑设计十分重要[1]。

1.1 深基坑工程的特点

高层建筑的建造、大型市政设施的施工及大量地下空间的开发，必然会有大量的深基坑工程产生。

故深基坑工程具有以下特点：

1)建筑趋向高层化，基坑向大深度方向发展；

2)基坑开挖面积大，长度与宽度有的达数百米，给支撑系统带来较大的难度；

3)在软弱的土层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施和地下管线造成影响；

4)深基坑施工工期长、场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利；

5)在相邻场地的施工中，打桩、降水、挖土及基础浇注混凝土等工序会相互制约与影响，增加协调工作的难度[4]。

1.2 深基坑开挖分类、工作内容

深基坑工程根据场地条件、施工和开挖方法，可以分为无支护与有支护开挖[5]。

1.3 基坑工程设计的原则、内容与依据

1.基坑支护设计的原则：安全可靠；经济合理；施工便利并保证工期；采用分项系数表示的极限状态设计方法[6]。

2.基坑支护设计的内容[2]：

1）支护体系的方案比较和选型；

2）支护结构的强度和变形验算；

3）基坑内外土体的稳定性验算；

4）围护墙的抗渗验算；

5）降水要求和降水方案；

6）确定挖土的工况及挖土、运土的主要措施；

7）确定环境保护的要求及相关措施；

8）监测的内容。

3.基坑支护设计的依据：岩土工程规范；基坑支护工程勘察报告；基坑支护结构设计资料；工程地质和水文地质资料；场地周边环境及地下管线状况；基坑的深度[7]。

1.4 基坑的主要支挡方法、支护类型

基坑工程中采用的围护墙、支撑（或者锚杆）、围檩、防渗帷幕等结构体系总称支护结构。

挡土系统：常用有钢板桩、钢筋混凝土板桩、深层水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、地下连续墙。其功能是形成支护排桩或者支护挡土墙阻挡坑外土压力。

挡水系统：常用有深层水泥搅拌桩、旋喷桩、压密注浆、地下连续墙、锁口钢板桩。其功能是阻挡坑外渗水。

支撑系统：常用有钢管与型钢的内支撑、钢筋混凝土内支撑、钢与钢筋混凝土组合支撑。其功能是支撑围护结构侧力与限制围护结构的位移[4]。

至今，工程实践中已发展多种支护结构，如：支挡式结构、双排桩、土钉墙和复合土钉墙、重力式水泥土墙以及上述方式的各类组合支护结构。目前经常采用的主要基坑支护类型：放坡开挖、水泥土搅拌桩围护、土钉锚支护、复合型土钉墙支护、锚杆支护、钢板桩、排桩支护、SMW工法、地下连续墙[8]。

表1-1 各类支护结构的使用条件

注：1.当基坑不同部位的周边环境条件、土层性状、基坑深度等不同时，可在不同部位分别采用不同的支护形式；

2.支护形式可采用上、下部以不同的结构类型组合的形式。

1.5 基坑的主要支撑方法、技术类型

支撑体系按材料的不同分为钢支撑、钢筋混凝土支撑、钢和钢筋混凝土组合支撑；

按受力形式不同可以分为单跨压杆式支撑、多跨压杆式支撑、双向多跨压杆式支撑、水平桁架式支撑、大直径环梁及边桁架相结合的支撑、斜支撑等类型[9]。

现在大城市的高层建筑基坑具有深、大的特点，挖深一般在15-20m之间，宽度与长度达100m以上。基坑附近多有建筑物、道路和管线，施工场地拥挤，在环境安全上又有很高的要求，所以过去对基坑支护结构的选型比较单一，基本上均采用柱列式灌注桩挡墙或地下连续墙作为围护结构，当用明挖法施工照例采用多道支撑(多道内支撑或多道背拉锚杆)。其他的支护型式如国内外广为应用的钢板桩挡墙或桩板(分离式工字钢加衬板)挡墙由于刚度较弱、易透水以及打桩振动和挤土效应对城市环境的危害，己很少用于建筑深基坑中。近年来兴起的土钉支护尤其是复合土钉支护，在合适的地质条件下己成为建筑深基坑的选型，而且逆作法施工在国内也己口趋成熟[10]。

1.6 基坑的止（降）水方法、技术类型

基坑的开挖施工，无论是采用支护体系的垂直开挖还是放坡大开挖，如果施工地区的地下水位较高，都将涉及地下水对基坑施工的影响这一问题。当开挖施工的开挖面低于地下水位时，土体的含水层被切断，地下水将从坑外或坑底不断地渗入基坑内，另外在基坑开挖期间由于下雨或其他原因，可能会在基坑内造成滞留水。对于支护体系的垂直开挖，坑内的被动区土体由于含水量增加导致强度、刚度降低，对控制支护体系的稳定性、强度和变形都是十分不利的；对于放坡开挖来讲，亦增加了边坡失稳和产生流砂的可能性。在水的浸泡下，地基土的强度大为降低，亦影响到了其承载力[11]。

降低地下水位的作用：

1）防止基坑坡面和基底的渗水，保持坑底干燥，便利施工。

2）增加边坡和坡地的稳定性，防止边坡或基底的土层颗粒流失。

3）减少土体含水量，有效提高土体的物理力学性能指标。

4）提高土体固结度，增强地基抗剪强度。

5）防止基坑的隆起和破坏。

当降水会对基坑周边建筑物、地下管线、道路等造成危害或对环境造成长期不利影响时，应采用止水方法控制地下水，基坑止水是利用沿基坑周边闭合布置的止水帷幕隔断基坑内外的水力联系，切断或限制基坑外地下水渗流到基坑内[12]。

止水方法

根据施工工艺基坑止水方法分为：水泥土搅拌桩帷幕、高压旋喷或摆喷注浆帷幕、搅拌喷射注浆帷幕、地下连续墙或咬合式排桩，应根据工程地质条件、水文地质条件及施工条件等进行选用。支护结构采用排桩时，可采用高压喷射注浆与排桩咬合的帷幕[13]。

表1-2 降水类型及适用范围

1.7 基坑开挖

1.开挖方式

按照基坑的支护方式不同分为无支撑开挖和有支撑开挖；按照基坑挖土方法的不同

分为明挖法和暗挖法。

2.开挖原则要求

（1）锚杆、支撑或土钉是随基坑土方开挖分层设置的每设一层，再挖下一层；

（2）采用锚杆或支撑的支护结构，遵循”开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则；

（3）机械挖土应挖至坑底以上20cm~30cm，余下土方采用人工修底方式挖除，避免扰动基底持力层的原状结构；

（4）软土基坑应按分层、分段、对称、均衡、适时的原则开挖；当主体结构采用桩基础且基础桩施工完成时，应根据开挖面以下软土性质限制每层开挖厚度；对采用内支撑的支护结构，宜采用开槽方法浇筑混凝土支撑或安装钢支撑，支撑设置应先撑后挖且越快越好，尽量缩短基坑每一步的无支撑暴露时间；对重力式水泥土墙，沿水泥土墙方向应分区段开挖，每一步开挖区段的长度不宜大于40m[14-15]；

1.8 基坑监测

基坑监测是为了正确指导施工，为信息化施工提供依据，为基坑周边环境的建筑、各种设施的保护提供依据，为优化设计提供依据，根据监测数据及时调整施工进度和施工方法[16]。

基坑监测的主要内容：

（1）围护结构的竖向位移与水平位移；

（2）坑周土体位移；

（3）支撑结构轴力；

（4）挡土构件的内力；

（5）邻近建（构）物、道路及地下管网的变形；

（6）地下水位、土压力及孔隙水压力；

（7）坑底隆起量；

（8）支撑立柱、挡土构件及水泥土墙的沉降。

参考文献

[1] 陈忠汉，黄书秩，程丽萍编著.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 熊智彪主编.建筑基坑支护[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3] JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].

[4] 刘宗仁，刘雪雁编著.基坑工程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.

[5] JGJ120-2012.建筑基坑支护技术规程[S].

[6] 刘国彬，王卫东编著.基坑工程手册[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[7] GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S].

[8] 陈国兴，樊良本等编著.基础工程学[M].第二版.北京：中国水利水电出版社，2002.

[9] GB50017-2003.钢结构设计规范[S].

[10] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].

[11] 侯晓亮，赵晓豹.南京河西地区软土地层特性及工程特性研究[J].地质论评，2011，57（4）：600~607.

[12] 张平，宋林辉，周峰.南京河西地区地质概况及基础的选型分析[J].建筑技术开发，2006,33（11）：56~58

[13] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M].第四版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[14] GB50202-2002.建筑地基与基础工程施工质量验收规[S].

[15] GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].

[16] GB50497-2009.建筑基坑工程监测技术规范[S].

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1工程概况

拟建金盛科技园位于南京市建邺区燕山路与科技二路交叉口西北隅场地内，地块南侧为科技二路，东侧为燕山路。本项目总用地面积29457.7平方米，地上建筑包括科研办公楼、裙房和连廊，地下设成整体4层地下室，基坑开挖面积22000平方米，支护周长约600米 ，开挖深度16.85 ~ 19.10米。

2.1.1 基坑周边环境条件

东侧：该侧地下室与用地红线距离最近处约为16 m，该侧道路为燕山路，路牙距红线约11 m，距离地下室约27m。路下与基坑由近至远依次为电力电缆、路灯电缆、给水、雨水污水管、燃气、联合通信。路的东侧为万达广场。

南侧：距用地红线约10m，该侧为科技二路，路牙距离红线约3m。路下与基坑由近至远依次为给水、联合通信、燃气、电缆、雨污水管。路的南侧为苏宁睿城。

西侧：距用地红线约9.8m，该侧为规划錦江路，无市政管线。规划路西侧为在建的南京紫金（鼓楼）科创特别社区，三层地下室。

北侧：与用地红线最小距离约4m，红线外为待建空地

2.1.2 地形与地貌

拟建场地位于南京市河西地区，南京市位于长江中下游，地貌上属于低山丘陵区。水系发育，主要为内秦淮水系和金川河水系。地下埋藏有一条纵贯南北的古河道，形成了比较复杂的地貌形态。主要由长江漫滩区、古河道区、河流阶地区、坳沟区、低山丘陵区组成。长江在该市西侧呈NE40#176;绕流至城北，沿着幕府山庄转向NEE，形成沿岸的漫滩冲淤积平原，在河西地区尤为发育，平面图似三角形。地层隶属古河道漫滩相沉积地貌单元。河西地区为南京市典型的深厚软土地区，总占地面积约13.67。

2.1.3 地基土层分布

南京河西地区地基相当软弱，沉积物自下而上由粗变细，基岩埋深一般在50米-60米，其上主要是淤泥质黏土、流塑-可塑的粉质粘土、粉细砂层，不存在良好的持力层硬土。其是典型的河流冲积二元结构，沉积物主要是由上部漫滩相细颗粒沉积物和下部粗颗粒河床沉积物两部分组成。

上部漫滩相又可分为两部分。地表为硬壳层粘性土、人工填土和粉质粘土层。粉质粘土为灰黄-灰褐色，呈可塑-软塑状态，与下卧的淤泥质土为渐变关系。表层土以下主要是淤泥质粉质粘土层，分布广泛，埋藏浅，层厚约3~30米，呈灰-深灰色，局部夹薄层粉土、粉砂或夹粉砂透镜体，呈软塑-流塑状态，具有触变现象，即在外力的干扰下，土的结构破坏，剪切强度剧烈降低；外力干扰停止后，随时间的增长，软土强度逐渐恢复。对工程建设影响大。在一些地段淤泥质土与粉砂互层，呈微层理如”千层饼”状。在少许地段的浅部还存在着含水量和孔隙比很大的淤泥。

下部边滩相砂性土大体也可分为二层。上部为粉细砂层，厚约20~40米，呈灰色，粒度均匀，局部夹有厚约2米左右的淤泥质土透镜体（多数呈流动状态）；底部为砂砾层和砂性土，期中砂砾层主要成分是粗砂、砾砂和圆砾。砂性土为中粗砂夹淤泥质透镜体，厚约10米左右，淤泥质土透镜体位于其顶部，分布变化较大。

该地区的土质工程性质差，承载力低，对于多层及高层建筑物，需采用桩基础。

2.1.4 场地条件

场地条件影响到制桩的材料和设桩的方法。根据河西的水质分析情况，地下水中的离子含量比较高，通过综合判定对混凝土无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性，所以适合采用混凝土材料。由于自然地面以下30米左右为近期冲淤积成因的饱和软土，其含水量高，强度低、高压缩性、灵敏度高。因此，打入桩或打入式就地灌注桩是很合适的；随着建筑物逐渐增加，在设计过程中应考虑桩基础施工造成的地面隆起及对临近建筑物不利的因素，故对打入式挤土桩应进行控制。因此，就满足场地条件方面而言，预制桩、沉管灌注桩、钻孔灌注桩和预应力管桩在河西地区是比较适用的，当然，我们还要根据具体条件进行选择。

2.1.5 地基土物理力学指标及地基设计参数

对本次勘察采集土样的土工试验成果经分层统计、汇总，统计出各土层各项物理力学性质指标的最大值、最小值和平均值，并统计出了其标准差和变异系数。根据各土层的主要物理力学性质指标，结合原位测试结果及地区经验，提出了各土层的地基承载力特征值及桩的极限端阻力标准值、极限侧阻力标准值。对土样的压缩试验结果经分层统计后绘制了各土层的e-p关系曲线。对拟定的桩端以下的土层进行了高压固结试验。

2.1.6 水文地质条件

（1）确定长江地表水位；

（2）确定地下水类型；

（3）场地水和地基土对建筑材料的腐蚀性评价。

2.1.7 地震效应评价

（1）南京河西地区抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g；

（2）确定场地覆盖层层厚度，划分建筑场地类别，确定场地设计特征周期；

确定建筑场地抗震设防类别等级，进行地基土的液化判别和处理。

2.2 基坑工程设计

2.2.1 基坑支护设计的资料的收集：

（1）场地岩土工程勘察报告、基坑支护设计和止、降水设计参数；

（2）建筑红线、地下室边线的平面图及基础结构设计图，建筑场地及其附近的地下管线、地下埋设物的位置、深度、结构形式及埋设时间；

（3）基坑附近的地面堆载及大型车辆的动、静荷载情况；

（4）邻近已有建筑的位置、层数、高度、结构类型、完好程度、已建时间及基础类型、埋置深度、主要尺寸、基础距基坑上口周边的静距离等；

（5）基坑周边的地面排水情况，地面雨水与污水、上下水管线排入或漏入基坑的可能性；

（6）已有相似支护工程的经验性资料。

2.2.2 基坑支护的方案选取

根据拟建场地的工程水文地质条件和周边环境条件，确定选取那种桩型支护比较合理。工程中存在地下室，建议设置抗拔桩。

1）围护结构

2）支撑体系结构布置

2.2.3 基坑支护设计计算过程

1. 水土压力计算

（1）对于地下水位以上或水土合算的土层

式中：#8212;#8212;

#8212;#8212;分别为支护结构外侧、内侧计算点的土中竖向应力标准值(kPa）；

#8212;#8212;分别为第i层土的主动土压力系数、被动土压力系数；

#8212;#8212;第i层土的粘聚力（kPa）、内摩擦角（#176;）；

#8212;#8212;支护结构内侧，第i层土中计算点的被动土压力强度的标准值（kPa)。

（2）对于水土分算的土层

式中： #8212;#8212;分别为支护结构外侧、内侧计算点的水压力（kPa)。

2. 支护桩的结构设计计算

多支点支护结构

当基坑较深，地质较差，用单锚或单撑不能满足支护结构的稳定性与强度要求时，可采用多层支撑式支护结构。

（1）根据土层性质、地下水条件及基坑周边环境要求选取围护桩桩型与成桩工艺；

（2）进行桩的平面设计和竖向设计，按平面杆系结构弹性支点法进行桩身内力和支点力以及结构变形计算；

（3）上个步骤得到桩身弯矩和剪力的计算值后换算成设计值,考虑混凝土强度等级，以设计值按正截面受弯、斜截面受剪承载力验算要求计算所需受力钢筋并进行配置，之后考虑构造要求进行分布钢筋和加强筋的布置并进行冠梁设计。

3. 支撑体系内力与变形计算

计算采用理正深基坑内支撑分析软件，计算每个工况下内力以及变形情况。

等值梁计算法

（1）确定梁的反弯点位置

与主动土压力等于被动土压力的位置接近。

（2）每层支撑力的计算

第k层支撑力可以按第k 1层设置后挖土深度下的反弯点以上各力对该点力矩之和为零确定，在此仍然以土压力等于零的点为反弯点，并以，则第k层支撑力：

第k层支撑设置后，该土层开挖所需嵌入深度，由反弯点以下力矩平衡求得为：

式中 #8212;#8212;反弯点以下基坑内侧各土层水平抗力标准值；

#8212;#8212;反弯点以下基坑内侧各土层水平抗力至该层嵌入深度底端的距离；

#8212;#8212;该开挖阶段反弯点处的支护结构单位宽度的剪力，

4. 基坑工程设计稳定性分析

（1）抗倾覆稳定性分析

支护结构的抗倾覆稳定性是验算最下道支撑以下的主动、被动土压力绕最下道支撑点的转动力矩是否平衡。

式中 #8212;#8212;抗倾覆稳定安全系数，根据基坑重要系系数，一级基坑取1.2，二级基坑取1.10，三级基坑取1.05；

#8212;#8212;抗倾覆力矩，取基坑开挖面以下墙体入土部分坑内侧压力对最下一道支撑或拉锚的力矩；

#8212;#8212;倾覆力矩，取最下一道支撑或拉锚以下墙外侧压力对支撑或拉锚点的力矩。

（2）基坑抗隆起稳定性分析

基坑抗隆起稳定性与支护墙体入土深度有着直接关系。

黏性土：将支护结构底平面作为求极限承载力的基准面，采用下式验算抗隆起系数

式中 #8212;#8212;坑外地表至支护墙底各土层天然重度加权平均值，；

#8212;#8212;坑内开挖面以下至支护墙底各土层天然重度加权平均值，；

#8212;#8212;支护墙底处的地基土黏聚力，；

#8212;#8212;坑外地面荷载，；

H #8212;#8212;基坑开挖深度，m；

D #8212;#8212;墙体入土深度，m；

#8212;#8212;地基力承载力系数，根据普朗特公式有

为支护墙底处地基土的内摩擦角；

#8212;#8212;抗隆起安全系数。根据基坑重要系数，一级基坑应不小于1.8，二级坑应不小于1.6，三级基坑应不小于1.4。

软土：支护桩、墙端以下向上隆起，可按下式验算

式中 #8212;#8212;承载力系数，条形基础时取5.14；

#8212;#8212;抗剪强度，由十字板剪切试验或三轴不固结不排水试验确定。

（3）基坑渗流稳定性分析

坑底抗流沙稳定性

地下水由高处向低处渗流，在基坑底部，当向上的动水压力（j）大于土的浮重度（）时，将会产生流砂现象。

式中 #8212;#8212;墙后地下水位埋深，m；

#8212;#8212;地下水重度，。

基坑底土突涌稳定性

如果基底下的不透水层较薄，而且在不透水层下存在承压水层时，当上覆土重不足以抵抗下部的水压，基坑底土体将会发生突涌破坏（反压顶破）。根据压力平衡概念，基坑底土突涌稳定安全系数应满足

式中 #8212;#8212;承压含水层顶面至坑底的土层厚度，m;

H #8212;#8212;承压水高于含水层顶板的水头高度，m。

2.2.4 基坑止（降）水设计

1. 基坑止水设计

（1）基坑止水方法；

（2）基坑止水帷幕类型及布置、稳定性分析；

（3）基坑止水帷幕的施工与质量检测。

2. 基坑降水设计

（1）根据水文地质条件选取合适的水井计算理论；

（2）根据地层分布情况选取合适的降水类型；

（3）井点的平面、剖面、高程布置；

（4）井点的设计计算；

a、基坑降水总涌水量；

b、单根井点管出水量；

c、确定井点管数量、间距；

（5）基坑降水设计复核。

3. 基坑降水工程的监测与维护

2.2.5 基坑的施工与监测

拟建工程位于南京河西地区，此地区以饱和软土层居多，高含水量、高压缩性、高孔隙比、低强度、低渗透性的特性。施工与监测时应多注意安全事项。

基坑施工内容：

（1）支护桩、止水帷幕、降水施工；

（2）基坑开挖、支撑系统、立柱施工。

基坑监测的主要内容：

（1） 围护结构的竖向位移与水平位移；

（2） 坑周土体位移；

（3） 支撑结构轴力；

（4） 挡土构件的内力；

（5） 邻近建（构）物、道路及地下管网的变形；

（6） 地下水位、土压力及孔隙水压力；

（7） 坑底隆起量；

（8） 支撑立柱、挡土构件及水泥土墙的沉降。

2.3 设计施工图纸及张数