任务1.4 土方边坡与基坑支护
任务描述
基坑支护是指为保护地下主体结构施工和基坑周边环境的安全，对基坑采用的临时性支挡、加固、保护与地下水控制的措施。本任务要求依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120），了解工程的水文地质状况和特点，在结合建筑及周围环境特点的基础上，设计出经济合理的基坑支护方案。
任务分析
基坑开挖要具备以下必要条件：首先保持基坑干燥状态，创造有利于施工的环境；其次是确保边坡稳定，做到施工安全。如果忽视这些必要条件，其后果是严重的。在工程实践中，土质情况非常复杂，基坑支护的方法也很多，费用差异很大，如何安全可靠、经济合理、技术可行地选择支护方法是方案的重点。可以参考的资料包括国家建筑标准设计图集《建筑基坑支护结构构造》（11SG814）、《建筑边坡工程技术规范》（GB50330）。
知识课堂
为了使土方工程量少、工期短、费用省，在施工前，首先要进行调查研究，了解土壤的种类和工程性质，土方工程的施工工期、质量要求及施工条件，施工区的地形、地质、水文、气象等资料，作为合理拟定施工方案、计算土方工程量、计算土壁边坡及支撑、进行施工排水和降水的设计、选择土方机械和运输工具并计算其需要量，以及选择施工方法和组织施工。另外，在土方工程施工前，还应完成场地清理、地面水的排除和测量放线等工作。
土方边坡与基坑支护
1.4.1 边坡坡度
为了保证土方工程施工过程中施工人员的生命安全，防止基坑（槽）塌方，在基坑（槽）开挖深度超过要求时，土壁应放坡。土方边坡用边坡坡度和边坡系数表示。
边坡坡度是以土方挖土深度H与边坡底宽B之比表示，如图1-27所示。
图1-27 基坑（槽）边坡形式
（a）直线形；（b）折线形；（c）踏步形
土方边坡的大小主要与土质、开挖方法及深度、边坡留置时间长短、边坡附近各种荷载状况及排水情况有关。当地质条件良好、土质均匀、地下水水位低于基坑（槽）底面标高时，开挖深度在5m内的基坑（槽）的最陡坡度（不加支撑）应符合表1-6的规定。
表1-6 开挖深度在5m内的基坑（槽）的最陡坡度（不加支撑）
1.4.2 浅基坑支护
基坑支护是指在基坑开挖期间，利用支护结构达到既挡土又挡水的目的，以保证基坑开挖和基础安全施工，并且不对周围的建（构）筑物、道路和地下管线等产生危害。
常用的支护结构体系如图1-28所示。支护结构主要承受土和水的侧压力、附近地面动静荷载、已有建（构）筑物产生的附加侧压力。对支护结构的要求是要有较强的强度、刚度和稳定性，保证附近地面不产生较大的沉降和位移，有足够的入土深度，保证本身的稳定和避免产生坑底隆起或管涌。当坑深较小时，一般采用悬臂式；当坑深较大时需在坑内支撑，或用近地表的锚杆或锚固在土中的土锚进行坑外拉结，支撑及锚杆的位置和结构尺寸需计算确定。有的基坑支护在基础完工后可拔出重复使用，有的则永久留在地基土中。
图1-28 常用基坑支护的结构体系
浅基坑的支护方法见表1-7。
表1-7 浅基坑的支护方法
续表
1.4.3 深基坑支护
1．土钉支护
（1）土钉支护的作用机理。由于基坑内土体的开挖，使坑内外的土体形成压力差，坑外土体有坑内运动的内力和趋势。土钉支护的构造原理是利用沿途介质的自承能力，借助土钉与周围土体的摩擦力和黏聚力，将外部不稳定土体和深部稳定土体连在一起，形成一个稳定的组合体。与土钉或锚杆端部互相连接的喷射混凝土面板紧密嵌固于土体中，它不仅能很好地调节锚杆相互之间的应力分布，而且可以很好地起到防水作用。一是防止水冲刷边坡给基础施工带来不便；二是可以有效地防止地下水的渗漏，避免周围地面沉降，影响建筑物的安全。
（2）土钉支护的构造。
土钉支护
1）土钉采用直径为16～32mm的HRB335级以上的螺纹钢筋，长度为开挖深度的0.5～1.2倍，间距为1～2m，与水平面夹角为10°～20°。
2）钢筋网采用直径为6～10mm的HPB300级钢筋，间距为150～300mm。
3）混凝土面板采用喷射混凝土，强度等级不低于C20，厚度为80～200mm，常用100mm。
4）注浆采用强度不低于20 MPa的水泥砂浆。
5）承压板采用螺栓将土钉和混凝土面层有效地连接成整体。
（3）土钉支护的特点。
1）土钉与土体形成复合土体，提高了边坡整体稳定和承受坡顶荷载能力，增强了土体破坏的延性，有利于安全施工。
2）土钉支护位移小，约为20mm，对相邻建筑物影响小。
3）设备简单，易于推广。
4）经济效益好，成本低于灌注桩支护。
土钉支护适用于地下水水位以上或经降水措施后的杂填土、普通黏土、非松散性砂土。
（4）土钉支护的施工。土钉支护施工的工序为定位、成孔、插钢筋、注浆、喷射混凝土，如图1-29所示。
图1-29 某工程土钉支护示意
1）成孔。采用螺旋钻机、冲击钻机、地质钻机等机械成孔，钻孔直径为70～120 mm。成孔时必须按设计图纸的纵向、横向尺寸及水平面夹角的规定进行钻孔施工。
2）插钢筋。将直径为16～32 mm的HRB335级螺纹钢筋插入钻孔的土层中，钢筋应平直，除锈、除油、与水平面夹角控制在10°～20°范围内。
3）注浆。注浆采用水泥浆或水泥砂浆，水胶比为0.38～0.5，水泥砂浆配合比为1∶0.8或1∶1.5。利用注浆泵注浆时，应将注浆管插入到距离孔底250～250mm处，并在孔口设置止浆塞，以保证注浆饱满。
4）喷射混凝土。喷射注浆用的混凝土应满足如下技术性能指标：混凝土的强度等级不低于C20，其水泥强度等级宜用32.5级，水泥与砂石的质量比为1∶4～1∶4.5，砂率为45%～55%，水胶比为0.4～0.45，粗集料碎石或卵石粒径不宜大于15 mm。混凝土的喷射分两次进行。第一次喷射后铺设钢筋网，并使钢筋网与土钉牢固连接。在此之后再喷射第二层混凝土，并要求表面平整、湿润，具有光泽，无干斑或滑移流淌现象。喷射混凝土面层厚度为80～200mm，钢筋与坡面的间隙应＞20mm。混凝土终凝2h后进行洒水养护3～7d。
2．预应力土层锚杆支护
在立壁土层上钻（掏）孔至要求深度，孔内放入钢筋，灌入水泥砂浆或化学浆液，使之与土层结合成抗拉锚杆，将立壁土体侧压力传至稳定土层，如图1-30所示。
图1-30 预应力土层锚固
（1）施工工艺。
1）挖土到锚杆水平位置下50cm。
2）按需要倾角及深度，用锚杆钻机钻孔。
3）拔出钻杆，插入钢筋或钢绞线。
4）向孔内灌注水泥浆，直到浆液从孔中冒出。
5）安装垫板、螺帽或锚头。
6）待水泥浆强度达70%时，进行预应力张拉。
7）拧紧螺帽或锁住锚头。
（2）特点。
1）使用锚杆拉结比坑内支撑、挖土拉锚方便。
2）锚杆要有一定的覆盖深度，才能有一定的抗拔力。
3）预应力锚杆能对挡土桩、墙的位移有较好的控制作用。
4）相邻锚杆张拉后应力损失大，可以再张拉调整。
（3）适用范围。一般黏土、砂土地区皆可应用。
3．挡土灌注桩支护
开挖前在基坑周围设置混凝土灌注桩，桩的排列有间隔式、连续式和双排式，桩顶设置混凝土连系梁或锚桩、拉杆。其具有施工方便、安全度好、费用低的优点，如图1-31所示。
图1-31 挡土灌注桩支护示意
（a）一字形相切排列；（b）交错相切排列；（c）注浆间隔排列
（1）特点。
1）密排桩比地下连续墙施工简便，整体性不如地下连续墙。
2）较疏排桩受力性能好。
3）不作防水抗渗措施，密排桩仍不能止水。
（2）适用范围。适用于开挖面积大、深度大于6m、不允许放坡、邻近有建（构）筑物的基坑支护。黏土、砂土、软土、淤泥质土皆可应用。
4．挡土灌注桩与土层锚杆结合支护
挡土灌注柱与土层锚杆结合支护的桩顶不设锚桩、拉杆，而是挖至一定深度，每隔一定距离向桩背面斜向打入锚杆，待达到强度后，安上横撑，拉紧固定，在桩中间挖土，直至设计深度，如图1-32所示。其适于大型较深基坑，在施工期较长、邻近有建筑物、不允许支护、邻近地基不允许有下沉位移时使用。
图1-32 挡土灌注桩与土层锚杆结合支护示意
5．地下连续墙支护
先建造钢筋混凝土地下连续墙，达到强度后在墙间用机械挖土。该支护法刚度大、强度高，不仅可挡土、承重、截水、抗渗，还可在狭窄场地施工，适用于大面积、有地下水的深基坑施工，是深基坑的主要支护结构之一。其对地下结构层数多的深基坑的施工非常有利，如图1-33所示。其优点是结构整体性好，刚度大，可作防渗墙，形状灵活；其缺点是需用专用机械，成本较高。
图1-33 地下连续墙施工示意
地下连续墙施工工艺过程是：修筑导墙→挖槽→吊放接头管（箱）、吊放钢筋笼→浇筑混凝土。
1.4.4 基坑开挖
开挖基坑应按规定的尺寸合理确定开挖顺序和分层开挖深度，连续地进行施工，并尽快地完成。因土方开挖施工要求标高、断面准确，土体应有足够的强度和稳定性，所以，在开挖过程中要随时注意检查。挖出的土除预留一部分用作回填外，不得在场地内任意堆放，应将多余的土运到弃土地区，以免妨碍施工。为防止坑壁滑坡，根据土质情况及坑深度，在坑顶两边一定距离（一般为0.8m）内不得堆放弃土，在此距离外堆土高度不得超过1.5m，否则，应验算边坡的稳定性。在桩基周围、墙基或围墙一侧，不得堆土过高。在坑边放置有动载的机械设备时，也应根据验算结果，离开坑边较远距离，如地质条件不好，还应采取加固措施。为了防止在底土（特别是软土）受到浸水或其他原因的扰动，基坑挖好后，应立即做垫层或浇筑基础，否则，挖土时应在基底高以上保留150～300 mm厚的土层，待基础施工时再进行挖去。如用机械挖土，为防止基底土被扰动、结构被破坏，不应直接挖到坑底，应根据机械种类，在基底标高以上留出200～300mm，待基础施工前用人工铲平修整。挖土不得超过基坑的设计标高，如个别处超挖，应用与基土相同的土料填补，并夯实到要求的密实度；如用原土填补不能达到要求的密实度时，应用碎石类土填补，并仔细夯实。重要部位如被超挖，可用低强度等级的混凝土填补。
在软土地区开挖基坑时，还应符合下列规定：
（1）施工前必须做好地面排水或降低地下水水位工作，地下水水位应降低至基坑底以下0.5～1.0m后，方可开挖。降水工作应持续到回填完毕。
（2）施工机械行驶道路应填筑适当厚度的碎石或砾石，必要时应铺设工具式路基箱（板）或梢排等。
（3）相邻基坑（槽）开挖时，应遵循先深后浅或同时进行的施工顺序，并应及时做好基础。
（4）在密集群桩上开挖基坑时，应在打桩完成后间隔一段时间，再对称挖土。在密集群桩附近开挖基坑（槽）时，应采取措施防止桩基位移。
（5）挖出的土不得堆放在坡顶上或建（构）筑物附近。
基坑开挖有人工开挖和机械开挖，对于大型基坑应优先考虑选用机械化施工，以加快施工进度。
深基坑一般采用“开槽支撑，分层开挖，先撑后挖，严禁超挖”的开挖原则，图1-34所示为某深基坑分层开挖的实例。在基坑正式开挖之前，先将第①层地表土挖运出去，浇筑锁口圈梁，进行场地平整和基坑降水等准备工作，安设第一道支撑（角撑），并施加预顶轴力，然后开挖第②层土到-4.500 m，再安设第二道支撑，待双向支撑全面形成并施加轴力后，挖土机和运土车下坑在，第二道支撑上部（铺路基箱）开始挖第③层土，并采用台阶式“接力”方式挖土，一直挖到坑底。第三道支撑应随挖随撑，逐步形成。最后用抓斗式挖土机在坑外挖两侧土坡的第④层土。
图1-34 深基坑开挖示意
1—第一道支撑；2—第二道支撑；3—第三道支撑；4—支护桩；5—主柱；6—锁口圈梁；7—坑底
深基坑在开挖过程中，随着土的挖除，下层土因逐渐卸载而有可能回弹，尤其在基坑挖至设计标高后，如搁置时间过久，则回弹更为显著。如弱性隆起在基坑开挖和基础工程初期发展很快，它将加大建筑物的后基沉降。因此，对深基坑开挖后的土体回弹应有适当的估计，如在勘察阶段，土样的压缩试验中应补充卸荷弹性试验等。还可以采取结构措施，在基底设置桩置等，或事先对结构下部土质进行深层地基加固。施工中减少基坑弹性隆起的一个有效力法是将土体中有效应力的改变降低到最小。具体方法有加速建造主体结构，或逐步利用基础的重量来代替被挖去土体的重量。
1.4.5 基槽检验
基坑挖至基底设计标高并清理后，在垫层施工前，由建设单位组织施工单位、勘察单位、设计单位、监理单位共同进行现场检查并验收基槽，通常称为验槽。验槽的目的是检查地基是否与勘察设计资料相符。验槽是确保工程质量的关键程序之一，合格后方能进行基础工程施工。
1．验槽的主要内容
不同建筑物对地基的要求不同，基础形式不同，验槽的内容也不同，主要有以下几点：
（1）根据设计图纸检查基槽的开挖平面位置、尺寸、槽底深度；检查是否与设计图纸相符，开挖深度是否符合设计要求。
（2）仔细观察槽壁、槽底土质类型、均匀程度和有关异常土质是否存在，核对基坑土质及地下水情况是否与勘察报告相符。
（3）检查基槽之中是否有旧建筑物基础、古井、古墓、洞穴、地下掩埋物及地下人防工程等。
（4）检查基槽边坡外缘与附近建筑物的距离，基坑开挖对建筑物稳定是否有影响。
（5）检查核实分析钎探资料，对存在的异常点位进行复核检查。
2．验槽方法
验槽通常采用观察法，而对于基底以下的土层不可见部位，要先辅以钎探法配合共同完成。
钎探法可分为人工法和机械法（图1-35、图1-36）。常用轻型圆锥动力触探器：穿心锤质量为10kg，锥头直径为40mm，锥角为60°，落距为50cm，触探杆直径为25mm，长度为1.8～2.5m。记录其贯入30cm的锤击数作为设计承载力、地勘结果、基土土层的均匀度等质量指标的依据。钎探的目的是：根据锤击沉钎的难易程度和灌水中的渗透快慢，判断基底持力层是否均匀，是否有孔洞、墓穴、孤石等不利情况。
图1-35 轻便触探器
1—穿心锤；2—锤垫；3—角探杆；4—尖
图1-36 电动钎探机
人工钎探
机械钎探
钎探机工艺流程是：确定打钎顺序→就位打钎→记录锤击数→整理记录→拔钎盖孔→检查孔深→灌砂。
根据基坑平面图，依次编号绘制钎点平面布置图，按钎点平面布置图放线，在孔位洒上白灰点，用盖孔砖压在点位上做好覆盖保护。每块盖孔砖上面必须用粉笔写明钎点编号。钎探孔的排列方式须根据槽宽确定，槽宽大于200cm时采用梅花形排列方式，间距为1～2m。
灌砂：打完的钎孔，经过质检人员和工长检查孔深与记录无误后，即进行灌砂。灌砂时每填入30cm左右，可用钢筋捣实一次。
第二课堂
1．实地考察一个建筑工地的基坑支护方案和设备、设施。
2．查阅资料，阅读不同地质情况和不同基坑深度的基坑支护方案。
3．简述基槽检验的方法和内容。