建筑施工技术：土壁支护与支撑结构分类

开挖基坑（槽）或管沟，如土质与周围场地条件允许，采用放坡开挖，往往比较经济。当基坑（槽）开挖较深，且土质较差放坡后土方量过大，甚至会影响到周围建筑物城市道路地下管线，当采用放坡开挖无法保证施工安全或由于施工场地狭小无放坡条件时，一般采用支护结构对土壁进行支撑，以保证基坑（槽）的土壁稳定。

土壁的支护方法应根据工程特点、土质条件、地下水位、开挖深度、施工方法及相邻建筑物等情况，经技术经济比较后选定。

基坑（槽）支护结构的类型较多根据支护结构的受力状态不同可分为横撑式支撑、板桩支护结构、重力式支护结构。根据其工作机理和围护墙的形式可分为如图1-2所示的几种类型：

图1-2　支护结构分类

1.横撑式支撑

横撑式土壁支撑主要用于开挖较窄的沟槽。一般根据其挡土板的不同，分为水平挡土板和垂直挡土板两类，如图1-3所示，其中水平挡土板又可以分为断续式和连续式。

横撑式支撑的适用情况见表1.8。

图1-3　横撑式支撑结构

表1.8　横撑式支撑的适用情况

采用横撑式支撑时，应随挖随撑，支撑要牢固。施工中应经常检查，如有松动变形等现象，应及时加固或更换。支撑的拆除应按回填顺序依次进行，多层支撑应自下而上逐层拆除，随时拆填。

2.加固型支护

加固型支护是对基坑边坡滑动棱体范围及其附近土体进行加固，改善其物理力学性能，使其成为具有一定强度和稳定性的土体结构，从而保证边坡稳定或兼有抗渗作用。

1）深层搅拌法

深层搅拌法是利用特制的深层搅拌机在边坡土体需要加固的范围内，将软土与固化剂强制拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的水泥加固土，称为水泥土搅拌桩。

深层搅拌法利用的固化剂为水泥浆或水泥砂浆，水泥的掺量为加固土质量的7%～15%，水泥砂浆的配合比为1∶1或1∶2。

深层搅拌法由于将固化剂和原地基土搅拌混合，不存在水对周围地基的影响，不会使地基侧向挤出，故对周围已有的建筑的影响很小；施工时无振动和噪声，不污染环境；加固后的土体重度不变，使软弱下卧层不产生附加沉降。深层搅拌法适用于软土地基加固。

2）高压喷射注浆法

高压喷射注浆法是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后，采用高压发生装置，通过安装在钻杆端部的特殊喷嘴，向周围土体喷射固化剂，将软土与固化剂强制混合，使其胶结硬化后在地基中形成直径均匀的圆柱体。该固化后的圆柱体称为旋喷桩。

高压喷射注浆法利用的固化剂为化学浆液，如水泥系浆液、水玻璃系浆液、丙凝系浆液、无机盐系浆液、尿素系浆液、氨基甲酸乙酯系浆液等。常使用的为水泥系浆液。

高压喷射加固的固化剂浆液通过装在钻杆侧面的喷嘴喷出后，具有很大的动能，形成高速、高压的射流。高压喷射加固的射流有效喷射长度愈长，则搅拌土的距离和喷射加固结体的直径愈大。射流冲击破坏土体，使土与浆液搅拌混合，凝固成圆柱状的固结体。

高压喷射注浆法采用高压发生设备及钻机。对于坚硬土层经常采用地质钻机。钻孔至设计深度拔出岩芯管，插入旋喷管，边旋喷浆液边提升旋喷管。

3.支挡型支护

支挡型支护是利用设置在基坑土壁上的支挡构件承受土壁的侧压力及其他荷载，保持土体结构的稳定。这里主要介绍桩排式支护结构。

桩排式支护结构常用的构件有型钢桩、钢板桩、钢筋混凝土预制桩和灌注桩，其支撑方式有水平横撑、拉锚和锚杆。

1）型钢桩支护结构

用作基坑护壁桩的型钢主要是工字钢、槽钢或H形型钢。型钢护壁桩主要适用于地下水位低于基坑底面标高的黏性土、碎石类土等稳定性好的土层。土质好时，在桩间可以不加挡板，桩的间距根据土质和挖深等条件而定。当土质比较松散时，在型钢间需加挡土板，以防止砂土流散。当地下水位较高时，要与降低地下水位措施配合使用。

2）钢板桩支护结构

钢板桩截面形状有“z”形、波浪形和平板形，由带锁口或钳口的热轧型钢制成，打设方便，可重复使用，承载力大。钢板桩互相联结地打入地下，形成连续钢板桩墙，既挡土又起到止水帷幕作用，见图1-4。

图1-4　常用钢板桩截面形式

3）钢筋混凝土桩排支护结构

钢筋混凝土桩排支护结构采用灌注桩，具有布置灵活、施工简单、成本低、无振动影响等特点，应用广泛。

桩排的布置形式与土质情况、土压力大小、地下水位高低有关，分一字形相间排列、一字形相接排列、一字形搭接排列、交错相接排列、交错相间排列等，见图1-5。

图1-5　钢筋混凝土灌注桩排布置形式

4.拉锚与土层锚杆

1）拉锚（拉锚式支撑）

拉锚是承受拉力的。拉杆可用钢筋或钢丝绳，一端固定在腰梁上，另一端固定在锚锭上，中间设置花篮螺丝，以调整拉杆长度。锚锭的做法：当土质较好时，可埋设混凝土梁或横木做锚锭；当土质不好时，则在锚锭前加打短桩。拉锚的间距及拉杆直径须经过计算确定。

拉锚式支撑在坑壁上只能设置一层，锚锭应设置在坑壁上主动滑移面之外。当需要设多层拉杆时，可采用土层锚杆。

2）土层锚杆

土层锚杆是埋入土层深处的受拉杆件，一端与工程构筑物相连接，一端锚固在土层中，以承受由土压力、水压力作用产生的拉力，维护支护结构的稳定。

（1）土层锚杆的构造。

土层锚杆由锚头、拉杆和锚固体三部分组成。

①锚头。锚头由锚具、台座、横梁等组成。

②拉杆。拉杆采用钢筋、钢管或钢绞线制成。

③锚固体。锚固体由锚筋、定位器、水泥砂浆锚固体组成。水泥砂浆将锚筋与土体联结成一体形成锚固体。

根据土体主动滑移面，整个锚杆分为锚固段和非锚固段。非锚固段又称自由段，处于可能滑动的不稳定的地层中，可以自由伸缩，其作用是将锚头所受荷载传至锚固段。锚固段则处于稳定的地层中，锚固段与周围土层结合，把荷载分散到周围稳定的土体中去。

土层锚杆的构造，见图1-6。

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图1-6　钻孔灌浆锚杆

1—锚具；2—定位板；3—挡土桩；4—钻孔；5—拉杆；
6—锚固体；L1—自由段；L2—锚固段

（2）土层锚杆的类型。

①一般灌浆锚杆钻孔后放入拉杆，灌注水泥浆或水泥砂浆，养护后形成的锚杆。

②高压灌浆锚杆钻孔后放入拉杆，压力灌注水泥浆或水泥砂浆，养护后形成的锚杆。压力作用使水泥浆或水泥砂浆进入土壁裂缝固结，可提高锚杆抗拔力。

③预应力锚杆钻孔后放入拉杆，对锚固段进行一次压力灌浆，然后对拉杆施加预应力锚固，再对自由段进行灌浆所形成的锚杆。预应力锚杆穿过松软土层锚固在稳定土层中，可减小结构的变形。

④扩孔锚杆采用扩孔钻头扩大锚固段的钻孔直径，形成扩大的锚固段或端头，可有效地提高锚杆的抗拔力。

（3）土层锚杆承载力的计算。

土层锚杆的承载能力主要由拉杆的强度、拉杆与锚固体之间的握裹力、锚固体和孔壁之间的摩阻力三者确定。因为在一般情况下，后者均大于前两者，所以其承载能力主要由后者决定。要增大单根锚杆的承载能力，一种方法是增加锚固体长度，另一种方法是扩大锚固段直径或采用二次灌浆，这样可以缩短锚杆长度而不降低其承载能力，并且可以减少遇到坚硬土层或地下水而造成施工困难。

根据基坑深度和土压力的大小，锚杆可设置成一层或多层，最上一层锚杆要有一定的覆土厚度（一般不小于3m），以防地面隆起。

锚杆水平间距由计算决定，但间距不宜太小，否则会相互影响，降低单根锚杆的承载力。锚杆的水平间距一般应在1～2m以上；锚杆倾角，一般与水平面成12.5°～45°；锚杆长度，要求锚固体应设置在滑动土体以外的稳定土层中。锚杆长度一般为15～25m，锚固体的经济长度为5～7m。

（4）土层锚杆的施工。

①钻孔清水循环一次钻进成孔法，钻杆留做拉杆；潜钻成孔法，成孔器全部连接钻杆；螺旋钻孔干作业法，成孔后插入拉杆。

图l-7　锚杆极限抗拔力简图

②灌浆。灌浆是锚杆施工的关键工序。水泥浆水灰比为0.4～0.45；水泥砂浆配合比为1∶0.5或1∶1。采用一次灌浆法，浆液经胶管压入拉杆中，拉杆管端距孔底150mm；采用二次灌浆法时，先灌注锚固段，再灌注非锚固段，非锚固段为非压力灌注水泥浆。

③预应力张拉锚固体养护达到水泥砂浆强度的75%，方可进行预应力张拉。先取设计拉力的10%～20%预张拉1～2次，以使各部位接触紧密，锚筋平直。

张拉时控制应力取值0.65fptk或0.85fpyk（fptk和fpyk分别为钢丝极限抗拉强度标准值和钢筋屈服强度标准值），分级加载并进行观测。

取值75%的设计轴向拉力为锁定荷载进行锁定作业，为减小邻近锚杆张拉的应力损失，预应力锚杆采用隔一拉一的“跳张法”张拉。

3）防腐处理

防腐处理土层锚杆属临时性结构，宜采用简单防腐方法。锚固段采用水泥砂浆封闭防腐，锚筋周围保护层厚度不得小于10mm；自由段锚筋涂润滑油或防腐漆，外部包裹塑料布，进行防腐处理；锚头采用沥青防腐。

5.土钉支护

基坑开挖的坡面上，采用机械钻孔，孔内放入钢筋并注浆，在坡面上安装钢筋网，喷射厚度为80～200mm的C20混凝土，使土体、钢筋与喷射混凝土面板结合为一体，强化土体的稳定性。这种深基坑的支护结构称为土钉支护，又称喷锚支护、土钉墙。

1）土钉支护的构造和特点

（1）土钉支护的构造。

①土钉采用直径为16～32mm的Ⅱ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，与水平面夹角一般为10°～20°；

②钢筋网采用直径为6～l0mm的Ⅰ级钢筋，间距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80～200mm，常用100mm；

④注浆采用强度不低于20MPa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。

（2）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，利于安全施工；

②土钉支护位移小，约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；

⑤适用于地下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。

2）土钉支护的作用机理

在复合土体内，土钉与土体共同承受外荷载和自重应力。土钉有很强的抗拉、抗剪能力及与土体无法相比的抗弯刚度，所以当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移，当土体出现裂缝时，土钉内出现弯剪、拉剪等复合应力，导致土钉锚体中浆体碎裂，钢筋屈曲。复合土体塑料变形延迟、渐进性开裂，与土钉支护的分担作用是密切相关的。土钉支护通过应力传递作用，将滑裂区域内部分应力传递到后面稳定土体中，并分散到较大范围的土体内，降低了应力集中程度。

喷射混凝土面板对坡面起约束作用，面板约束力取决于土钉表面与土的摩阻力。复合土体开裂面区域扩大并连成片时，摩阻力主要来自开裂区域后面的稳定复合土体。

由土钉形成的复合土体有效地提高了土体的整体刚度，弥补了土体抗拉、抗剪的不足，通过相互作用，显著地提高了土体的整体稳定性。

3）土钉支护的施工

土钉支护施工工序为定位、成孔、插钢筋、注浆、喷射混凝土。

（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70～120mm。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）植筋。

将直径为16～32mm的Ⅱ级以上螺纹钢筋插入钻孔的土层中，钢筋应平直，必须除锈、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，水灰比为0.4～0.45，水泥砂浆配合比为1∶1或1∶2。利用注浆泵注浆，注浆管插入到距孔底250～500mm处，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，其水泥标号宜用425号，水泥与砂石的质量比为1∶4～1∶4.5，砂率为45%～55%，水灰比为0.4～0.45，粗骨料碎石或卵石粒径不宜大于15mm。

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大于20mm。喷射完成后终凝2h后进行洒水养护3～7d。