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。
1、支挡式结构
支挡式结构是由挡土构件和锚杆或支撑组成的一类支护结构体系的统称,其结构类型包括∶排桩-锚杆结构、排桩-支撑结构-地下连续墙-锚杆结构、地下连续墙-支撑结构、悬臂式排桩或地下连续墙、双排桩结构等。支挡式结构受力明确,计算方法和工程实践相对成熟,是目前应用最多也较为可靠的支护结构形式。
锚拉式支挡结构(排桩-锚杆结构、地下连续墙-锚杆结构)和支撑式支挡结构(排桩-支撑结构、地下连续墙-支撑结构)易于控制其水平变形,挡土构件内力分布均匀,当基坑较深或基坑周边环境对支护结构位移的要求严格时,常采用这种结构形式。
仅从技术角度讲,支撑式支挡结构比锚拉式支挡结构适用范围要宽得多,但内支撑的设置给后期主体地下结构施工造成较大障碍,所以,当能用其他支护结构形式时,人们一般不愿意首选内支撑结构。
锚拉式支挡结构可以给后期主体结构施工提供很大的便利,但有些条件下是不适合使用锚杆的,详见表2.9,各类支护结构的使用条件。另外,锚杆长期留在地下,给相邻地域的使用和地下空间开发造成障碍,不符合保护环境和可持续发展的要求。在有些情况下,锚杆将侵入红线之外的地下区域,违背城市地下空间规划法规要求。
悬臂式支挡结构顶部位移较大,内力分布不理想,但可省去锚杆和支撑,当基坑较浅且基坑周边环境对支护结构位移的限制不严格时,可采用悬臂式支挡结构。
双排桩支挡结构是一种刚架结构形式,其内力分布特性明显优于悬臂式结构,水平变形也比悬臂式结构小得多,适用于场地空间充足,开挖深度较深,变形控制要求较高,且无法设置内支撑体系的工程。
另外,支护结构与主体结构相结合的逆作法由于具有挡土安全性高、变形小、工期短、经济效益显著等优点而得到大量应用,而具有挡土和截水功能的咬合桩(也称为 AB桩) 支护方式也在全国各地得到应用。
2、土钉墙及复合土钉墙
土钉墙是一种经济、简便、快速、不需大型施工设备的基坑支护形式。目前的土钉墙设计方法,主要按土钉墙整体滑动稳定性控制,同时对单根土钉抗拔力控制,土钉墙面层及连接按构造设计。
土钉墙设计与支挡式结构相比,一些问题尚未解决或没有成熟、统一的认识。由于国内土钉墙的通常作法是土钉不施加预应力,也只有在基坑有一定变形后土钉才会达到工作状态下的受力水平,因此,理论上土钉墙位移和沉降较大。
当基坑周边变形影响范围内有建筑物等时,是不适合采用土钉墙支护的。
土钉墙与水泥土桩、微型桩及预应力锚杆组合形成的复合土钉墙,主要有下列几种形式∶
(1)土钉墙+预应力锚杆;
(2)土钉墙+水泥土桩;
(3)土钉墙+水泥土桩+预应力锚杆;
(4)土钉墙+微型桩+预应力锚杆;
(5)土钉墙+水泥土桩+微型桩+预应力锚杆。
不同的组合形式作用不同,应根据实际工程需要选择。
3、重力式水泥土墙
水泥土墙是一种非主流的支护结构形式,适用的土质条件较窄,实际工程应用也不广泛。水泥土墙一般用在深度不大的软土基坑。这种条件下,锚杆没有合适的锚固土层,不能提供足够的锚固力,内支撑又会增加主体地下结构施工的难度。这时,当经济、工期、技术可行性等的综合比较较优时,一般才会选择水泥土墙这种支护方式。水泥土墙一般采用搅拌桩,墙体材料是水泥土,其抗拉、抗剪强度较低。按梁式结构设计时性能很差,与混凝土材料无法相比。因此,只有按重力式结构设计时,才会具有一定优势。
水泥土墙用于淤泥质土、淤泥基坑时,基坑深度不宜大于7m。由于按重力式设计,需要较大的墙宽。当基坑深度大于7m时,随基坑深度增加,墙的宽度、深度都太大,施工成本不经济和工期不合理,墙的深度不足会使墙位移、沉降,宽度不足,会使墙开裂甚至倾覆。
搅拌桩水泥土墙虽然也可用于黏性土、粉土、砂土等土类的基坑,但一般不如选择其他支护形式更优。特殊情况下,搅拌桩水泥土墙对这些土类还是可以用的。由于目前国内搅拌桩成桩设备的动力有限,土的密实度、强度较低时才能钻进和搅拌。不同成桩设备的最大钻进搅拌深度不同,新生产、引进的搅拌设备的能力也在不断提高。
4、钻孔咬合桩
钻孔咬合桩墙是一种相邻 A、B 两类桩相互重叠咬合形成密封性很好的既防水又挡土的桩墙,咬合桩也称为 AB 桩。咬合桩在国内一般使用套管钻机施工,先施工 A类桩,再施工 B类桩,一般 A类桩要使用缓凝达 60 小时的超缓凝混凝土浇筑,以便B类桩可以顺利成孔施工。咬合桩示意见图 2.1。
目前,钻孔咬合桩在我国各地都开始得到应用,在国内地下工程围护结构中属于新技术、新工法、新工艺,采用钻孔咬合桩作为地下工程深基坑的围护结构在新加坡、中国香港、中国台湾等地均有成功的工程实例、成熟的施工经验与工法。
与已有的成熟的深基坑围护形式相比,咬合桩有在钻孔过程中不需使用泥浆,成桩精度高、桩体质量好,进度快、造价低,施工过程中噪声小、对周边环境影响小等优点。但咬合桩也有本身的弱点,比如在开挖深度很大的情况下成桩的竖直精度难以控制、接头处的完全防水难以达到、超缓凝混凝土技术不成熟、单一作为基坑围护的临时结构造价过高等;同时在施工技术上,国内没有相应的技术标准,对于咬合桩施工机械的选取、桩体施工顺序、桩体垂直度控制措施以及桩与桩之间咬和质量控制、混凝土超缓凝技术等问题的综合研究还不够深入。
因此,在支护结构选型时,应在了解上述各类支护结构性能的同时,综合考虑基坑深度、土的性状及地下水条件、基坑周边环境对基坑变形的承受能力及支护结构一旦失效可能产生的后果、主体地下结构及基础形式、基坑平面尺寸及形状、支护结构施工的可行性、施工场地条件及施工季节、经济指标、环保性能和施工工期等诸多因素,按表2.9选择支护形式,或采用各类支护形式的组合形式。
软土场地还可采用深层搅拌、注浆,对坑底软土进行局部或整体加固,或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力。