基坑工程术语解析：基坑、周边环境、支护及支护结构

1.1基坑工程术语

（1）基坑，是指为修建建（构）筑物地下部分而从地面开挖的空间。

（2）基坑周围环境，是指与基坑周边有相互作用的建（构）筑物、地下管线、道路、岩土体、地下水等。

（3）基坑支护，是指为保护地下主体结构施工安全和基坑周围环境安全，对基坑采取的临时支护、加固、防护及地下水控制措施。

(4) 围护结构：支撑或加固基坑侧壁的结构。

(5)设计使用年限，是指设计规定的从基坑开挖至预定深度起至完成基坑支护功能为止的时间。

(6) 支挡结构:主要由挡土构件和锚杆或支撑组成，或主要仅由挡土构件组成的支挡结构。

（7）锚固支护结构：主要由挡土构件和锚杆组成的支护结构。

（8）支撑式支挡结构：主要由挡土构件和支撑架组成的支撑式支挡结构。

（9）悬臂式支护结构：主要由挡土构件组成的支护结构。

（10）挡土结构构件：设置在基坑边墙上并埋设在基坑底部的支护结构的垂直构件。例如，挡土桩、地下连续墙等。

（11）桩墙：沿基坑边墙布置的支撑桩与盖梁组成的围护结构，或采用悬臂式围护结构。

(12)双排桩墙：由沿基坑边墙布置的两排支撑桩、梁连接而成的刚性框架与盖梁组成的围护结构。

（13）地下连续墙：利用专用机械将钢筋混凝土按槽段浇筑而成的连续地下墙。也可称现浇地下连续墙。

（14）锚杆：锚杆由杆体（钢绞线、预应力螺纹钢筋、普通钢筋或钢管）、注浆固结体、锚杆和套管组成。一端与支护结构件连接，另一端与支护结构件连接。锚固在稳定岩体中的一种拉杆。当杆体采用钢绞线制成时，也可称为锚索。

（15）支撑杆是安装在基坑内，用钢筋混凝土或钢构件制成的结构构件，用于支撑挡土构件。当支撑构件由钢或混凝土制成时，分别称为钢支撑杆或混凝土支撑杆。

(16) 盖梁：安装在挡土构件顶部的钢筋混凝土梁，用于将挡土构件固定在一起。

(17) 围梁：挡土结构侧面与锚杆或内部支撑杆连接的钢筋混凝土梁或钢梁。

（18）土钉：埋入土体并灌浆以承受拉力和剪力的杆体。例如由钢筋和灌浆固结体组成的加固型土钉、打入土体的钢管土钉。

(19) 土钉墙：由一组随基坑开挖分层设置的纵、横方向密集分布的土钉、喷射混凝土面层及原位土体构成的支护结构。

(20) 复合土钉墙：由土钉墙与预应力锚杆、微型桩、旋喷桩、搅拌桩中的一种或多种构成的复合支护结构。

(21)重力式水泥土墙：将水泥土桩重叠堆砌，形成网格状或实体结构的重力式支撑结构。

（22）地下水控制，是指为保证支护结构、基坑开挖和地下结构的正常施工和防止地下水变化对基坑周围环境影响而采取的截水、降水、排水、回灌等措施。

（23）截流帷幕：用于阻挡或减少地下水通过基坑边墙和坑底流入基坑，并控制基坑外地下水位下降的幕墙式垂直排水沟。

（24）截流密闭帷幕：底端穿透含水层，进入下伏防渗层一定深度的截流密闭帷幕。

（25）非封闭式截流帷幕：底端未穿透含水层的截流帷幕。

（26）降水是利用抽水井或渗水井降低基坑内外地下水位，防止地下水通过坑边墙和坑底流入基坑的方法。

（27）明渠抽水：利用排水沟、集水井、排水管、输水管等组成的排水系统，将地表水和渗漏水排出基坑的排水方法。

1.2 主要符号

（1）作用与效果

Eak、Epk——主动土压力和被动土压力的标准值；

G——支护结构及土体的自重；

J——穿透力；

M——弯矩设计值；

Mk——标准作用组合弯矩值；

N——轴拉力或轴压设计值；

Nk——标准组合的轴向拉力值或轴向压力值；

p0——基础底面附加压力标准值；

pak、ppk——主动土压强度、被动土压强度标准值；

ps——分布土体反力；

ps0——分布土体反力初值；

P——预紧轴向力；

q——降水井单井流量；

q0——均布附加荷载标准值；

s——建筑物地基或地面因降水引起的固结沉降；

sd——基坑地下水位设计降幅；

Sd——作用组合效应设计值；

Sk——作用标准组合效应或作用标准值效应；

u——孔隙水压力；

V——抗剪设计值；

Vk——标准作用组合剪力值；

v 是挡土墙的水平位移。

（2）材料特性及阻力

C——正常使用极限状态下支撑结构位移或建筑基础、地面沉降的限值；

c——土壤黏聚力；

Ec——锚栓复弹性模量；

Em——锚杆固结体的弹性模量；

Es——锚杆或支撑的弹性模量或土体的压缩模量；

fcs——开挖龄期水泥土轴向抗压强度设计值；

fpy——预应力筋抗拉强度设计值；

fy——普通钢筋抗拉强度设计值；

k——土体的渗透系数；

q0——单井产水量；

Rk——锚杆或土钉极限抗拔承载力标准值；

qsk——土与锚或土钉极限粘结强度标准值；

Rd——结构构件的抗力设计值；

R——影响半径；

γ——土体的天然密度；

γcs——水泥土墙自重；

γw——地下水重力；

φ——土体的内摩擦角。

（3）几何参数

A——构件的横截面积；

Ap——预应力筋的横截面积；

As——普通钢筋的横截面积；

b——截面宽度；

d——桩、锚杆、土钉的直径或基础埋置深度；

h——基坑深度或构件段高度；

H——潜水含水层厚度；

ld——挡土构件埋置深度；

l0——压缩支撑构件的长度；

M——承压水含水层厚度；

rw——降水井半径；

β——土钉墙坡度与水平面的夹角；

α ——锚杆或土钉的倾斜角或支撑轴线与水平面的夹角。

(4) 设计参数及计算系数

ks——土体的水平反力系数；

kR——弹性支点轴向刚度系数；

K——安全系数；

Ka——主动土压力系数；

Kp——被动土压力系数；

m——土体的水平反应系数比例系数；

α——支撑松弛系数；

γF——基本作用组合综合子项系数；

γ0——支护结构重要性系数；

ξ——边坡倾斜时的主动土压力减小系数；

λ——支撑定点调整系数；

μ——墙体材料的剪切系数；

ψw——沉降计算经验系数。

1.3 基坑支护设计原则

（1）基坑支护设计应规定其设计使用年限。基坑支护的设计使用年限不宜少于1年。

(2)基坑支护应满足的功能要求

①保证基坑周围建（构）筑物、地下管线、道路的安全和正常使用；

②确保地下主体结构施工空间。

(3)基坑支护设计时，应综合考虑基坑周围环境、地质条件复杂程度、基坑深度等因素，基础支护结构的安全等级应按表1-1的规定采用，可采用不同的安全等级。

表1-1 基础支护结构安全等级

(4) 支撑结构设计应采用的极限状态

①支护结构构件或连接因超过材料强度而损坏，或因变形过大不宜继续承受荷载，或发生屈曲或局部失稳；支护结构与土体整体滑移；坑底因土体隆起而破坏；对于挡土结构，挡土构件失去预埋能力而被推挤或倾覆；对于锚拉式挡土结构或土钉墙，由于土体的推挤，锚杆或土钉失去锚固能力而发生倾覆或滑移；重力式水泥土墙及挡土结构因失去承载力而破坏；地下水渗流引起土体入渗破坏。

②超过正常使用极限状态，造成基坑周围建（构）筑物、地下管线、道路等发生损坏或支护结构发生位移，影响其正常使用；因地下水位下降、地下水渗流或施工因素，造成基坑周围建（构）筑物发生土体变形，造成建（构）筑物、地下管线、道路等发生损坏或影响其正常使用；支护结构发生位移，影响地下主要结构正常施工；地下水渗流，影响地下主要结构正常施工。

（5）基坑支护结构、基坑周围建筑物、地面沉降、地下水控制计算与校核

① 极限承载力状态。

a.支撑结构构件或连接件因材料强度超过规定值或变形过大而进行的承载力极限状态设计，应符合下列要求：

γ0Sd≤Rd（1-1）

式中γ0为支护结构重要性系数；

Sd——基本作用组合效应（轴向力、弯矩等）的设计值；

Rd 为结构构件的设计抗力值。

对于临时支撑结构，基本作用组合效应的设计值应按下式确定：

Sd=γFSk（1-2）

式中γF为基本作用组合综合分项系数；

Sk——标准动作组合的效果。

b.整体滑动、坑底隆起失稳、挡土构件预埋段位移、锚杆、土钉拔出、支护结构倾覆滑移、土体渗透破坏等稳定性计算及校核应符合下列要求：

[插图]

式中Rk为锚、土钉的抗滑力、抗滑弯矩、抗倾覆弯矩、极限抗拔承载力等土体抗力标准值；

Sk——滑动力、滑动矩、倾覆矩、锚杆、土钉拉力等标准值的影响；

K——安全系数。

②正常使用极限状态。受支护结构水平位移、基坑周围建筑物及地面沉降控制的正常使用极限状态设计，应满足下列要求：

Sd≤C（1-4）

式中Sd为作用标准组合效应（位移、沉降等）设计值；

C——基坑周围支护结构水平位移、建筑物及地面沉降限值。

(6)支护结构构件按承载力极限状态设计时的基本作用组合综合分项系数不宜小于1.25，对于安全等级为一级、二级、三级的支护结构，其结构重要性系数分别不宜小于1.1、1.0、0.9。

(7) 支座结构重要性系数与基本作用组合效应设计值(γ0Sd)的乘积可采用下列内力设计值表示:

弯矩设计值

M = γ0γFMk（1-5）

剪力设计值

V = γ0γFVk（1-6）

轴向力设计值

N=γ0γFNk（1-7）

式中M为弯矩设计值，kN·m；

Mk——标准作用组合弯矩值，kN·m；

V——剪力设计值，kN；

Vk——标准作用组合剪力值，kN；

N——轴向拉力设计值或轴向压力设计值，kN；

Nk——标准作用组合的轴向拉力或轴向压力值，kN。

1.4 水平荷载

（1）计算作用于支撑结构的水平荷载时应考虑的因素

①基坑内外土体的自重（包括地下水）；

②基坑周围既有和在建建（构）筑物荷载；

③基坑周围施工材料、设备的荷载；

④基坑周围道路上的车辆荷载；

⑤冻胀、气温变化等因素的影响。

(2)作用于支护结构上的土压力，应按下列规定确定:

① 支护结构外侧的主动土压力强度标准值和支护结构内侧的被动土压力强度标准值，应按下式计算(图1-1)。

图1-1 土压力计算

a. 对于地下水位以上或水土平衡的土层：

式中pak为支护结构外第i层土体中计算点处的主动土压力强度标准值，kPa；

σak、σpk —— 分别按本节第(5)条规定计算的支护结构外部和内部计算点处土体垂直应力标准值，单位为kPa；

Ka,i、Kp,i——分别为第i层土体的主动土压力系数、被动土压力系数；

ci、φi——第i层土体的黏聚力，kPa，内摩擦角，（°）；按《建筑基坑支护技术规范》（JGJ 120-2012）第3.1.14条的规定取值；

ppk——支护结构内部第i层土体计算点处的被动土压力强度标准值，kPa。

b. 对于水土分离的土层：

式中ua、up分别为支护结构外侧、内侧计算点的水压力，单位为kPa。对于静态地下水，应按本节第(4)条的规定取值。当采用悬挂式截水帷幕时，应考虑帷幕底部向基坑内渗流的地下水对水压力的影响。

②在土压力的影响范围内，当存在相邻建筑物地下墙体等稳定接触面时，可采用库仑土压力理论，计算接触面内有限滑动楔体产生的主动土压力，此时同一土层的土压力可沿深度呈线性分布，且支护结构与土体间的摩擦角宜为零。

③当需要严格限制支护结构的水平位移时，宜将支护结构外侧的土压力取为静态土压力。

④当有可靠经验时，可采用支护结构与土体共同作用的方法计算土压力。

（3）计算层状土体土压力时，各土层厚度应符合下列规定：

①当土层厚度比较均匀且土层坡度比较平缓时，宜取相邻勘探孔内各土层厚度，或取同一计算段内各土层厚度的平均厚度。

②当同一计算段内各勘探孔土层厚度分布不均匀时，应取最不利勘探孔的土层厚度。

③对于距离勘探孔较远的复杂地层，应综合分析土层变化趋势后确定计算土层厚度。

④当相邻土层的土性质相似，且其对土压力的影响可以忽略或有利时，可合并为同一计算土层。

(4) 静态地下水水压可按下列公式计算

UA = γwhwa (1-14)

向上 = γwhwp (1-15)

式中γw为地下水密度，kN/m3，γw=10kN/m3；

hwa——基坑外地下水位至主动土压力强度计算点的垂直距离，m；对于承压水，地下水位为压水计水位；当存在多个含水层时，应取计算点所在含水层的水位作为地下水位；

hwp ——基坑内地下水位至被动土压力强度计算点的垂直距离，m。对于承压水，地下水位为压力计水位。

(5) 土体垂直应力标准值应按下式计算

σpk=σpc（1-17）

式中σac为支护结构外计算点处土体自重产生的总垂直应力，kPa；

σpc——支护结构内部计算点处土体自重产生的总垂直应力，kPa；

Δσk,j ——支护结构外第j个附加荷载作用下计算点土体中附加垂直应力标准值，单位为kPa，应按本节(6)至(8)项附加荷载类型计算。

(6)均匀附加荷载作用下土体中附加垂直应力标准值，应按下式计算(图1-2):

图1-2 均布垂直附加荷载作用下土体垂直附加应力计算

Δσk=q0（1-18）

式中q0为均布附加荷载标准值，kPa。

(7) 局部附加荷载作用下土体中附加垂直应力的标准值，可按下列规定计算:

①条形基础下附加荷载[图1-3(a)]。

当d+a/tanθ≤za≤d+（3a+b）/tanθ时：

[插图]

式中p0为基础底面附加压力标准值，kPa；

d——基础埋深，m；

b——基础宽度，m；

a——支撑结构外缘至基础的水平距离，m；

θ——附加载荷扩散角，（°），优选θ=45°；

za ——支护结构顶面至土体中附加垂直应力计算点的垂直距离。

当zad+（3a+b）/tanθ时，取Δσk=0。

②矩形基础下附加荷载[图1-3(a)]。

当d+a/tanθ≤za≤d+（3a+b）/tanθ时：

[插图]

式中，b为垂直于基坑边缘方向的基础尺寸，m；

l ——平行于基坑边缘方向的基础尺寸，m。

当zad+（3a+b）/tanθ时，取Δσk=0。

③对于作用于地面的条形和矩形附加荷载，按本书本节(7)条第①、②点计算土体中附加垂直应力Δσk标准值时，d=0[图1-3(b)]。

图1-3 局部附加荷载作用下土体附加垂直应力计算

(8)当支护结构顶部低于地面，且上方采用斜坡或土钉墙时，支护结构顶部以上土体对支护结构的影响，应按库仑土压力理论计算，也可视为施加附加荷载，并按下式计算土体中附加垂直应力标准值(图1-4)。

图1-4 支护结构顶部以上采用边坡或土钉墙时土体中附加垂直应力计算

①当a/tanθ≤za≤（a+b1）/tanθ时：

[插图]

[插图]

②当za>（a+b1）/tanθ时：

Δσk=γh1（1-23）

③ 何时

Δσk=0（1-24）

式中za为支护结构顶面至土体中附加垂直应力计算点的垂直距离，m；

a——支护结构外缘至坡脚的水平距离，m；

b1——坡面水平尺寸，m；

θ——扩散角度，（°），优选θ=45°；

h1——地面至支撑结构顶面的垂直距离，m；

γ——支护结构顶面以上土体的天然密实度，kN/m3。对于多层土体，取各层按厚度加权的平均值；

c——支护结构顶面以上土体的黏聚力，kPa，按《建筑基坑支护技术规范》（JGJ 120-2012）第 3.1.14 条的规定取值；

Ka为支护结构顶面以上土体的主动土压力系数，对于多层土体取各层按厚度加权的平均值；

Eak1 —— 支护结构顶面以上土体自重产生的单位宽度主动土压力标准值，kN/m。