基坑支護結(jié)構(gòu)設計原則及結(jié)構(gòu)選型淺析

錢逢龍

(蕪湖市勘察測繪設計研究院，安徽蕪湖 241000)

基坑支護結(jié)構(gòu)設計原則及結(jié)構(gòu)選型淺析

錢逢龍?

(蕪湖市勘察測繪設計研究院，安徽蕪湖 241000)

基坑開挖是現(xiàn)代建筑工程施工非常關(guān)鍵的工程，尤其是在現(xiàn)代城市建筑施工中，必須確保臨近結(jié)構(gòu)物、管線、管道的安全，又要確保基坑自身的施工安全，因此基坑開挖支護結(jié)構(gòu)設計尤為重要；另外，也應該根據(jù)不同的地質(zhì)條件、安全等級選用不同的支護形式，以達到安全、穩(wěn)定、便于施工、經(jīng)濟的目的。文章就常用的幾種基坑支護結(jié)構(gòu)形式的適用條件以及基坑支護結(jié)構(gòu)的設計原則進行了探討。

基坑支護；設計原則；結(jié)構(gòu)選型

隨著城市建設的不斷發(fā)展，地下空間的利用已經(jīng)越來越受到人們的重視，現(xiàn)代城市大型建筑工程均設有地下室，因此基坑開挖已成為城市建筑工程中相當重要的一部分。由于城市建筑比較密集，地下管線眾多，基坑開挖施工即要保證相鄰結(jié)構(gòu)物的安全，又要確保自身的施工安全，這就對基坑支護結(jié)構(gòu)的安全、牢靠性提出了更高的要求，尤其是支護結(jié)構(gòu)的形式及其結(jié)構(gòu)設計尤為重要。文章主要就基坑開挖支護結(jié)構(gòu)的選型及其設計原則進行深入的探討。

1 基坑支護結(jié)構(gòu)的類型

1.1 鋼板樁

鋼板樁利用震動打樁機械或者插打機械按照設計位置插打就位，并設置內(nèi)支撐系統(tǒng)，分層開挖逐層支撐，在工程施工完成后便可以回收再次利用。通常我們使用的鋼板樁有“拉森”鋼板樁與槽鋼鋼板樁兩種。槽鋼鋼板樁由于剛度較小、容易變形，而且抗?jié)B性能差，容易進水，因此通常只在淺基坑支護結(jié)構(gòu)中?！袄变摪鍢锻ㄟ^鎖口彼此互相咬合連接，具有剛度大、抗?jié)B水能力強，因此經(jīng)常應用于較深的基坑支護結(jié)構(gòu)中。

在周圍建筑物比較密集的軟土地區(qū)不適宜采用鋼板樁支護。因為在軟土中打入鋼板樁時，會對周圍的土體產(chǎn)生擠壓，可能會引起地面隆起，而當工程結(jié)束后，拔出鋼板樁時，又會帶出大量的泥土，從而形成比較大的空洞，如果不及時采取有效的措施，將非常容易導致周圍的地面下沉，而影響周圍結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。

1.2 鋼筋混凝土板樁

事先分塊預制好鋼筋混凝土板樁，每塊間利用企口結(jié)合，當混凝土強度達到設計要求后，便利用打樁機械將其打入設計位置。鋼筋混凝土板樁具有較大的剛度及抗?jié)B能力，能適用各種基坑的開挖支護，但是鋼筋混凝土板樁的投入是一次性的，因此其施工成本較高。

1.3 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是指利用專門的挖槽機械，在地面上按照設計位置，挖出一道狹長的深槽，并將事先加工好的鋼筋籠安裝于槽內(nèi)，然后采用導管法灌注水下混凝土，形成一個槽段，依次施工其他槽段，槽段間采用特殊的接頭方式連接，從而在地下形成一道鋼筋混凝土墻。地下連續(xù)墻具有剛度大、截水、抗?jié)B性能相當強，因此，在基坑開挖時，可以抵抗很大的土壓力，在以往的工程實例中極少發(fā)生坍塌或者地基沉降等事故。另外，地下連續(xù)墻施工震動比較小、產(chǎn)生的噪音較低，對周圍的地基不產(chǎn)生擾動，因此非常適用于城市建筑基坑開挖支護工程。地下連續(xù)墻的適應性特別強，能適應于各種地基條件下的支護結(jié)構(gòu)，經(jīng)常應用于較深的基坑支護中，比如地鐵、車站、多層地下車庫等。但是地下連續(xù)墻施工成本比較高。

1.4 鉆孔灌注排樁

利用鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu)，各樁間采用壓力注漿或者旋噴樁來進行防滲水處理，再用鋼筋混凝土圈梁將排樁連接成整體結(jié)構(gòu)，從而形成基坑支護結(jié)構(gòu)。該種支護結(jié)構(gòu)可分為錨固式、懸臂式、內(nèi)支撐式三種結(jié)構(gòu)形式。

錨固式:鉆孔灌注排樁與土層錨桿、錨定板等聯(lián)合使用，可用于較深的基坑。該結(jié)構(gòu)形式具有挖土效率高、施工方便等優(yōu)點，但是水泥用量及鋼材用量比較大。

懸臂式結(jié)構(gòu)的特點是施工作業(yè)面開闊，基坑開挖施工效率高，相對比較經(jīng)濟。但是其支護深度應該根據(jù)不同的地質(zhì)條件以及不同的樁徑而確定。

內(nèi)支撐式就是在基坑內(nèi)設置型鋼支撐桿或者鋼筋混凝土支撐桿，以抵抗土側(cè)壓力，通常支撐可水平設置也可以斜向設置。在支護結(jié)構(gòu)不高、開挖深度不大的情況下通常采用斜向支撐；而基坑深度較大時一般采用水平支撐，并分多層布置。

1.5 圍筒式支護結(jié)構(gòu)

圍筒式支護結(jié)構(gòu)按照平面布置形式又可以分為拱形、圓形、復合型等結(jié)構(gòu)形式。該種支護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力比較合理，使得支護材料的強度得以充分發(fā)揮，整體剛度較大，位移量很小。圍筒式支護結(jié)構(gòu)一般是利用鉆孔灌注樁形成圓形、弧形排樁結(jié)構(gòu)；或者利用水泥攪拌樁、素混凝土樁形成拱形結(jié)構(gòu)，僅在拱腳位置設置一根鋼筋混凝土樁，來增墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.6 水泥土深層攪拌樁擋墻

采用深層攪拌法形成重力式擋墻，通常布置成格柵狀，該結(jié)構(gòu)無需設置支撐，不滲水，施工材料僅為水泥，無需鋼材，因此造價較低。但是，其穩(wěn)定性與其截面尺寸有很大關(guān)系，若開挖深度較大時，該類結(jié)構(gòu)的寬度也需要增大，因此占地面積較大。

2 基坑支護結(jié)構(gòu)的設計原則

基坑支護結(jié)構(gòu)設計應該根據(jù)其破壞后果的嚴重性分別采用不同的安全等級。若破壞后果相當嚴重應采用一級安全等級，破壞后果嚴重的采用二級，破壞后果不嚴重的采用三級?；又ёo結(jié)構(gòu)通常按照承載力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)來進行設計驗算。

2.1 承載力極限狀態(tài)

我們通常也將承載力極限狀態(tài)稱之為應力極限狀態(tài)。包括下列幾種情況:

①抗剪切破壞要求滿足下式:

其中:τp為樁所承受的剪應力；[τp]為支護結(jié)構(gòu)的抗剪強度。

②抗傾覆破壞的極限狀態(tài)要求滿足下式:

式中:Ep為支護結(jié)構(gòu)承受的被動土壓力；Ea為支護結(jié)構(gòu)承受的主動土壓力。

③抗滑動破壞的極限狀態(tài)要求滿足:

式中:τs為滑動面上地基土受到的剪應力；[τs]為地基土的抗剪強度。

④抗彎破壞的極限狀態(tài)要求滿足:

式中:M為支護結(jié)構(gòu)截面所受的彎矩；[M]為支護結(jié)構(gòu)的抗彎強度。

2.2 正常使用極限狀態(tài)

我們通常也將正常使用極限狀態(tài)稱之為變形極限狀態(tài)?；又ёo結(jié)構(gòu)在土側(cè)壓力的作用下若發(fā)生較大位移，那么周圍的地表勢必會出現(xiàn)下沉，有可能導致周圍的結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)開裂，影響其正常使用。若變形量過大，甚至會造成周圍建筑物傾斜、倒塌，地下管線斷裂等情況。因此，在進行基坑支護結(jié)構(gòu)設計時必須確保支護結(jié)構(gòu)的位移量控制在允許范圍以內(nèi)。

3 計算方法

以前采用的古典法及解析法計算出來的結(jié)果與實際情況誤差比較大，因為它們均不能有效的反應基坑開挖過程中擋土結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的軸立變化。所以，現(xiàn)在基本上都是采用有限元法來進行計算，該法可以有效地計入施工過程中各種因素的影響，比如被動土壓力及主動土壓力的變化，隨著開挖深度的增加支撐的層數(shù)數(shù)量的增加，支撐架設前后擋土結(jié)構(gòu)的位移變化，支撐預加力對擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響等問題。

有限元法可以在確保支護結(jié)構(gòu)的安全情況下，最大限度的優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)，讓其結(jié)構(gòu)更為合理，更經(jīng)濟。有限元分析法主要有“連續(xù)介質(zhì)有限元法”與“彈性桿系有限元法”兩種。

有限元法就是將土體、支護結(jié)構(gòu)進行單元劃分，通過數(shù)值模擬，從而得到支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移，也可以算出整個土體的位移場和應力場。它的優(yōu)點在于能充分的考慮土體的性質(zhì)，采用不同的模型、邊界條件，從而更加真實的反映實際情況；對于分步施工過程可以采用動態(tài)模擬計算，可對每一步開挖的應力和位移作出分析。采用空間三維有限元分析還可以較好的對基坑的整體形狀作出模擬，對一些角撐、圈梁和圍檁模擬。

4 支護結(jié)構(gòu)選型

基坑支護的目的是確保基坑開挖自身坑壁的穩(wěn)定及施工安全；保證周圍臨近結(jié)構(gòu)物、地下管線的安全；便于基坑開挖施工及地下工程建設；支護結(jié)構(gòu)受力明確、施工方便、節(jié)約成本。因此，支護結(jié)構(gòu)選型應該本著安全、經(jīng)濟、合理、因地適宜的原則。

安全是基坑支護結(jié)構(gòu)的核心問題，不僅僅要考慮支護體系自身的安全，確?；娱_挖施工的順利進行，又要保證周圍結(jié)構(gòu)物、地下管線的正常使用。支護結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性指的也不僅僅是支護結(jié)構(gòu)自身的造價，還應該考慮到施工工期、安全等各方面的綜合經(jīng)濟效益。

一個好的支護體系，應該要做到因地制宜，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際條件，選用合理的支護結(jié)構(gòu)形式。在地質(zhì)條件與開挖深度均相同時，允許支護結(jié)構(gòu)位移量不同，采用的支護形式及產(chǎn)生的費用有可能相差很大。

基坑支護結(jié)構(gòu)因為是一種臨時結(jié)構(gòu)，因此再設計時采用的安全系數(shù)不宜過大，但是，必須由一定的安全儲備?？梢詮慕?jīng)濟與安全兩個方面綜合考慮，可采用較低的安全系數(shù)下，加強基坑開挖過程中的堅持，并準備相應的應急措施，當發(fā)現(xiàn)事故的苗頭時，立即處理，確保安全。

一般講，軟粘土地基中基坑工程要側(cè)重處理支護體系圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，或者說處理好擋土問題；地下流水位較高的砂性土地基中基坑工程要側(cè)重處理好水的問題，如何降低地下水位，如何設置好止水帷幕，軟粘土地基中基坑工程支護體系失穩(wěn)往往是支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。引起支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因很多，有設計方面的原因，也有施工方面的原因，也有對地質(zhì)條件了解不清楚的原因。滲透性較大的地基中基坑工程支護體系失敗往往是水的問題未處理好。要根據(jù)地基土質(zhì)情況合理選用支護體系。

5 總 結(jié)

基坑支護結(jié)構(gòu)的選型、設計不但關(guān)系到該工程的施工安全，還對周圍建筑物的安全有很大的影響，因此，要將安全放在首要位置。另外，還要因地制宜，選用結(jié)構(gòu)合理、施工方便、經(jīng)濟適用的支護結(jié)構(gòu)形式。

[1] 余志成，施文華.深基坑支護設計與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997

[2] 張恩慶，陳波.巖土工程勘察治理實用手冊[M].北京:中國建筑材料工業(yè)中心出版社，2001，11

[3] 龔曉南，高有潮.深基坑工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998

[4] 趙發(fā)章.深基坑邊坡支護工程技術(shù)[J].施工技術(shù)，2006 (6)

[5] 黃強.建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程應用手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999

Structure of Foundation Pit Support Design Principle and Analysis of Structure Model Selection

Qian FengLong
(Wuhu Geotechnical and Survey Design Institute，Wuhu 241000，China)

Pit excavation is modern construction construction very key of engineering，especially in modern city building construction in the，must ensure near structure property，and pipeline，and pipeline of security，again ensure pit itself of construction security，therefore pit excavation support nursing structure design is particularly important；also，also should under different of geological conditions，and security level selection different of support nursing form，to reached security，and stability，and easy construction，and economic of purpose.Article on commonly used several forms of Foundation pit support structure of suitable conditions，and the structure of Foundation pit support design principles was discussed，for the majority of the Builders Exchange.

Foundation pit support Design principles Structural type selection

1672－8262(2010)03－174－03

TU753

B

2011—04—18

錢逢龍(1977—)，男，工程師，主要從事巖土工程勘察、基坑支護設計與施工等工作。