淺談深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

許平

摘要：隨著城市建設(shè)的日新月異，城市基坑工程越來(lái)越復(fù)雜，結(jié)合近年來(lái)一些基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，概述了較成熟的基坑支護(hù)類(lèi)型及計(jì)算方法，對(duì)深基坑支護(hù)工程今后的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：軟土地區(qū)；深基坑；支護(hù)

1、前言

城市地下空間開(kāi)發(fā)利用成為我國(guó)城市建設(shè)中的重點(diǎn)，城市地下空間的安全建設(shè)成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大工程問(wèn)題。軟土地基中進(jìn)行基坑開(kāi)挖不僅造價(jià)高、投資大，而且具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性，一旦發(fā)生事故，會(huì)導(dǎo)致工程建設(shè)成本增加和工期延后，更為嚴(yán)重的是會(huì)危及周?chē)ㄖ腿嗣裆?cái)產(chǎn)安全?；庸こ痰难芯恳呀?jīng)取得了很多重要的成果，實(shí)際工程中也形成了適合各種條件的基坑支護(hù)方式：放坡開(kāi)挖、土釘支護(hù)、復(fù)合土釘墻支護(hù)、重力式擋墻支護(hù)、排樁或地連墻支護(hù)。我國(guó)建設(shè)部、冶金部相繼頒布了建筑基坑工程的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各地也先后頒布了地方性的建筑基坑技術(shù)規(guī)程，眾多學(xué)者根據(jù)自身研究成果與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，出版了很多手冊(cè)，為基坑工程的設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)。

2、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型

2.1鋼板樁支護(hù)

鋼板樁（如SMW法）應(yīng)用于建筑深基坑的支護(hù)，是一種施工簡(jiǎn)單、投資經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方法。在軟土地區(qū)過(guò)去應(yīng)用較多，但由于鋼板樁本身柔性大，如支撐或錨拉系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng)，其變形會(huì)很大。因此對(duì)基坑支護(hù)深度達(dá)7m以上軟土地層，基坑支護(hù)不宜采用鋼板支護(hù)，除非設(shè)置多層支撐或錨拉桿，但應(yīng)考慮到地下室施工結(jié)束后鋼板樁拔除時(shí)對(duì)周?chē)鼗偷乇碜冃蔚挠绊憽?/p>

2.2地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是在泥漿護(hù)壁的條件下分槽段構(gòu)筑的鋼筋混凝土墻體，地下連續(xù)墻最早于1950年開(kāi)始應(yīng)用于巴黎的地下建筑工程，我國(guó)在20世紀(jì)60年代初開(kāi)始應(yīng)用于水壩的防滲墻，后來(lái)國(guó)內(nèi)將地下連續(xù)墻用于城市深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最早是廣州白天鵝賓館?，F(xiàn)今，國(guó)內(nèi)地下連續(xù)墻的施工深度已有超過(guò)80m，厚度達(dá)1.4m。由于地下連續(xù)墻具有整體剛度大和防滲性好，適用于地下水位以下的軟粘土和砂土等多種地層條件和復(fù)雜的施工環(huán)境，尤其是基坑底面以下有深層軟土需將墻體插入很深的情況，因此，在國(guó)內(nèi)外的地下工程中得到廣泛應(yīng)用，并且隨著技術(shù)的發(fā)展和施工方法及機(jī)械的改進(jìn)，地下連續(xù)墻發(fā)展到既是基坑施工時(shí)的擋墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又能作為擬建主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻。施工工藝上也可采用逆作法施工，減少對(duì)環(huán)境和地面交通的影響。

2.3柱列式灌注樁、排樁支護(hù)

柱列式間隔布置包括：樁與樁之間有一定凈距的疏排布置形式和樁與樁相切的密排布置形式。為減低工程造價(jià)和施工方便，柱列式灌注樁作為擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)有很好的剛度，但各樁之間，必須在樁頂澆注較大截面的鋼筋混凝土帽梁（冠梁）加以可靠連結(jié)。為防止地下水并夾帶土體顆粒從樁間空隙流入坑內(nèi)，應(yīng)同時(shí)在樁間或樁背采用高壓注漿，設(shè)置深層攪拌樁或在樁后專(zhuān)門(mén)構(gòu)筑防水帷幕。灌注樁施工時(shí)無(wú)振動(dòng)，對(duì)周?chē)徑ㄖ铩⒌缆泛偷叵鹿芫€(xiàn)影響危害比較少。

2.4內(nèi)支撐和錨桿支護(hù)

作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體（如鋼板樁、灌注樁等維護(hù)結(jié)構(gòu)）的支承，內(nèi)支撐（水平橫撐、角撐、斜撐）和錨桿（斜錨桿、錨定板拉桿等）的作用對(duì)保證基坑穩(wěn)定和控制周?chē)貙幼冃螛O為重要。目前支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐，常用的有鋼結(jié)構(gòu)支撐和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支撐兩類(lèi)，鋼結(jié)構(gòu)支撐多用圓鋼管和大規(guī)格的型鋼。為減少擋墻的變形，用鋼結(jié)構(gòu)支撐時(shí)可用液壓千斤頂施加預(yù)應(yīng)力。鋼筋混凝土支撐是近幾年在上海地區(qū)等深基坑施工中發(fā)展起來(lái)的一種支撐形式，它多用土?；蚰０咫S著挖土逐層現(xiàn)澆，截面尺寸和配筋根據(jù)支撐布置和桿件內(nèi)力大小而定，它剛度大、變形小，能有力的控制擋墻變形和周?chē)孛娴淖冃危擞糜谳^深基坑或周?chē)h(huán)境要求較高的地區(qū)。

3、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要計(jì)算方法

近年來(lái)，隨著巖土力學(xué)理論的發(fā)展和各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者的努力，提出了多種計(jì)算理論和方法，歸納起來(lái)，其基本方法大致可分為三類(lèi)：1）極限平衡法；2）彈性抗力法；3）有限元法。

3.1極限平衡法

極限平衡法建立在經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上，但通常采用的朗肯和庫(kù)侖理論所得到的結(jié)果實(shí)際上和土體單元本身的真實(shí)應(yīng)力是有差別的。按地基強(qiáng)度理論，庫(kù)侖理論是把土體看作為一承載體，達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)滑動(dòng)面的形式采用直線(xiàn)滑動(dòng)面的結(jié)果，而在朗肯理論中則為一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，由于庫(kù)侖理論在一定條件下與朗肯理論是一致的，朗肯理論實(shí)質(zhì)上也屬一種直線(xiàn)滑動(dòng)面理論。對(duì)于地基強(qiáng)度而言，直線(xiàn)滑動(dòng)面理論的極限承載力是偏小的，采用曲線(xiàn)滑動(dòng)面理論更為合理。

簡(jiǎn)單地講，朗肯理論在一般情況下的主動(dòng)土壓力都會(huì)偏大，被動(dòng)土壓力偏小，而庫(kù)侖理論中被動(dòng)土壓力在土體內(nèi)摩擦角為較大值時(shí)結(jié)果也會(huì)偏大。用經(jīng)典土力學(xué)理論計(jì)算主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力，計(jì)算柔性擋墻（懸臂式或有支錨結(jié)構(gòu)）的內(nèi)力，對(duì)墻身和支錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種方法對(duì)于普通擋土墻或開(kāi)挖深度不深的鋼板樁是比較成熟的；但對(duì)深基坑，特別是軟土中的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該法就難以考慮更為復(fù)雜的條件，難以分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性狀。例如支護(hù)結(jié)構(gòu)與周?chē)h(huán)境的相互作用，墻體變形對(duì)側(cè)壓力的影響，支錨結(jié)構(gòu)設(shè)置過(guò)程中墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的變化，內(nèi)側(cè)坑底土加固或坑內(nèi)、外降水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響，壓頂圈梁的作用與設(shè)計(jì)，復(fù)合式結(jié)構(gòu)的受力分析等等，這些問(wèn)題往往成為控制支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀的主要因素。

3.2彈性抗力法

彈性抗力法針對(duì)常規(guī)方法中擋墻內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力計(jì)算中的問(wèn)題提出了改進(jìn)。其概念是由于擋墻位移有控制要求，內(nèi)側(cè)不可能達(dá)到完全的被動(dòng)狀態(tài)，實(shí)際上仍處在彈性抗力階段，因此，引用承受水平荷載樁的橫向抗力概念，將外側(cè)主動(dòng)土壓力作為施加在墻體上的水平荷載，用彈性地基梁的方法計(jì)算擋墻的變形與內(nèi)力，土對(duì)墻體的水平向支撐用彈性抗力系數(shù)來(lái)模擬，支錨結(jié)構(gòu)也用彈簧模擬。

這種方法可以視為對(duì)常規(guī)方法的改進(jìn)，但它仍沒(méi)有解決前一種方法的其余問(wèn)題。計(jì)算與實(shí)際符合與否取決于基床系數(shù)的選取，通常用 m 法計(jì)算，即基床系數(shù)隨深度比例增長(zhǎng)，比例系數(shù)為 m。土抗力法在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算中，常將支護(hù)結(jié)構(gòu)前后土體視為由水平向的彈簧組成的計(jì)算模型，通過(guò)撓曲線(xiàn)的近似方程來(lái)計(jì)算擋土結(jié)構(gòu)墻體的彎矩、剪力和變形。按Winkler 假定，每一點(diǎn)的水平向的反力與這點(diǎn)的彈性變形成正比。一般適用于錨拉式平面結(jié)構(gòu)或受力對(duì)稱(chēng)的內(nèi)支撐式平面結(jié)構(gòu)。

3.3有限元和數(shù)值分析法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，有限元和數(shù)值分析法在支護(hù)結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛地應(yīng)用，提供了一種理論上更為合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。它將土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)分別劃分為有限單元進(jìn)行計(jì)算，其優(yōu)點(diǎn)是可以考慮土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，可以從整體上分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及周?chē)馏w的應(yīng)力和位移，而且還可求得基坑的隆起量、地表的沉降量和土中的塑性區(qū)范圍及發(fā)展過(guò)程，還可以與土流變學(xué)相結(jié)合求得各參數(shù)的時(shí)間效應(yīng)。最重要的一點(diǎn)，它適用于動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，按照施工過(guò)程對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐次分析，預(yù)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的性狀。

總的來(lái)說(shuō)，常規(guī)設(shè)計(jì)方法仍然是目前工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方法，但需對(duì)它存在的問(wèn)題加以研究改進(jìn)，發(fā)展有限元方法使之實(shí)用化、系統(tǒng)化，成為支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，供設(shè)計(jì)與施工管理采用。從原理上說(shuō)，常規(guī)方法存在的問(wèn)題在有限元方法中都可不同程度地得到解決。除了數(shù)值分析方法本身的問(wèn)題以外，用有限元方法的關(guān)鍵是正確選用計(jì)算模型和設(shè)計(jì)參數(shù)；另一個(gè)需要研究的問(wèn)題是安全系數(shù)的定義及如何與常規(guī)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)相匹配。如果后一個(gè)問(wèn)題不解決，有限元方法仍然只停留在輔助手段的水平上而不能成為一種可供應(yīng)用的工程設(shè)計(jì)方法。

4、結(jié)束語(yǔ)

基坑工程穩(wěn)定和變形的因素很多，很復(fù)雜；具有很強(qiáng)的工程個(gè)性。從場(chǎng)地分析、土壓力的選用，圍護(hù)形式的合理選用，到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制的每一環(huán)節(jié)，都需要設(shè)計(jì)人員的仔細(xì)分析比較判斷才能做到設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理安全，作為設(shè)計(jì)人員也只有做好這些分析比較，不斷從摸索中積累經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)，才能不斷提高認(rèn)識(shí)，提高設(shè)計(jì)水平。