基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算及方案探討

■劉冀

（中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院 湖南長(zhǎng)沙 410004）

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算及方案探討

■劉冀

（中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院 湖南長(zhǎng)沙 410004）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展和人們生活水平不斷的提高，多層建筑及高層建筑等工程的施工都要進(jìn)行深基坑工程?；庸こ叹哂须y度大、投資大、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系到支護(hù)工程的安全和投資這兩方面的根本問題。本文主要對(duì)深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法進(jìn)行了相關(guān)探討，并最后對(duì)幾種常用的基坑支護(hù)體系做了簡(jiǎn)單論述。

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法方案

1 深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)要求

基坑工程設(shè)計(jì)和施工總的要求就是要做到設(shè)計(jì)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、安全可靠?；又ёo(hù)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)滿足穩(wěn)定和變形的要求，即通常規(guī)范所說的兩種極限狀態(tài)的要求，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)相對(duì)于承載力極限狀態(tài)要有足夠的安全系數(shù)，不致使支護(hù)產(chǎn)生失穩(wěn)，而在保證不出現(xiàn)失穩(wěn)的條件下，還要控制位移量，不致影響周邊建筑物的安全使用。因而，作為設(shè)計(jì)的計(jì)算理論，不但要能計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題，還應(yīng)計(jì)算其變形，并根據(jù)周邊環(huán)境條件，控制變形在一定的范圍內(nèi)。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法

計(jì)算板樁墻的常用方法，主要有自由端支撐法（靜力平衡法）、彈性線法、等值梁法，后來又提出1/2分割法，矩形荷載經(jīng)驗(yàn)法，太沙基法，均適用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算。下面將詳細(xì)介紹靜力平衡法、等值梁法以及土壓力的計(jì)算理論。

2.1 靜力平衡法

假定支護(hù)結(jié)構(gòu)是剛性的，隨著板（樁）入土深度的不同，作用在不同深度上各點(diǎn)的凈土壓力的分布不同。當(dāng)單位寬度板（樁）墻處于穩(wěn)定，相應(yīng)的板（樁）入土深度即為板樁保證其穩(wěn)定性所需要的最小入土深度，可根據(jù)靜力平衡條件即水平力平衡方程（∑H=0）和對(duì)樁底截面的力矩平衡方程（∑M=0）聯(lián)解求得。圖1為單撐（錨）支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖。整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，故作用在擋土結(jié)構(gòu)上的Ra、Ea、Ep三力必須平衡。圖中Ra為支撐（錨）力；Ea為主動(dòng)土壓力；Ep為被動(dòng)土壓力；q。為地面均布荷載。

圖1 底部自由支承單撐（錨）支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)力的平衡條件可以得到：

根據(jù)對(duì)支撐（錨）位置的力矩平衡條件可以得到：

由以上兩個(gè)方程可以得到關(guān)于入土深度t的三次方程，當(dāng)主、被動(dòng)土壓力都確定后，入土深度只隨撐（錨）位置ho而改變，調(diào)整ho可以調(diào)整入土深度，關(guān)系是：ho增大，t減??；反之增大。從而可以達(dá)到調(diào)整樁長(zhǎng)的目的。同時(shí)樁中的最大彎矩也是ho的函數(shù)，當(dāng)ho從小到大增大時(shí)，樁中的最大彎矩是先小后增大，它有一個(gè)最小值，取此值進(jìn)行樁徑設(shè)計(jì)可以使樁徑最小。

2.2 等值梁法

樁入坑底土內(nèi)有彈性嵌固（鉸結(jié)）與固定兩種，當(dāng)作一端彈性嵌固另一端簡(jiǎn)支的梁來研究。擋墻兩側(cè)作用著分布荷載，即主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力，如圖2所示。在計(jì)算過程中所要求得出的仍是樁的入土深度、支撐反力及跨中最大彎矩。

單支撐擋墻下端為彈性嵌固時(shí)，其彎矩如圖2所示，若在得出此彎矩圖前己知彎矩零點(diǎn)位置，并于彎矩零點(diǎn)處將梁（即樁）斷開以簡(jiǎn)支計(jì)算，則不難看出所得該段的彎矩圖將同整體梁計(jì)算時(shí)一樣，此段梁段即稱為整梁該段的等值梁。對(duì)于下端為彈性支撐的單支撐擋墻其凈土壓力零點(diǎn)位置與彎矩零點(diǎn)位置很接近，因此可在壓力零點(diǎn)處將板樁劃開作為兩個(gè)相聯(lián)的簡(jiǎn)支梁來計(jì)算，這種簡(jiǎn)化計(jì)算就稱為等值梁法。

2.3 深基坑支護(hù)的土壓力計(jì)算

2.3.1 土壓力計(jì)算理論及方法

在深入分析研究大量實(shí)測(cè)土壓力試驗(yàn)結(jié)果后，總結(jié)出以下幾個(gè)方面：

①根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在變形低于5%H（H為開挖深度）時(shí)，仍然可以充分發(fā)揮被動(dòng)土壓力，因此，對(duì)于深基坑工程的實(shí)際變形情況來講，借助一些經(jīng)驗(yàn)的位移指標(biāo)來對(duì)墻前土體是否達(dá)到被動(dòng)極限狀態(tài)加以判斷，是有局限性的；

②試驗(yàn)結(jié)果證明了太沙基理論的定性結(jié)論，土壓力大小由位移的大小和位移方向決定；

③許多在粘性土上的基坑支護(hù)工程，沒有完全發(fā)揮護(hù)坡樁鋼筋強(qiáng)度，與鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度相比實(shí)際鋼筋應(yīng)力較低，產(chǎn)生浪費(fèi)，而導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力低的主要原因是計(jì)算土壓力大于實(shí)際土壓力。

2.3.2 水土壓力的合算與分算

根據(jù)有效應(yīng)力原理，就飽和土而言，有效應(yīng)力與孔隙水壓力組成總應(yīng)力。土中孔隙水無強(qiáng)度，土顆粒骨架有一定強(qiáng)度，承受并傳遞有效應(yīng)力，故被動(dòng)土壓力系數(shù)必大于1.0，主動(dòng)土壓力系數(shù)必小于1.0。基于這個(gè)概念，在進(jìn)行水土壓力計(jì)算時(shí)，可知相較于“土、水壓力合算”，“土、水壓力分算”概念要清楚。但因?yàn)橐獪y(cè)得有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，難以做好一般試驗(yàn)，并且水、土壓合算法在一些軟粘土地區(qū)

的臨時(shí)性開挖工程中土壓力計(jì)算值較為符合實(shí)測(cè)值。

3 深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)思路

對(duì)于一個(gè)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要根據(jù)擬建工程水文地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)條件，綜合考慮國(guó)家的經(jīng)濟(jì)及法律規(guī)定、工期要去、造價(jià)要求等來選擇最佳設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)首先應(yīng)是概念設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于可行性方案的篩選與優(yōu)化，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的選擇和優(yōu)化可按以下步驟進(jìn)行：

（1）對(duì)于深基坑不是特別大時(shí)，應(yīng)首先考慮懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要利用基坑地面以下土體提供的土壓力來維持支護(hù)體系平衡，主要結(jié)構(gòu)形式為樁排支護(hù)結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻兩類。但深基坑的設(shè)計(jì)時(shí)，一般不考慮懸臂式板樁支擋。如果考慮采用也應(yīng)當(dāng)對(duì)懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)增加內(nèi)支撐的方法，使之形成混合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐形式常采用錨桿拉接或內(nèi)支撐形式。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮地下水的影響，它直接關(guān)系到設(shè)計(jì)方案的成敗，如基坑土層為滲透系數(shù)較高的粉砂、圓礫等土層時(shí)，井點(diǎn)降水法是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。采用該法不僅可使基坑處于干燥狀態(tài)而便于施工，還可顯著改善土層的物理力學(xué)性質(zhì)，有效減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，從而可達(dá)到節(jié)約和安全的目的。有時(shí)為了減小降水引起的地面附加沉降或?qū)︵徑ǎ?gòu)）筑物造成影響，還可采用井點(diǎn)回灌技術(shù)。當(dāng)?shù)讓訛闈B透系數(shù)較小的粘性土、淤泥等土層時(shí)，可采用深層攪拌樁和高壓旋噴注漿形成止水帷幕?？傊?，不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)于不同的水文地質(zhì)條件，因此，應(yīng)因地制宜選擇經(jīng)濟(jì)適用的方案。

4 常用基坑支護(hù)體系

在基坑支護(hù)中，根據(jù)工程水文地質(zhì)及工程安全等級(jí)、周圍環(huán)境等各方面的要求，通常會(huì)對(duì)以下幾種支護(hù)方式進(jìn)行具體的分析，從而選出最適合于本工程施工的一種支護(hù)方式。

4.1 懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)

懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)依靠足夠的入土深度和結(jié)構(gòu)的抗彎能力來維持整體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。懸臂結(jié)構(gòu)所受土壓力分布是開挖深度的一次函數(shù)，其剪力是深度的二次函數(shù)，彎矩是深度的三次函數(shù)，水平位移是深度的五次函數(shù)。懸臂式結(jié)構(gòu)對(duì)開挖深度很敏感，容易產(chǎn)生較大變形，對(duì)相鄰的建筑物產(chǎn)生不良的影響。懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)適用于土質(zhì)較好、開挖深度較淺的基坑工程。

4.2 水泥土重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)

水泥土與其包圍的天然土形成重力式擋墻支擋周圍土體，保持基坑邊坡穩(wěn)定，深層攪拌水泥土樁重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，常用于軟粘土地區(qū)開挖深度約在6.0m以內(nèi)的基坑工程，水泥土的抗拉強(qiáng)度低，水泥土重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)適用于較淺的基坑工程。

4.3 土釘墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)

土釘墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的機(jī)理可理解為通過在基坑邊坡中設(shè)置土釘，形成加筋土重力式擋墻，起到擋土作用。土釘墻圍護(hù)適用于地下水位以上或者人工降水后的粘性土、粉土、雜填土及非松散砂土、卵石土等；不適用于淤泥質(zhì)及未經(jīng)降水處理地下水以下的土層地基中基坑圍護(hù)。土釘墻圍護(hù)基坑深度一般不超過18m，使用期限不超過18月。

4.4 內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)

內(nèi)撐式圍護(hù)由圍護(hù)體系和內(nèi)撐體系兩部分組成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系常采用鋼筋混凝土樁排樁墻和地下連續(xù)墻型式。內(nèi)撐體系可采用水平支撐和斜支撐。當(dāng)基坑開挖平面面積很大而開挖深度不太大時(shí)，宜采用單層支撐。內(nèi)撐常采用鋼筋混凝土支撐和鋼管（或型鋼）支撐兩種。內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)適用范圍廣，可適用于各種土層和基坑深度。

4.5 槽鋼鋼板樁

槽鋼鋼板樁是一種簡(jiǎn)易的鋼板校園護(hù)墻，由槽鋼正反扣搭接或并排組成。槽鋼長(zhǎng)6—8m，型號(hào)由計(jì)算確定。打人地下后頂部近地面處設(shè)一道拉錨或支撐。由于搭接處不嚴(yán)密，一般不能完全止水。如地下水位高，需要時(shí)可用輕型井點(diǎn)降低地下水位。一般只用于一些小型工程。鋼板樁的優(yōu)點(diǎn)是材料質(zhì)量可靠，在軟土地區(qū)打設(shè)方便，施工速度快而且簡(jiǎn)便；有一定的擋水能力，可多次重復(fù)使用；一般費(fèi)用較低。其缺點(diǎn)是一般的鋼板樁剛度不夠大，用于較深的基坑時(shí)支撐（或拉錨）工作量大，否則變形較大；在透水性較好的土層中不能完全擋水；拔除時(shí)易帶土，如處理不當(dāng)會(huì)引起土層移動(dòng)，可能危害周圍的環(huán)境。由于其截面抗彎能力弱，一般用于深度不超過4m的基坑。

4.6 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是于基坑開挖之前，用特殊挖槽設(shè)備、在泥漿護(hù)壁之下開挖深槽，然后下鋼筋籠澆筑混凝土形成的地下土中的混凝土墻。地下連續(xù)墻用作圍護(hù)墻有下述優(yōu)點(diǎn)：①施工時(shí)振動(dòng)少、噪聲低，可減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，能緊鄰建筑物和地下管線施②地下連續(xù)墻剛度大、整體性好、變形相對(duì)較小，可用于深基坑；③地下連續(xù)墻為連續(xù)整體結(jié)構(gòu)，施工時(shí)處理好接頭部怔，能有較好的抗?jié)B止水作用；地下連續(xù)墻有如下的缺點(diǎn)：如單獨(dú)用作圍護(hù)堵成本較高；施工時(shí)需泥漿護(hù)壁，泥漿要妥善處理，否則影響環(huán)境。當(dāng)基坑深度大，周圍環(huán)境復(fù)雜井要求嚴(yán)格時(shí)，往往首先考慮采用。

5 深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)注意問題分析

（1）充分利用新技術(shù)、新理念，具體事物具體分析，不要生搬硬套傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。在現(xiàn)今的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，還沒有公認(rèn)的、權(quán)威的的計(jì)算公式，基本上都是摸著石頭過河。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要區(qū)別其他設(shè)計(jì)領(lǐng)域，要改變傳統(tǒng)觀念，利用施工監(jiān)測(cè)反饋動(dòng)的態(tài)信息指引設(shè)計(jì)體系。

（2）重視支護(hù)結(jié)構(gòu)理論和材料的試驗(yàn)研究。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。正確的理論必須建立在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上。在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大距離，還有大量的路要走。不過，我國(guó)由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量高層超高層建筑拔地而起，所以積累了擁有大量的第一手施工數(shù)據(jù)，但缺少科學(xué)的測(cè)試數(shù)據(jù)，無法形成理論，我們以后一定要重視。

（3）勇于創(chuàng)新，設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，開拓思路，多進(jìn)行新的嘗試。在施工中深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各元素往往是相互結(jié)合的，各結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，這就要求我們從全局出發(fā)，尋求新的設(shè)計(jì)思路，探索更好的計(jì)算方法。

6 結(jié)語

大型基坑、形狀不規(guī)則的深基坑，最好采用鋼筋混凝土支撐體系；通常第一道支撐是鋼筋混凝土支撐，為了加快施工進(jìn)度，可以考慮第一道支撐采用鋼結(jié)構(gòu)支撐。在可選方案較多的情況下，基坑支護(hù)方案的優(yōu)選對(duì)于周邊環(huán)境的安全以及施工中技術(shù)和經(jīng)濟(jì)投入的影響都是非常巨大的，這就要求工程人員根據(jù)實(shí)際條件、結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，有的放矢地選擇不同的基坑支護(hù)方案，對(duì)各種可能的支護(hù)方案進(jìn)行比較和優(yōu)化，尋求安全可靠和經(jīng)濟(jì)效益的最佳交點(diǎn)。

[1]羅玉清.基坑支護(hù)設(shè)計(jì) [J].福建建材，2014， （6）.

[2]楊潤(rùn)年.淺談深基坑支護(hù)設(shè)計(jì) [J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià)，2013， （2）.

[3]王文忠.復(fù)雜條件下基坑支護(hù)設(shè)計(jì)研究 [J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29（3）: 9-12.

[4]姜思科.深基坑支護(hù)技術(shù)方案的選擇及其優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014，（20）.

[5]蔡承剛，史翠英，李恒寶.某深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案實(shí)施過程中的優(yōu)化 [J].西部探礦工程，2012，39（11）:10-12.

TV551.4[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-10-363-2