深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究綜述

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市中的高層建筑日益增多，一些大型市政設(shè)施投入建設(shè)，開發(fā)利用了大量的地下空間。在這一過程中，諸多深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工問題凸現(xiàn)出來，在基坑工程研究領(lǐng)域成為當(dāng)前的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，尤其是深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)更是其中的關(guān)鍵難點(diǎn)[1]。與發(fā)達(dá)國家相比，關(guān)于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面的研究在我國起步相對(duì)較晚，但自上世紀(jì)八十年代以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長，高層建筑物的修建以及地下空間的開發(fā)利用，極大的推動(dòng)了深基坑支護(hù)工程的發(fā)展[2]。與以往不同點(diǎn)在于，如今的基坑開挖不僅要滿足安全和穩(wěn)定性要求，還要滿足變形控制及施工要求，以保證對(duì)周邊建筑物、各種地下管線等市政設(shè)施不產(chǎn)生危害其安全的影響[3]。傳統(tǒng)的板樁支撐和板樁錨拉支護(hù)已很難滿足當(dāng)前許多深基坑工程的支護(hù)需求[4]?；诖?，深基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化、計(jì)算理論，以及后續(xù)的施工技術(shù)，已然成為基礎(chǔ)地下工程中一個(gè)需要長遠(yuǎn)考慮和深入研究的重要課題。

在基坑工程中，一般的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)都屬于臨時(shí)性工程設(shè)施，通常在施工結(jié)束后進(jìn)行拆除，且在整個(gè)施工階段，其工作狀態(tài)也在不斷變化之中。從力學(xué)角度分析其應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，可將其模型概化為本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜的多相半無限體[6]。優(yōu)化設(shè)計(jì)基坑支護(hù)的目的，便在于更好地發(fā)揮其作用，以保證土體應(yīng)力場與滲流場重新處于平衡或動(dòng)態(tài)平衡中。由于模型概化較為復(fù)雜，以及水土參數(shù)[7]既有較大的不確定性與離散性，使得這類問題的分析與計(jì)算難度增加。因此，目前所有基坑支護(hù)系統(tǒng)的計(jì)算方法都具有明顯的近似性。

二、支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型

基于不同的施工條件和施工特點(diǎn)，不同支護(hù)結(jié)構(gòu)擁有不同的適用范圍及工作原理，但按照其作用機(jī)理大致劃分為以下兩種類型：加固型和支擋型[8]。其具體形式如下[9-15]：

(一)放坡開挖及簡易支護(hù)

放坡開挖適用于土質(zhì)條件較好，開挖深度較淺，無地下水或水位低于基坑底面以及現(xiàn)場有足夠的放坡條件。該方法特點(diǎn)是費(fèi)用相對(duì)較低，施工工期短，能為主體結(jié)構(gòu)的施工提高寬敞的施工空間。放坡開挖常搭配簡易支護(hù)，即在坡腳處放置沙包或堆石料，以起到加固邊坡穩(wěn)定性的作用。

(二)懸臂式

懸臂式支護(hù)形式大多為板樁、排樁結(jié)構(gòu)或地下連續(xù)墻等。適用于地基條件較好，基坑深度不深的工程。因懸臂式結(jié)構(gòu)往往具有足夠的深度，故可承擔(dān)足夠的彎矩，但易產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，甚至可能影響周邊建筑物。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要做充分的考慮。

(三)重力式

典型的重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)，如水泥土攪拌樁，就是通過攪拌機(jī)將水泥與土進(jìn)行攪拌后在基坑側(cè)壁形成重力式擋墻，這種通過加固基坑側(cè)壁達(dá)到擋土隔水雙重作用的支付方式，近年來得到較好的發(fā)展和利用。

(四)內(nèi)撐式

內(nèi)支撐體系可采用水平支撐、豎向支撐以及斜支撐。內(nèi)支撐常采用鋼筋混凝土支撐和鋼管(或型鋼)支撐兩種。設(shè)置內(nèi)支撐對(duì)于增加支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗土壓力，并限制其變形的能力有顯著效果。這種支護(hù)能有效控制臨近建筑物的變形量，適用于高深基坑工程支護(hù)，一般輔以排降水措施，屬于被動(dòng)支護(hù)。

(五)拉錨式

拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)由支護(hù)體系和錨固體系兩部分組成。支護(hù)結(jié)構(gòu)體系同內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨固體系可分為錨桿式和地面拉錨式兩種。但在軟粘土地區(qū)，地基難以提供足夠的錨固力，應(yīng)慎用。

深基坑支護(hù)雖為一種臨時(shí)性輔助結(jié)構(gòu)物，但在施工期間，對(duì)保證工程順利進(jìn)行和臨近地基和己有建筑物的結(jié)構(gòu)安全的影響極大，支護(hù)結(jié)構(gòu)選型應(yīng)充分考慮場地周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、基坑開挖深度，地下水等的影響，應(yīng)做到技術(shù)上先進(jìn)、可行，經(jīng)濟(jì)上實(shí)用、合理，使用上安全、可靠。

三、支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度和變形計(jì)算方法

對(duì)于目前支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和變形計(jì)算的理論和方法，大致分為：經(jīng)典方法、彈性地基梁法和有限單元法三類。

(一)經(jīng)典方法

基坑經(jīng)典的計(jì)算方法主要有：二分之一分割法、等值梁法等[16-17]，其主要是把支護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)作一豎直放置的梁，幾道支撐點(diǎn)反彎點(diǎn)和不動(dòng)點(diǎn)，把支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)多支點(diǎn)的梁受墻后土壓力的作用，這種計(jì)算方法雖然可以近似計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，但不能計(jì)算出結(jié)構(gòu)位移，在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越少。針對(duì)深基坑開挖與支護(hù)過程中多支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力問題，有學(xué)者通過考慮采用朗肯土壓力用增量法計(jì)算不同土質(zhì)條件下的支撐力，再把支撐力安1/2分擔(dān)法變?yōu)榉植級(jí)毫?，?jì)算結(jié)果顯示分布?jí)毫εc經(jīng)驗(yàn)土壓力較為一致,兩者間的差別主要是由施工造成的。

(二)彈性地基梁法

彈性地基梁法是把基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化為一豎直放置的一定寬度的彈性地基梁，其主要受墻后土壓力的作用，大部分學(xué)者都將土壓力簡化為一系列的土彈簧,而計(jì)算土彈簧剛度的方法主要有E法、M法、C法，而且橫向支撐結(jié)構(gòu)和錨桿也可以用彈簧系統(tǒng)來代替[18]。此計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了土、結(jié)構(gòu)、支撐和錨桿間的相互作用,如若結(jié)合增量法還可以考慮復(fù)雜的施工過程,彈性地基梁法是目前工程中主要采用的計(jì)算方法,可以滿足工程設(shè)計(jì)中的基本要求。

目前國家相關(guān)基坑支護(hù)規(guī)范中的彈性支點(diǎn)法主要把支撐作為一個(gè)彈性支點(diǎn)，建立彈性地基梁的微分方程并進(jìn)行求解，地基的土抗力主要選擇m法進(jìn)行計(jì)算,而一般對(duì)于分層土的情況，每一層土的m值不同，所建立的微分方程的個(gè)數(shù)需進(jìn)一步增加，所以一般都采用桿的有限元數(shù)值解法進(jìn)行求解，因?yàn)椴捎脧椥灾c(diǎn)法進(jìn)行求解過程較為復(fù)雜。

(三)有限單元法

有限單元法實(shí)質(zhì)上就是把具有無限個(gè)自由度的連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。因此，只要可以明確單元的力學(xué)特性，就可按結(jié)構(gòu)分析的方法來求解，再輔以計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，使得分析過程大為簡化。

四、基坑支護(hù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

(一)地下連續(xù)墻作為建筑地下室側(cè)壁

目前在深大基坑設(shè)計(jì)與施工時(shí)，經(jīng)常采用現(xiàn)澆地下連續(xù)墻來進(jìn)行兩墻合一[19]的設(shè)計(jì)?？梢詼p少臨時(shí)支護(hù)的費(fèi)用，同時(shí)也能減少施工時(shí)的振動(dòng)及噪音影響，不僅強(qiáng)度及剛度大，而且可以很好的起到防水及擋土的作用，在工程完工后的使用階段其也可以起到建筑物基礎(chǔ)外圍墻的作用，直接承擔(dān)上部主體結(jié)構(gòu)傳下來的垂直荷載，充分發(fā)揮其承載力。

(二)豎向內(nèi)支撐作為結(jié)構(gòu)框架柱

在工程面臨水平支撐結(jié)構(gòu)的自重和跨度均較大，承受水平荷載時(shí)容易失穩(wěn)而破壞等問題時(shí)，必須設(shè)置足夠的豎向支撐，基坑支護(hù)豎向支撐立柱及立柱樁的平面布置可以選擇在地下室結(jié)構(gòu)柱上[20]，內(nèi)支撐格構(gòu)柱立柱與主體結(jié)構(gòu)框架柱中心相重合，豎向支撐可采用鋼格構(gòu)柱，上端錨入水平支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)，下端錨入灌注樁內(nèi)，構(gòu)成了地下結(jié)構(gòu)的豎向支撐體系。

(三)帶排水結(jié)構(gòu)中空抗滑樁

在基坑支護(hù)采用單排樁或多排樁加固邊坡時(shí)，可采用排排水抗滑樁的形式。既滿足強(qiáng)度要求，又可克服地下水位過高給施工帶來不便的難題，將降水與加固優(yōu)化于一體，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)約材料。

五、總結(jié)

在深基坑開挖與支護(hù)過程當(dāng)中，為確保工程建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)正確，進(jìn)行基坑支護(hù)方案選擇，控制好基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)力與變形相互間關(guān)系，控制好基坑周邊建筑物的沉降至關(guān)重要。本文對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)選型，支護(hù)系統(tǒng)變形計(jì)算方法，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式進(jìn)行了綜述?？偨Y(jié)如下：

1.支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)根據(jù)基坑開挖深度，工程地質(zhì)條件，地下水等因素，考慮工程環(huán)境效應(yīng)，在滿足安全要求的前提下，做出合理的選擇。

2.有限元法在支護(hù)強(qiáng)度和變形計(jì)算中作為一種更精確、合理的計(jì)算方法，正得到越來越多的運(yùn)用。

3.基坑支護(hù)結(jié)合主體結(jié)構(gòu)功能，在滿足強(qiáng)度要求下，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是一種經(jīng)濟(jì)可行的設(shè)計(jì)創(chuàng)新思路。