深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法

◎李菁

（作者單位：中化地質(zhì)江蘇巖土工程有限公司）

在建設(shè)工程施工過程中，深基坑應(yīng)用非常廣泛，如果方案選擇不合理、施工控制不嚴格，可能會出現(xiàn)流沙、地基隆起，甚至塌方等事故。在實際應(yīng)用過程中，基坑支護和開挖的方法較多，企業(yè)行業(yè)對施工方法的選擇和應(yīng)用存在一定缺陷或不足。本文主要針對深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法進行分析和討論。

一、深基坑支護結(jié)構(gòu)概述

地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)。這種在軟土地區(qū)深基坑開挖施工的支護結(jié)構(gòu)，主要是適合深度超過10m的地質(zhì)環(huán)境，特別是建筑物對土地沉降和偏移有較高要求時，用連續(xù)墻作為支護，更能保證質(zhì)量。一方面，地質(zhì)較為堅硬的土地，不利于連續(xù)墻的開挖施工，軟土地區(qū)地下連續(xù)墻的開挖施工更加便捷，另一方面，這種結(jié)構(gòu)能在軟土地質(zhì)條件中發(fā)揮較大的作用，工程建設(shè)低下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)也利于軟土地區(qū)深基坑的實施，降低開挖難度的同時，也能更好地控制成本。

鋼板樁支護結(jié)構(gòu)，其施工工藝較少，且經(jīng)濟效益比較突出，深基坑施工應(yīng)用鋼板樁支護結(jié)構(gòu)，可靈活地依據(jù)深基坑施工要求選擇合適的鋼板樁類型，常用的有z型、u型及直腹板型。因為，鋼板樁支護結(jié)構(gòu)是可以重復(fù)使用的，雖然結(jié)構(gòu)上有一定的缺陷，對技術(shù)要求較高，但是這種結(jié)構(gòu)十分適合軟土地區(qū)的深基坑支護，對于深度在7m以上，非住宅區(qū)范圍內(nèi)的深基坑支護都會優(yōu)先考慮此結(jié)構(gòu)。

排樁支護結(jié)構(gòu)，比較適合基坑周邊邊坡的土質(zhì)較軟的環(huán)境，這種環(huán)境下很難建設(shè)有效的土拱，設(shè)置排列支護樁就能有效的形成支護作用。只是這種支護結(jié)構(gòu)的設(shè)置，要先對支護樁進行防水和注漿處理，使得鋼筋混凝土的板樁鋼板的分布緊密。常用的是柱列式的排樁支護，若是周邊環(huán)境良好，且地下水位比較低，就能打造土拱架構(gòu)，將一部分的挖孔樁改造成支護結(jié)構(gòu)；若是土地比較軟，且地下水位較高，則可以利用水泥攪拌樁構(gòu)成防滲墻或是灌注樁打造成排樁負責(zé)深基坑支護。若是深度不超過6m，難以使用深層攪拌樁，則應(yīng)該選擇600mm的鉆孔樁負責(zé)深基坑支護。

土釘墻支護結(jié)構(gòu)，這種支護結(jié)構(gòu)，是將一定長度桿件釘進土地結(jié)構(gòu)中，然后在邊坡上安裝好鋼筋制成的網(wǎng)，并進行噴錨，利用了原有的土地結(jié)構(gòu)，借助土釘和噴射的混凝土進行支護，形成復(fù)合型土地。借助土地自由的穩(wěn)定性，使得深基坑施工能順利開展，土釘墻支護結(jié)構(gòu)也會用在開挖比較大且周邊建筑對土地沉降和位移要求不高的條件下。

二、深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

1.優(yōu)化設(shè)計思路。在對設(shè)計方案進行確定的過程中，除了要對施工現(xiàn)場的地形地質(zhì)條件進行充分考慮之外，還要對其有關(guān)行業(yè)規(guī)定和法律法規(guī)進行考慮，從根本上保證深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的經(jīng)濟安全以及科學(xué)合理性。在對支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行優(yōu)化的過程中，在進行支護方式選擇的時候需要與實際情況相結(jié)合。主要做法為：在深基坑支護施工當(dāng)中，支護方式一般有重力式擋土墻支護結(jié)構(gòu)、懸臂式支護結(jié)構(gòu)以及混合式支護結(jié)構(gòu)。所謂的重力式擋土墻支護結(jié)構(gòu)其實就是利用自身重量來確保整體結(jié)構(gòu)的平衡性，避免支護結(jié)構(gòu)由于各方面的壓力而出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。懸臂式支護結(jié)構(gòu)則是在基坑底部嵌入巖土，從而來支撐地面重量，確保結(jié)構(gòu)的整體平衡性。主要用于土質(zhì)狀況良好、基坑深度較淺的場地。而對于混合式支護結(jié)構(gòu)來講，其基礎(chǔ)就是懸臂式支護結(jié)構(gòu)，不同之處則在于前者需要增加錨桿來對結(jié)構(gòu)進行支護，如擋土結(jié)構(gòu)和錨桿等。通常情況下將錨桿固定在基坑防滑面的外部，可以穩(wěn)固土體，所以該方式具有較高的穩(wěn)定性。一般在規(guī)模較大但變形不大的深基坑當(dāng)中應(yīng)用的較多。

2.優(yōu)化設(shè)計計算。在計算深基坑支護結(jié)構(gòu)的時候有：（1）彈性地基量m法與彈塑有限單元法；（2）經(jīng)歷平衡法與等值梁法。

第一種計算方法盡管對土體變形以及支護結(jié)構(gòu)進行了考慮，但是其整體仍然不夠完善。比如，在計算的時候需要用到參數(shù)m，然而在確定m的時候卻有一定的難度，這主要是由于：由于不同地址條件的原因，在其取值范圍當(dāng)中并不一致，且差距較大。在具體設(shè)計深基坑結(jié)構(gòu)的時候，m只是一項彈性指標，不能直接計算支護結(jié)構(gòu)的插入深度。大量實踐表明，在對懸臂樁支護結(jié)構(gòu)進行計算的時候采用彈性地基量m法與實際測量得到的位移數(shù)據(jù)不符，所產(chǎn)生的誤差也較大，也就表示樁后土體變形并不在彈性范圍當(dāng)中。

第二種計算方法在具體計算支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及插入深度的時候，主要是結(jié)合墻前后泥土壓力極限平衡條件來進行的。而在具體進行設(shè)計的時候該方法往往用不到，主要由于技術(shù)條件方面的原因，墻前后泥土壓力極限值很難準確測算出來，通常都是進行估算。

3.優(yōu)化主體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工作。因為一個建構(gòu)筑物本身就是一個從上到下的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。選擇合理的、規(guī)則的平立面方案，是一個成功的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的開始。越是復(fù)雜的建筑造型，越增加結(jié)構(gòu)抵抗地震的建筑成本。選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，對造價影響較大，如剪力墻含鋼量比普通短肢剪力墻低。通過選擇合理的基礎(chǔ)形式，能實現(xiàn)降低基礎(chǔ)造價和增加，上部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。不同的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點各不相同，例如，剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻中所占上部結(jié)構(gòu)鋼筋量在60%左右，剪力墻是這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點；框架結(jié)構(gòu)中梁的鋼筋用量在整體結(jié)構(gòu)中占比較大，故框架結(jié)構(gòu)上部優(yōu)化的重點在梁的優(yōu)化上。

4.規(guī)范支護工序。在施工過程中相關(guān)工作人員必須充分重視深基坑支護工作，嚴格按照相關(guān)規(guī)定實施施工工序，不得私自更改，避免因程序不規(guī)范造成的安全隱患。因地質(zhì)、氣候、水文等條件的不同，因此施工單位在不同區(qū)域進行基坑支護工程前都應(yīng)對區(qū)域進行詳細勘察，并以數(shù)據(jù)為根據(jù)進行合理工序安排，為施工安全性提供保證。深基坑開挖方式也存在不同，相關(guān)人員必須對平面布置要求以及具體土地強度進行提前調(diào)查，在開挖之前分析具體挖方邊界，根據(jù)土質(zhì)條件對分層厚度進行確定。墊層處理在基坑開挖過程中作用也較為明顯，可以為基坑提供有效支撐，防止圍護變形的出現(xiàn)，提升基坑安全性。

結(jié)束語：建設(shè)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計最終目標一適用、安全和經(jīng)濟性的最有效途徑，根據(jù)實際情況的要求，通過科學(xué)、合理和有效的優(yōu)化設(shè)計來構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計是順應(yīng)時代發(fā)展潮流的必定選擇，在優(yōu)化過程中，要使用科學(xué)的優(yōu)化應(yīng)用方法。運用實際有效的方法設(shè)計工程結(jié)構(gòu)，對于缺陷的工程設(shè)計及時修改處理回收，完善工程體系，提高工程優(yōu)化性能。