基于變形控制的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彭 麗

（甘肅建投土木工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國(guó)城市化率的不斷提升，建筑深基坑面對(duì)的地質(zhì)復(fù)雜程度與形變敏感程度與日俱增。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)與施工標(biāo)準(zhǔn)化的當(dāng)下，采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判斷方式對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很難滿足特定的工程需求?；诖?，大型工程或敏感型工程往往需要通過(guò)嚴(yán)格的地質(zhì)檢測(cè)，并進(jìn)行變形因素與風(fēng)險(xiǎn)測(cè)算后，對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)輔助與依據(jù)。

1 深基坑變形的危害及其影響因素分析

1.1 深基坑變形的危害

當(dāng)深基坑變形時(shí)，可能會(huì)引發(fā)以下3 個(gè)方面的具體危害：一是建筑物不均勻沉降：深基坑變形可能會(huì)導(dǎo)致周?chē)ㄖ锏牟痪鶆虺两?，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫、甚至倒塌。這是因?yàn)樯罨娱_(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致周?chē)馏w變形，從而影響周邊建筑物的地基穩(wěn)定性。如果建筑物的基礎(chǔ)不夠穩(wěn)定，就會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致建筑物倒塌。二是地下管網(wǎng)斷裂、道路沉陷破壞：深基坑變形還可能導(dǎo)致地下管網(wǎng)斷裂、道路沉陷破壞。在城市中，地下管網(wǎng)密布，包括水、電、燃?xì)獾雀黝惞艿?，而深基坑開(kāi)挖可能會(huì)對(duì)這些管道造成影響，導(dǎo)致管道斷裂。同時(shí)，道路沉陷也會(huì)對(duì)城市交通和行人安全造成威脅。三是周?chē)孛娉两担荷罨幼冃芜€可能會(huì)導(dǎo)致周?chē)孛娉两怠Ｔ谏罨娱_(kāi)挖過(guò)程中，維護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和坑底土體的隆起會(huì)導(dǎo)致周?chē)孛娉两怠⒌乇砥茐?。如果沉降超過(guò)一定范圍，就會(huì)對(duì)周邊的建筑物、管道、道路等造成危害。此外，當(dāng)深基坑形變超過(guò)一定限度時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生塌方等安全生產(chǎn)事故，不僅影響了深基坑土方作業(yè)的施工周期，而且容易造成人員及施工設(shè)備的損失，造成極大的施工風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。

1.2 深基坑變形的主要影響因素

深基坑變形的影響因素較為復(fù)雜，從現(xiàn)有的施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其至少包括了地質(zhì)條件、支護(hù)條件、施工條件、環(huán)境條件等4 個(gè)大類。在地質(zhì)條件中，土體的物理力學(xué)參數(shù)，如土的變形模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角和重度等均會(huì)通過(guò)對(duì)土體自身變形的影響而帶來(lái)深基坑變形；在施工條件中，圍護(hù)墻體和支撐的剛度、開(kāi)挖順序與方法、挖撐次序等同樣會(huì)造成深基坑變形；在環(huán)境條件中，降水等影響因素會(huì)顯著提高深基坑形變，甚至誘發(fā)塌方等安全生產(chǎn)事故[3-4]。

從上述的分析中不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地質(zhì)條件的檢測(cè)以及對(duì)施工條件及環(huán)境條件的控制，是實(shí)現(xiàn)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要影響因素，也是工程中實(shí)現(xiàn)變形控制的有力手段。在地質(zhì)條件中，土的變形模量與深基坑變形具有直接的相關(guān)關(guān)系，一般判定下，多采用模量公式進(jìn)行表征，模量公式為

式中：Eo為變形模量；u為土的泊松比；Es為巖土的變性模量。式（1） 表明，變形模量與巖土的變性模量是有關(guān)聯(lián)的，且土的泊松比越大，變形模量越小。

除了上述直接關(guān)系變量的影響之外，土壤含水率變化、土壤地質(zhì)特征對(duì)其同樣具有顯著影響。含水率與深基坑形變關(guān)系的公式為

式中：ΔL為含水率變化時(shí)的深基坑形變量；L為深基坑長(zhǎng)度；w和w0分別為當(dāng)前含水率和原始含水率；ΔL0為含水率變化時(shí)的基礎(chǔ)形變量。式（2） 表明，深基坑形變量與深基坑長(zhǎng)度和基礎(chǔ)形變量成正比，與含水率變化成反比。

土壤地質(zhì)特征與深基坑形變關(guān)系的公式為

式中：Δu表示土體的變形量；c表示土體的粘聚力；σ 表示土體的平均正應(yīng)力；φ 表示土體的內(nèi)摩擦角；ρ 表示土體的重度。η 和σ 為正值，c、σ、φ 和ρ 的值越大，土體越不容易發(fā)生形變。需要注意的是，式（3） 僅適用于土體處于線彈性狀態(tài)的情況，對(duì)于軟化型或硬化型土體不適用。

2 變形控制下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 充分考慮土體物理力學(xué)指標(biāo)影響

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮土體物理力學(xué)指標(biāo)的影響，具體可以從如下4 個(gè)方面加以考量：一是土體物理力學(xué)指標(biāo)的測(cè)量和觀測(cè)：在設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)之前，需要先對(duì)土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和觀測(cè)。可以使用原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)等方法來(lái)確定土體的變形模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角和重度等指標(biāo)，以及土體的含水率和滲透性等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)可以幫助設(shè)計(jì)人員更好地了解土體的性質(zhì)和特點(diǎn)，從而更好地設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。二是土體性質(zhì)的計(jì)算和分析：在設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)土體性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算和分析。可以使用數(shù)值模擬的方法，將土體物理力學(xué)指標(biāo)輸入到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以預(yù)測(cè)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力情況，以及土體的移動(dòng)和變形趨勢(shì)。這些數(shù)據(jù)可以幫助設(shè)計(jì)人員更好地了解土體對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，從而更好地設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)。三是支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型和強(qiáng)度設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)土體物理力學(xué)指標(biāo)來(lái)選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型和強(qiáng)度。例如，對(duì)于低應(yīng)變模量的軟土地區(qū)，適合采用樁撐支護(hù)或噴錨支護(hù)等結(jié)構(gòu)形式；對(duì)于高應(yīng)變模量的硬土地區(qū)，適合采用地下連續(xù)墻或鋼板樁等結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，需要根據(jù)土體的承載力和變形要求來(lái)設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受土體的壓力和變形。四是支撐位置和支撐方式的選擇：在設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)土體的物理力學(xué)指標(biāo)來(lái)選擇合適的支撐位置和支撐方式。例如，對(duì)于低應(yīng)變模量的軟土地區(qū)，適合采用多點(diǎn)支撐或斜向支撐等形式；對(duì)于高應(yīng)變模量的硬土地區(qū)，適合采用單點(diǎn)支撐或垂直支撐等形式。同時(shí)，需要根據(jù)土體的承載力和變形要求來(lái)確定支撐的位置和數(shù)量，以確保支撐能夠有效地控制深基坑的變形。

2.2 科學(xué)確定深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

在設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，深基坑結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要。一般情況下，其包括了深基坑的形狀、深度及大小，是考慮了工程實(shí)際需求以及周邊環(huán)境要素與地質(zhì)條件后的綜合結(jié)果。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般需要遵循如下3 個(gè)方面原則：一是安全性：深基坑的形狀、深度及大小的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性要求。這意味著需要確保深基坑在施工過(guò)程中及完工后不會(huì)出現(xiàn)變形、沉降及坍塌等安全隱患。二是經(jīng)濟(jì)性：在滿足安全性的前提下，應(yīng)盡量減少深基坑的開(kāi)挖面積和開(kāi)挖深度，以降低工程造價(jià)和施工難度。同時(shí)，應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)適用的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和材料，以降低工程成本。三是可行性：設(shè)計(jì)應(yīng)符合工程場(chǎng)地地質(zhì)條件、周邊環(huán)境和施工條件的限制。例如，對(duì)于軟土地基，需要采用特殊的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)措施，以確保深基坑的穩(wěn)定性和安全性。

同時(shí)，在設(shè)計(jì)開(kāi)展的過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)、計(jì)算分析與修訂以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等3 個(gè)基本過(guò)程。在初步設(shè)計(jì)中，根據(jù)工程要求和場(chǎng)地條件，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步確定深基坑的形狀、深度及大小。這一階段主要依賴于設(shè)計(jì)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平。在計(jì)算分析與優(yōu)化過(guò)程中，使用數(shù)值模擬軟件對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算分析，預(yù)測(cè)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力情況，以及土體的移動(dòng)和變形趨勢(shì)。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，對(duì)深基坑的形狀、深度及大小的實(shí)際情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確保工程安全和施工質(zhì)量。

2.3 有效選定深基坑支護(hù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)

應(yīng)力節(jié)點(diǎn)主要是指深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與深基坑土體之間的互動(dòng)關(guān)系。在設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、類型、入土深度，支撐位置、類型、剛度、預(yù)應(yīng)力與排列方式等因素。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，具體的考量包括如下5 個(gè)方面：一是支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度決定了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力性能。在設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)深基坑深度、周邊環(huán)境和地質(zhì)條件等因素，綜合考慮確定支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度。常用的方法是通過(guò)計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度。二是支護(hù)結(jié)構(gòu)類型：深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境等因素進(jìn)行選擇。例如，對(duì)于長(zhǎng)條形深基坑，適合采用樁撐支護(hù)或噴錨支護(hù)等結(jié)構(gòu)形式；對(duì)于方形深基坑或圓形深基坑，適合采用地下連續(xù)墻或鋼板樁等結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，還需要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和變形要求，選擇合適的材料和構(gòu)造形式。三是支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度：在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境等因素綜合考慮確定，常用的方法是通過(guò)計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定合適的入土深度。四是支撐位置、類型與剛度：在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境等因素，綜合考慮確定支撐位置。常用的方法是通過(guò)計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定合適的支撐位置和數(shù)量，并以此為基礎(chǔ)選擇支撐類型與所需剛度。五是預(yù)應(yīng)力與排列方式：在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境等因素，綜合考慮確定是否需要施加預(yù)應(yīng)力并進(jìn)行排列方式的優(yōu)化。也可以通過(guò)計(jì)算或仿真的方式予以確定，一般情況常用的預(yù)應(yīng)力計(jì)算方法包括兩種，一種是按照彈性地基梁理論進(jìn)行計(jì)算，將深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)視為在彈性地基上布置的連續(xù)梁，根據(jù)深基坑周邊地質(zhì)條件、支撐體系和梁的幾何尺寸等因素，按照彈性地基梁理論進(jìn)行計(jì)算；另一種則是假定深基坑土體為各向同性、均質(zhì)、彈塑性體，根據(jù)土壓力分布情況，按照朗肯理論進(jìn)行計(jì)算。

3 變形控制的深基坑支護(hù)施工保障

除了通過(guò)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)可能出現(xiàn)的變形進(jìn)行控制外，施工管理同樣是控制變形的重要手段。基于此，在完成設(shè)計(jì)后，需要配套進(jìn)行深基坑支護(hù)施工的高標(biāo)準(zhǔn)管理體系建設(shè)。在深基坑支護(hù)施工中，可以采取加強(qiáng)支撐桿件的強(qiáng)度和剛度、控制開(kāi)挖速度、優(yōu)化開(kāi)挖工序、加固軟弱土層等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的控制。

這些措施可以在深基坑支護(hù)施工的過(guò)程中有效地控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而保障深基坑的安全和穩(wěn)定。例如，加強(qiáng)支撐桿件的強(qiáng)度和剛度可以加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和變形性能，從而減小變形和沉降；合理控制開(kāi)挖速度和工序可以避免因開(kāi)挖速度過(guò)快或工序不當(dāng)引起的變形和沉降；對(duì)軟弱土層進(jìn)行加固處理可以提高土體的承載能力和變形性能，從而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和沉降等。

除了以上措施外，還可以采取其他變形控制措施，例如加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，及時(shí)掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況和周邊環(huán)境的變化情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)采取相應(yīng)的措施，保障工程安全和施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮變形控制的要求，合理選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和材料，并進(jìn)行必要的計(jì)算和分析，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力和變形性能。在施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理，確保施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，從而提高深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。