浅谈深基坑支护工程结构

浅谈深基坑支护工程结构

李良杰

关健词：深基坑支护；结构设计；施工

在深基坑设计中，支护问题正在成为我国建筑工程界的热点问题之一。在当前的建筑市场，高层建筑地下基础的造价中通常有三分之一要投资在基坑开挖支护上。众所周知，支护通常都为临时性的建筑结构，在基础施工完后它便失去了存在的意义，也就是说在以后的建筑物使用中，不需要支护结构承担任何荷载，花三分之一的人财物力来修筑这样一个“无用”的结构。然而，它并不是真的“无用”，在前期基础施工中它占有举足轻重的地位，一旦支护结构失稳，将会对周围建筑、生命线工程产生极大破坏，不但造成巨大的经济损失，甚至会危及人的生命安全。

1深基坑工程支护结构型式

根据不同地质条件、基坑深度及经济合理性等因素考虑，目前我国主要采用有以下深基坑支护结构体系。

1.1水泥土搅拌桩

水泥土搅拌桩一般认为是我国目前5米以内深基坑的首选支护型式。该技术既能挡土又能挡水，适用于多种地质条件。它有多种布置型式：实体式、空腹式、格构式、拱型或拱型加钻孔灌注桩，既可以粉喷也可以浆喷。

1.2钻（冲、挖）孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩

对于5～10米深软土基坑，常采用钻（冲、挖）孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩等技术。如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕，有时也用H型钢桩或钢板桩。

1.3土打墙

土钉墙一般10米以内的深基坑采用比较多。该技术既可以单独使用，也可以与其它支护型式联合使用。土钉是一种原位土加筋和强化技术，是在20世纪50年代的土层锚杆技术和60年代的加筋土挡墙技术的基础上发展起来的。1980年我国在山西柳弯煤矿的边坡稳定工程中首次应用了土钉墙技术，经过大量的工程实践和研究，取得了丰富经验。

主要缺点有：施工时会对地下管道等设施产生干扰；对于软土、无粘结松散砂土以及在地下水丰富的情况下采用，有一定难度；在软土中造价较高；作为永久性结构时，需专门考虑锈蚀等耐久性问题。

1.4描杆技术

锚杆技术以其能为基坑开挖提供较广阔的空间优势，在我国应用广泛。通过对其施工工艺、材料选用，乃至拔除方法等的深入研究，先后采取了二次注浆、干成孔注浆等技术，促进了该技术在饱和软土中推广应用。近年施工有许多成功的实例。

2深墓坑工程支护结构设计

2.1支护结构强度和变形分析与计算的基本方法

深基坑工程支护结构强度和变形的分析计算基本方法可总结为三类，即极限平衡法、土抗力法和有限元分析法。

1）极限平衡法

极限平衡法在基坑支护设计发展早期一直被广泛应用，且仍是目前我国相关设计人员最熟悉的基坑支护设计计算方法之一。由于它具有计算简便，可以手算，且在目前情况下即使应用弹性地基反力法计算支护结构内力，其嵌固深度还是要用极限平衡法确定；

2）土抗力法

土抗力法又称为基床系数法或地基反力法。

土抗力法在横向受荷桩的分析中被广泛应用。按地基反力的不同假设，主要有极限地基反力法、弹性地基反力法（包括线性弹性地基反力法和非线性弹性地基反力法）和复合地基反力法（P-Y曲线法）三种。它们不同程度地考虑了桩与土之间的共同作用。目前应用最多的是假定地基反力系数为深度的线性函数的线性弹性地基反力法。

基坑支护设计土抗力法是在横向受荷桩分析方法的基础上改进发展而来的。早期由于受计算技术的限制，对实际情况作了很大的简化，以便可以用解析方法求解。例如日本的“山肩邦南法”、“弹性法”和“弹塑性法”等，它们都假定围护墙后作用己知的主动土压力“山肩邦南法”和“弹塑性法”将开挖面以下墙前的土体分成塑性区和弹性区；“弹性法”则假定开挖面以下的土体均为弹性区。

3）有限元分析法

采用的土体本构模型有线性弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型等有二维和三维有限元两种分析方法。

二维有限元分析法是把空间形式的基坑结构体系用竖直面和水平面来代替，分别采用弹性杆系有限元分析求解这两个平面，将分析结果加以综合，便得到关于基坑支护结构体系的整体认识和分析结果。

三维有限元分析法取一定范围为求解域，土体和围护墙一般采用六面体八节点等参元；空间接触单元可取由四根线段组成的固体单元；支撑（或锚杆）构件取为空间杆单元，对基坑空间结构体系进行整体分析求解。

2.2深基坑稳定性验算

对深基坑进行全面稳定性的分析，是基坑工程设计的重要环节之一。目前，对深基坑稳定性主要作如下验算：

1）围护墙踢脚稳定性验算

主要验算最下道支撑（或锚杆）以下作用在围护墙上的主、被动水土压力绕最下道支撑支点的转动力矩是否平衡。一般采用极限平衡法计算。入土深度较大时，在反弯点至围护墙底端可考虑反弯点以下土的约束作用。

2）坑底和四周渗流穗定性验算

在饱和土中开挖基坑常用排桩式围护墙（加设止水帷幕）或地下连续墙等封闭式支护。由于地下水位很高，在围护墙周围流网的流线和等势线非常集中，可能会造成基坑侧壁和底部的渗流破坏，需进行渗流稳定性验算.渗流验算按平面渗流计算图式，坑底常按平面底板渗流计算，侧壁可按闸坝地基渗流计算。

2.3深基坑开挖中的变形验算

基坑支护在过去往往是作为地下结构施筑的一种施工措施，设计常常由施工单位来做，通常按强度和稳定性进行验算，以不倒、不漏能满足地下结构施工要求为目的。下面仅就与基坑开挖有关的变形验算作简要介绍。

1）回弹和抗隆起验算

深基坑开挖工程几乎都会有不同程度的回弹，有的工程在施工中基坑失去稳定，在失稳前会发生较大的隆起。因此，研究由于基坑开挖而引起的回弹和隆起，及其与基坑最后失稳的内在联系已成为基坑工程重要的研究课题之一。通过实验提出了确定割线膨胀模量及割线压缩模量的方法，进而提出了计算回弹和隆起的三种方法，即实用计算法、经验公式法和有限单元法。它们较适合沿海软土地区不同的工程类型。

2）基坑周围变形预估

严格的计算应采用有限元等数值方法对基坑周围地基土的应力应变和强度进行分析，但这种分析十分困难。目前一般是根据围护墙的变形来预估基坑周围的地基变形。这是建立在对基坑周围地基变形观测资料统计归纳基础上的经验性方法。

3深基坑工程支护结构施工

3.1对地质勘察提出了更高的要求

深基坑工程的内容扩展到了必须考虑基坑变形影响所及的周边范围，而不仅足局限于支护基坑本身。为此，在设计、施上前做好对基坑以外周边地区的地质勘察尤其关键。对于深大基坑，应按预估基坑周围下卧层位移的需要而确定勘察深度。

3.2对开挖施工工艺的组织与管理要求更为严格

研究发现，在基坑开挖施上（包括支撑设置过程）同支护结构及坑周土体位移之间，存在着一定的相关性。科学地安排土方开挖施上顺序和控制施上进度，将有助于控制挡端和坑周土体的位移。

4结论

随着高层建筑的发展，基坑深度和面积越来越大，施工也越来越复杂，相应的支护难度越来越大，对深基坑支护的技术要求越来越高。因此在工程实践中必须不断总结，数值理论分析与实际相结合，考察分析好实际情况，确定合适的支护方式并进行选择分析，提高支护技术。

参考文献：

[1]黄镜华.深基坑支护结构设计理论及工程应用[J].建筑工程，2009.

[2]夏胜先，王云飞，夏树威.深基坑支护技术现状及展望[J].2008：34（26）