深基坑支护设计探析

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　　摘要：深基坑支护工程是基础施工所必须的临时结构，其工程造价与设计的合理性紧密相关，合理的设计是影响整个工程施工进度、质量以及造价的关键所在。本文论述了深基坑设计的要点、结构类型，探讨了深基坑支护设计的技术难点并提出解决方法，具有一定参考价值。
　　关键词：深基坑支护；设计要点；结构类型；技术难点
　　一、深基坑支护方案设计要点
　　深基坑支护方案设计的重点在于深基坑工程总体方案的设计、深基坑周边围护结构形式的确定、支撑与锚固系统的选择、地下水控制及深基坑检测等方面。
　　1、影响深基坑支护方案确定的主要因素有：
　　（1）、深基坑所处场地的土层情况及其物理力学指标；
　　（2）、地下室外墙到用地红线距离，周边管线、临近建筑的情况等周围环境条件；
　　（3）、地下水的类型及分布、静止水位高度及水量大小情况；
　　（4）、深基坑面积及形状，主楼所处的位置及深基坑开挖深度；
　　（5）综合造价、工期、施工难度等各方面因素。
　　2、深基坑工程总体方案主要有顺作法、逆作法、顺逆结合法。
　　顺作法是传统的开挖施工方法，施工工艺成熟，支护结构与主体结构相对独立，施工比较便捷；逆作法则是支护结构与主体结构相结合，利用地下室楼层梁板作支撑，经济性好，但施工难度大。顺逆结合法，可充分发挥两者的优点，常采用中心岛顺作，深基坑周边逆作的方式。
　　深基坑周边围护结构常采用排桩和地下连续墙。排桩多用混凝土灌注桩，平面布置灵活，施工简单，较地下连续墙成本低。地下连续墙整体性强，防水性能好，但工程造价高，入岩难度大，工艺复杂。深基坑的支锚系统常采用内支撑和锚杆。内支撑支撑刚度大，控制深基坑变形能力强，而且不需侵入周边地下空间，但大量内支撑和竖向支撑需要设置和拆除，经济性较差，施工难度大。锚杆与内支撑相比，无需设置和拆除大量内支撑和竖向支撑，经济性好，为深基坑工程土方开挖和地下结构施工提供空间，但锚杆需侵入周边土体，控制深基坑变形能力不强。
　　二、深基坑支护结构类型
　　1、悬臂式支护结构
　　是指不加任何支撑或锚，只靠嵌入基坑底下一定深度的岩土体平衡上部土体的主动土压力、地面荷载以及水压力的支护结构。有地下连续墙、排桩结构。就该种支护结构而言，其嵌入深度极为关键。但是因为基坑底以上部分呈悬臂状态，不具有任何支点作用，桩顶位移及构件弯矩值相对较大，对支护结构构件有很高的要求。所以，该种结构应用广泛于基坑深度较小、土质条件较好以及对基坑水平位移要求不高的基坑。
　　2、内支撑结构
　　其结构形式由内支撑系统和挡土结构组成。内支撑为挡土结构的稳定提供足够的支撑力，对两端围护结构上所承受的侧压力加以平衡，一般钢筋混凝土支撑和钢支撑应用较为普遍。挡土结构主要承受基坑开挖所产生的水压力和土压力，通常采取排桩和地下连续墙结构。内支撑结构形式广泛应用于市政工程施工中。
　　3、拉锚式支护结构
　　其结构形式由挡土结构和外拉系统组成。外拉结构可分为两种：锚杆（索）支护结构和地面拉锚支护结构。锚杆（索）支护是由挡土结构及锚固于基坑滑动面以外的稳定土体的锚杆（索）组成。地面拉锚支护结构由挡土结构、拉杆（索）和锚固体组成。常用于深度及规模不大的基坑。
　　4、土钉墙支护结构
　　又叫土钉支护技术，是在原位土中密集设置土钉，并在土边坡表面构筑钢丝网喷射混凝土面层，支护边坡或边壁主要借助面层、土钉以及原位土体三者的共同作用。同时，土钉墙体构成了一个就地加固的类似重力式挡土结构。相较于已有各种支护方法，土钉墙支护结构具有设备简单、施工容易、需要场地小，开挖与支护作业可以并行、成本低、总体进度快，而且噪声小、稳定可靠、无污染、经济效益与社会效益好等，广泛应用于国内外的边坡加固与基坑支护中。
　　5、复合式支护结构
　　由于各种支护结构自身具局限性，地质的复杂性，以及施工现场环境的不确定性，必须对各种支护结构进行结合使用。复合式支护结构就是由地下连续墙、排桩、预应力锚杆、土钉及喷射混凝土等组合形成的综合性支护结构。在综合运用各种支护优点的基础上，复合式支护结构工程造价低，社会经济效益显著，但由于综合了各种支护结构，要求设计和施工要有较高水平。
　　三、深基坑支护设计中若干技术难点分析及解决方法
　　1、支护结构侧向土压力的计算
　　支护结构的计算，首先是土压力的取值问题。土压力的分布和计算，目前国内普遍采用古典的朗肯土压力理论，且假定支护结构是竖直的，土压力的作用方向水平，墙背光滑，不计土体对支护体的摩阻力。朗肯土压力理论用到支护结构计算上时，由于该理论的主动土压力和被动力土压力是建立在极限平衡状态概念的基础上。据现有的研究结果表明，达到被动土压力的位移一般为达到主动土压力位移的10-50倍。在实际工程中，由于支护结构常常不允许产生达到被动极限平衡状态时所需要的位移，实际的被动土压力一般均低于被动极限值。因此，在进行支护结构计算时，用朗肯土压力理论计算所得到的被动土压力是偏大的，使用时需要折减。折减系数的取值与被动区上体的土质和支护结构的型式密切相关，应根据被动区土体的土质和支护结构型式，以及对支护结构位移限制的程度，采用不同的折减系数。譬如对水泥土重力式挡墙，当被动区的土层为淤泥质粘土时，折减系数宜取0.5-0.6；当被动区土层为砂性土或被动区土体已经过水泥搅拌桩改良时，折减系数可取0.75-0.85。对于被动土压力的计算，如考虑土体的弹性抗力作用，会更接近于实际。由于土的弹塑性性质，其抗力问题比较复杂，目前仍普遍按弹性地基的假定进行计算，通常采用文克勒假定的弹性地基上竖直梁的计算方法。
　　2、用H.B1um理论计算悬臂式板桩墙支护结构
　　悬臂式板桩墙支护结构的内力计算，目前多用H.Blum理论来求解。此理论假定坑底出现的被动土压力近似地发生在弯点下面，并在这部分阻力的中心处（C点）用一个反力Rc来代替，支护桩插入深度t0用X来表示，它必须满足围绕C点使∑Hc=0的条件。由于土的阻力是向板桩方向逐渐增加，使用∑Hc=0的等式时会得到一个较小的插入深度，H.Blum建议计算所得的X增加20%，即插入深度t0=u+1.2X。为简化计算，H.Blum提供了理论计算曲线图，避免了多次方程求解，为计算提供了方便。
　　3、土水压力的计算
　　传统深基坑侧上压力的计算理论主要以朗肯理论和库仑理论为基础，这两种理论无论在基本假设上，还是在计算原理上都存在一些缺陷。主要表现为：①实际深基坑工程围护墙通常不满足古典土压力理论的假设条件。②古典土压力理论没有考虑围护墙的变形过程，而仅以墙体位移达到使墙后土体出现极限状态的平衡条件为计算依据.实际上围护墙变形通常达不到使土体出现极限平衡状态的位移值，且其变形是随开挖的深入而变化的，上压力也随着变化。此外，传统深基坑侧土压力的计算方法没有顾及深基坑坑内外通常存在较大水位差的实际情况，忽视了渗流效应对土压力的影响等问题。在设计时，应当注意影响土水压力的若干因素。具体包括：土体的应力状态和应力路径、孔隙水压力、边界条件等。
　　四、结语
　　由于深基坑工程及其复杂、多变，所以在施工中经常会遇见突发问题，尽管我国不同地区已经开展了很多经验，而且有很多成功案例，但是和国际先进技术比起来仍有很大的差距，因此，必须努力开展这方面的问题的研究，以适应现代化经济的需要。
　　参考文献：
　　[1]陈忠汉，黄书秩等.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，2003.
　　[2]王政华.某工程深基坑支护设计[M].山西建筑，2009（27）.
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