关于基坑支护结构设计的探讨
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作者: 黄学治
摘要：基坑支护结构设计工程是一门综合性、实践性很强的学科。本文从基坑支护设计原则，要求，设计步骤以及使用范围进行了具体的探讨。
关键词：基坑支护；结构设计
一、设计原则
1. 基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。
2. 基坑支护结构极限状态可分为下列两类：
（1） 承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏；
（2） 正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。
3. 支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。
4. 当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下水控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。
5. 基坑支护设计内容应包括对支护结构质量检测及施工监控的要求。
6. 当有条件时，基坑应采用局部或全部放坡开挖，放坡坡度应满足坡稳定性要求。
二、支护结构的要求
基坑支护作为一个结构体系，应要满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。所谓承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳。
因此，基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护产生失稳，而在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。
一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。水平位移控制与周边环境的要求有关，这就是通常规范中所谓的基坑安全等级的划分，对于基坑周边有较重要的构筑物需要保护的，则应控制小变形，此即为通常的一级基坑的位移要求；对于周边空旷，无构筑物需保护的，则位移量可大一些，理论上只要保证稳定即可，此即为通常所说的三级基坑的位移要求；介于一级和三级之间的，则为二级基坑的位移要求。
对于一级基坑的最大水平位移，一般宜不大于30mm，对于较深的基坑，应小于0.3%H，H为基坑开挖深度。对于一般的基坑，其最大水平位移也宜不大于50mm。一般最大水平位移在30mm内地面不致有明显的裂缝，当最大水平位移在40-50mm内会有可见的地面裂缝，因此，一般的基坑最大水平位移应控制不大于50mm为宜，否则会产生较明显的地面裂缝和沉降，感观上会产生不安全的感觉。
一般较刚性的支护结构，其位移较小，可控制在30mm之内，对于土钉支护，地质条件较好，且采用超前支护、预应力锚杆等加强措施后可控制较小位移外，一般会大于30mm。
三、基坑设计步骤
1. 在接到基坑支护设计任务后，应熟悉相关资料：
1 基坑设计的相关要求：基坑方案提交时间、甲方意图、主要的重点难点、技术要求、方案提交形式（方案/施工图）等；
2 地质资料：了解场地岩土条件（主要是各土层抗剪强度指标）、地下水位、水量（是否影响基坑开挖）；
3 建筑物总平面布置图：拟建建筑物分布情况，建筑红线，建筑物±0.00标高，周边建筑物、道路情况。
4 地下一、二层平面布置图：地下室建筑标高，上下车道分布，局部结构图未反映的突出部分；
5 地下室底板布置图：通过基底标高确定基坑大面积开挖深度，基础外挑位置，电梯井深度，地下水的影响；
6 桩基础平面布置图：确定桩基础承台深度对基坑开挖的影响，确定地下水的影响；
2. 在熟悉相关资料就可按以下步骤进行基坑支护方案设计：
1 根据建设单位提供的地下室底板布置图（及桩基础平面布置图），确定基坑各位置的基底的相对标高，并根据建筑物±0.00标高计算算出基底开挖绝对标高。同时确定基坑开挖底边线。
2 把下室底板布置图或桩基础平面布置图拼接到总平面图中，根据建筑物总平面布置图及地质资料中基坑钻孔实际标高，确定周边建筑物、拟建场地、道路现状绝对标高。
3 根据基底绝对标高与周边建筑物、拟建场地、道路现状绝对标高的差值就可确定出基坑实际开挖深度。
4根据周边已有建筑物（或道路）分布情况、基坑实际开挖深度、地质条件出现明显变化等情况进行基坑支护剖面划分，即根据开挖深度、基坑顶不同荷载及地质资料划分基坑支护剖面。
5完成以上步骤以后，根据地勘察资料，填好《各土层主要物理力学性质指标表 》、《基坑不同位置开挖深度及周边情况表》及《各支护剖面代表性钻孔土层分布表》，就可进行各剖面基坑支护形式选型了。
四、基坑支护型式和使用范围
1. 放坡开挖
适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制应严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。
2. 深层搅拌水泥土围护墙
深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌，形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点：由于一般坑内无支撑，便于机械化快速挖土；具有挡土、止水的双重功能；一般情况下较经济；施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微，因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点：首先是位移相对较大，尤其在基坑长度大时，为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移；其次是厚度较大，只有在红线位置和周围环境允许时才能采用，而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。
3.高压旋喷桩
高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆，它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体，相互搭接形成排桩，用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩，但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，并且施工机具的振动很小，噪音也较低，不会对周围。
4.槽钢钢板桩
这是一种简易的钢板桩围护墙，由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6～8m ，型号由计算确定。其特点为：槽钢具有良好的耐久性，基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用；施工方便，工期短；不能挡水和土中的细小颗粒，在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施；抗弯能力较弱，多用于深度≤4m的较浅基坑或沟槽，顶部宜设置一道支撑或拉锚；支护刚度小，开挖后变形较大。
5. 钢筋混凝土板桩
钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点，曾在基坑中广泛应用，但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法，振动与噪音大，同时沉桩过程中挤土也较为严重，在城市工程中受到一定限制。此外，其制作一般在工厂预制，再运至工地，成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计，目前已可制作厚度较大（如厚度达500mm 以上） 的板桩，并有液压静力沉桩设备，故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。
五、结束语
鉴于基坑支护结构的复杂性和风险性，要求设计者需要掌握本地区或类似条件下已有的成功的经验和失败的教训，根据特定的工程要求和条件进行综合考虑，做出安全、可靠、经济的包括支护护结构、支护体系的整体设计方案，以期在今后的工程实践中不断总结和提高技术水平，为发展基坑支护工程的理论和实践做出贡献。
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