深基坑支护结构设计理论及工程应用
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作者: 郎京辉
【摘要】随着深基坑支护要求的不断提高，研究其结构设计理论及工程应用凸显出重要意义。本文首先对深基坑支护做了概述，分析了深基坑支护结构设计理论，并结合相关实践经验，从多方面研究了其在工程的应用，提出了个人看法。
【关键词】深基坑支护；结构设计；理论；工程应用
一、前言
作为深基坑支护结构应用中的重要工作，其结构设计理论及工程应用在近期得到了有关方面的高度关注。该项课题的研究，将会更好地提升对其结构设计理论的掌握力度，从而有效优化其在工程实践中应用的整体效果。
二、深基坑支护概述
1.基坑支护的设计内容
基坑支护的设计内容一般包括：支护体系的方案比较和选型（挡墙和支撑体系）；支护结构的强度和变形验算。进行设计时应考虑的荷载有：土压力、水压力、地面超载、影响范围内建（构）筑物产生的侧向荷载、施工荷载及邻近基础工程施工的影响。
2.基坑支护结构的设计原则与方法
基坑支护结构设计的原则为：安全可靠；经济合理；便于施工。根据现行国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》，基坑支护结构应采用分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。基坑支护结构的极限状态，分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。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围环境破坏；正常使用极限状态对应于支护结构的变形已经妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。基坑支护结构均应进行承载力极限状态的计算，计算内容包括：根据基坑支护形式及其受理特点进行土体稳定性计算；基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算；当有锚杆和支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。对于安全等级为一级和对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。
三、深基坑支护结构设计理论
1.深基坑支护结构的设计计算
（一）静力平衡法与等值梁法
利用墙前后土压力的极限平衡条件，求出支护结构的插入深度和结构内力等，从理论上说，首先支护结构前后土压力是否达到极限状态是很难确定的，尤其是被动土压力情况有很大的推测性，实际工程测试已证明了这一点；其次该类方法并未考虑结构与土体变形，而变形对土压力重分布及结构内力有很大影响，故该类方法正逐渐失去它原有的地位，但对于简单基坑开挖，静力平衡法中一些简化使计算变得简单，可以凭经验使用。
（二）弹性地基梁的m法及弹塑有限元法
m法的优点是考虑了支护结构与土体的变形，但也有一些问题有待解决，如计算时一般工程的参数m难以通过试验确定，现有文献提供的取值范围各地区差别较大，该参数虽按弹性体来计算变形，物理意义明确，但实际参数m则是一个反映弹性的综合指标。工程实践表明，在软土中的悬臂桩支护采用m法计算位移与实测位移有很大差异，实测位移值可达计算值的几倍，这说明桩后土体变形已不再属于弹性范围。
有限单元法作为今后基坑支护设计计算的发展方向，其优点是不但考虑了土体与支护结构的变形，而且可得出塑性区的分布，从而判断支护结构的整体稳定性。但选取合理的本构模型与计算参数，以及塑性区范围与稳定性之间的定量关系均缺乏经验。在结构计算方面，建立了能考虑基坑围护结构和土压力的空间非线性共同作用理论及其计算方法，并编成程序方便高效地完成基坑维护工程的计算。
2.深基坑支护结构的设计思路
设计首先应是概念设计，重点在于可行性方案的筛选与优化，对支护结构方案的选择和优化可按以下步骤进行：
（一）对于深度不大的基坑支护工程，应首先考虑悬臂式支护结构，该结构主要利用基坑地面以下土体提供的土压力来维持支护体系平衡，主要结构形式为桩排支护结构和地下连续墙两类，当边坡土质较好，地下水位较低时可利用桩排支护结构。
（二）地下连续墙因具有良好的抗弯性、防渗性和整体性，且对周围环境影响较小，对地层条件适应性强，墙体长度可任意调节，适用于各种深度基坑的开挖，同时还可采用逆作法施工，因此被广泛采用。
（三）悬臂式板桩支挡的优点是不需构筑与拆除支撑结构，同时为土方作业和基础施工提供较自由的操作空间。
（四）当基坑较浅或被动区土层性质较好时，悬臂式板桩支护方案较为经济合理；而当基坑较深或被动区土层性质较差时，桩插入深度较大，桩径与配筋量也相对较大，该方案就相对不经济，同时悬臂式支挡的侧向位移一般稍大，这也是需要注意的。
（五）在基坑开挖深度相对较大，且对边坡变形要求较高时，就应考虑对悬臂式支护结构增加内支撑的方法，使之形成混合式支护结构，支撑形式常采用锚杆拉接或内支撑形式。
四、工程应用
1.挡墙的选型工程中常用的挡墙结构有下列一些型式：
钢板桩钢筋棍凝土板桩钻孔灌注桩挡墙H型钢支柱（或钢筋混凝土桩支柱）、木挡板支护墙地下连续墙深层搅拌水泥土桩挡墙旋喷桩帷幕墙除上述者外，还有用人工挖孔桩（我国南方地区应用不少）、预制打入钢筋混凝土桩等作为支护结构挡墙的。支护体系挡墙的选型，涉及技术因素和经济因素，要从满足施工。要求、减少对周围的不利影响、施工方便、工期短、经济效益好等几个从不同角度看能够获得的不懂答案的方面，并经过技术经济比较后方可加以确定，而且支护结构挡墙选型要与支撑选型、地下水位降低、挖土方案等配套研究确定。
2.支撑结构的选型：
锚拉支撑、斜柱支撑、短桩横隔支撑、钢结构支护、地下连续墙支护、地下连续墙锚杆支护、挡土护坡桩支撑、挡土护坡桩与锚杆结合、板桩中央横顶支撑、板桩中央斜顶支撑、分层板桩支撑
3.适用范围
（一）深层搅拌桩支护适宜于各种成因的饱和粘性土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等，加固深度可从数米至50-60米。由于其抗拉强度远小于抗压强度，故常适用于基坑深度不大（5-7米）、可采用重力式挡墙结构形式的基坑。这种支护结构防水性能好，可不设支撑，基坑能在开敞的条件下开挖，具有较好的经济效益。
（二）对于开挖深度小于6米的基坑，在无法采用重力式深层搅拌桩的情况下，可采用600mm密排钻孔||桩，桩后用树根桩防护，也可采用打入预制混凝土板桩或钢板桩，板桩后注浆或加搅拌桩防渗，顶部设圈梁和支撑；对于开挖深度为6-10米的基坑，常采用800-1000mm的钻孔桩，后面加深层搅拌桩或注浆防水，并设置2-3道支撑；对于开挖深度大于10米的基坑，可采用地下连续墙加支撑的方法，也可采用800-1000mm大直径钻孔桩加深层搅拌桩防水，设置多道支撑。
（三）土钉墙支护是在基坑开挖过程中将较密的细长杆件钉置于原位土体中，并在坡面上喷射钢筋网混凝土面层。通过土钉、土体和喷射混凝土面层的共同工作，形成复合土体。利用复合土体的自稳达到支护目的。土钉墙支护必须自始至终做到施工及现场监测相结合，根据施工中出现的情况和监测数据，及时反馈修改设计，并指导下一步施工。常用于开挖深度不大、周围相邻建筑或地下管线对沉降与位移要求不高的基坑支护，具有施工快捷简便、经济可靠的特点，得到广泛的应用。
五、结束语
通过对深基坑支护结构设计理论及工程应用的相关研究，我们可以发现，该项工作的顺利开展，有赖于对其多项影响环节与因素的充分掌控，有关人员应该从深基坑支护的客观实际要求出发，研究制定最为符合实际的工程应用实施方案。
参考文献：
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