简述深基坑支护结构设计理论及工程应用
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作者: 邹建彬
【摘要】本文主要对深基坑支护结构设计理论及工程应用进行分析，首先阐述了工程概况，然后详细论述了深基坑支护结构设计的理论内容，其主要内容有：深基坑支护的类型及内容，深基坑支护结构的计算方法：弹性抗力法、极限平衡法、有限元和数值分析法，最后对深基坑支护结构设计在工程中的应用进行分析，总结支护结构设计方案，进行优化选取，从而保证深基坑的施工效果和经济收益，为的工作奠定较好的理论基础，更好的进行深基坑支护结构搭建。
【关键词】深基坑；支护结构；结构设计
在经济发展与社会进步的影响下，人们的生活水平也有所提升，我国建筑行业得到了较好的发展。城市的建筑物不断增多，为了满足人们的需求，出现了很多高层建筑物、地下空间等，在这些项目的建设过程中，相关从业人员应掌握深基坑支护结构理论及应用，从而保证建筑物的质量。基坑是建筑物施工中必须开挖的地坑，而深基坑的支护结构，能够保证深基坑在应用中，不容易受到损害。现对这种支护结构的设计原理和实际应用效果进行分析，为的实际操作奠定良好的基础。
一、工程概况
以某城市中的高层建筑物施工为例，该建筑物有2层地下室，基坑的深度为18m，宽度为105m，基坑深度为11米，基坑的总面积为30750m2。该建筑物施工的地质情况主要人工填土及残积层，如杂填土层、淤泥层、细砂等，在进行施工前，还要对基层的性质进行分析，其岩性主要是内夹方解石脉粉质泥岩。基层在不同的风化带都有不同的效果，要合理控制地下水的埋深。
在基坑支护结构的施工中，如果没有加设内支撑，会导致墙体出现较大水平位移。因为本次施工的基坑深度较深，所以要选取合理的支撑形式和支护结构，考虑地下水的影响，避免不利因素影响施工的正常进行。
二、深基坑支护结构设计的理论分析
（一）深基坑支护的类型及内容
在深基坑的支护结构分析中，主要有两类，一是支挡型，二是加固型。
其中支挡型包括放坡开挖与挡土支护开挖两种[1]。放坡开挖是一种最经济、简单且速度快的支护类型，在满足条件的基坑施工中，应优先采用；挡土支护开挖，主要是保证基坑周围的建筑物，能够保证施工设备的安全，而设置的能够承受基坑土压力及其他施工荷载的支档结构，这种结构也被称为支护结构，合理设置并进行土方开挖，控制地下水位，需要掌握其对主体结构的影响，避免支护结构出现过大变形或构件破坏而导致支护体系崩溃。
在加固型的支护结构，主要使用土工材料或其他加筋体，水泥土挡墙等，将基坑以外土体加固形成强度更高的整体，通过分析实际情况选用合适的加固方法，综合考虑挖土面的深度、水文地质条件等，达到最好的支护效果，使其更加合理和规范[2]。
（二）深基坑支护结构水平荷载的计算方法
1、弹性抗力法
这种方法主要是针对常规方法进行的改进，更好的进行挡墙内侧的被动土压力计算。在支护结构设计中，针对挡墙位移有严格的要求，所以内侧一般无法达到最佳的被动状态，并处于弹性抗力阶段，因此在承受水平荷载时，要计算挡墙的变形和内力，模拟支撑弹性抗力系数。这种计算结构是否合理，需要与实际施工的基床系数进行比较，分析该支撑结构能够达到一个较好的效果。
2、极限平衡法
这种方法是建立在经典的平衡理论中，土压力计算通常使用郎肯和库仑理论，对得到的支护结构进行分析。按照地基的强度进行计算，库仑理论主要是将土体当作一个承载体，然后应用直线滑动面结果，作为极限状态下的滑动面。在郎肯理论中，主要分析一点的应力状态，需要保持一点下的应用平衡。针对地基的强度分析，在直线滑动中，极限承载力比较小，应选取曲线滑动面理论。
3、有限元和数值分析法
在计算机应用的不断推广中，其技术水平也得到了提升，在各个行业得到了有效的运用。在支护结构的分析中，计算机计算提供了一种在理论上更加优秀的计算方法。这种方法需要将支护结构与土体分为有限元进行计算，重点分析两者之间的相互作用。能够计算出基坑的隆起量，然后控制施工塑性区的发展。在动态的模拟计算中，要做好施工与支护结构的逐层分析。
从总体来讲，深基坑支护结构设计，使用的是常规的方法，结合计算机技术，能够使其更加系统化和规范化，有利于支护结构的稳定性。
三、深基坑支护结构在工程中的应用
（一）初拟方案
在上述深基坑工程中，要采用钢筋混凝土支撑体系。在高层建筑物中，要掌握其两层地下空间的具体情况，了解其钢筋混凝土支撑大与变形小的特点，充分发挥混凝土的刚度作用。该建筑物施工的地质情况主要人工填土及残积层，如杂填土层、淤泥层、细砂等，在结构设计中，使用钢筋混凝土支撑，能够减少工程的资金投入，提高施工的速率，该项目的初选方案为加设一道钢筋混凝土得到内支撑。
方案一：采取单层钢筋混凝土内支撑。在第一道钢筋混凝土支撑下，必须防止桩体踢脚破坏，必须保证桩体自身的结构强度及保证嵌固深度。在实际应用中，郎肯理论的主动土压力比较大，被动土的压力较小，要计算支护结构的内力，设计墙身和支锚结构。深基坑中，应掌握土质的情况，例如在软土地基中，很多支护结构，无法达到设计效果，容易受到墙体变形与侧压力的影响，所以要针对这些因素进行深入分析。
方案二：采用双层内支撑，基坑深度范围以内共设置两道内支撑，所设内支撑第一道为钢筋混凝土的内支撑，第二道支撑为钢支撑。通过设置两道支撑，增加了支护桩体系抵抗外部荷载的能力，大大提高了结构体系的刚度，而且明显减少桩体在抵抗土压力过程中所承受的弯矩。确保在支护桩的变形范围的可控制内，能够保证建筑物的总体稳定性。
方案三：基坑范围内采用两道钢支撑作为支护结构。该方案能将最高程度提高施工速度，且建设成本较低，支撑结构可回收并循环使用。因为本次施工的基坑深度较深，所以在选取支撑结构中，要选取合理的支撑形式和支护结构，综合考虑地下水的影响，避免不利因素影响施工的正常进行。但该方案容易因第一道钢支撑失效而导致整个支护体系的破坏，其结构可靠性不如方案二。
（二）方案优化选择
在本次深基坑的施工中，挖掘的深度比较大，周围的环境也比较复杂，所以要进行可靠设计，结合工期和钢支撑的特点，在合理的范围内，提高施工的进度，应用钢结构完善支撑效果。
通过以上方案分析，在实际施工中，第二和第三种支撑方案，都优于第一种方案，而在工期比较紧，位移结构可控的情况下，最后选用第二种方案，该方案能够保证工期进度，并且该大刚度支撑结构体系亦能保证基坑的施工安全，从而起到做好的工程效果。
结束语：
通过上文对深基坑支护结构设计理论及工程应用的分析，大型基坑与形状不规则的基坑，应选用钢筋混凝土支撑体系，从而达到最好的支护效果。深基坑支撑结构体系设计中，应在第一道支撑中选用钢筋混凝土支撑结构，保证结构体系的可靠性，第二支撑可根据项目周期及工程实际，选择采用钢支撑或钢筋混凝土支撑。除去内支撑支护体系，深基坑设计中还可考虑桩锚支护等外支撑体系，具体设计方法应结合实际情况而定，保证施工过程中的安全和施工建设成本的控制。
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]. 科技信息，2009，35：696-697.
[2]周裕利，张远华. 双排桩基坑支护结构设计方法及工程应用[J]. 广州建筑，2013，05：37-42.
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