建筑工程深基坑支护结构设计要览

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　　【摘 要】文章首先论述了深基坑支护工程的特点，工程分类，深基坑支护的土压力选择，进一步介绍了深基坑结构设计的计算方法，最后论述了设计的注意事项。
　　【关键词】深基坑；结构；设计要览
　　
　　引言
　　随着国民经济发展，城市建设中高层建筑逐渐增我及城市用地越来越紧张，为充分利用地下空间，近几年来，基坑工程向更大，更深的趋势发展越来越明显，基坑支护的成败不仅仅涉及到基坑本身的安全和基坑中新建建筑物基础的施工，而且还会对周边建筑物和市政设施造成影响，近年来基坑工程事故时有发生，基坑支护工程已经成为目前岩土工程中的一个热点问题。
　　一、深基坑支护工程特点
　　1、深基坑支护工程是风险性较大的临时工程，具有较强的事故率。深基坑工程一般都是临时工程，安全储备相对较小，造成价较高，不确定因素较多，建设单位往往不愿投入较多的资金，因此风险性较大。深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常常经历多次降雨，周边堆载，振动等许多不利条件，安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。
　　2、深基坑支护工程具有很强的差异性和个性。地质和水文地质条件的不同，自然条件的差别，都会造成基坑支护工程的差异性，即使是同一个城市，不同区域也有差异。 同时，深基坑支护工程还与基坑相邻建筑物，构筑物及市政地下管网的位置，抵御变形的能力以及周围场地条件有关，使得每个基坑都要根据具体情况具体分析，进行专门设计。
　　3、基坑工程具有很强的综合性。深基坑支护工程是岩土工程，结构工程及施工技术相互交叉的学科，是多种复杂因素相互影响的系统工程，它涉及土力学中强度（或称稳定）、变形和渗流水3个基本课题，三者需要综合处理。有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性问题是主要矛盾，有的土中渗流引起土破坏是主要矛盾，有的基坑周围地面变形是主要矛盾。
　　二、深基坑工程的分类
　　（1）被动受力支护结构。支护结构主要依靠结构自身被动的承受水土受力，常见的形式有：人工挖孔桩，预制钢筋混凝土桩，机械钻孔桩，钢管桩，钢板桩，内支撑围护结构和地下连续墙等。
　　（2）主动受力支护结构。其特点为通过不同的途径主动的提高土体的强度，使支护结构体系形成整体共同作用，从而达到支护的目的，常用的方法主要有树根桩技术，土钉支护技术和搅拌桩技术等。
　　（3）被动与主动支护结构组合形式。将前两种支护形式组合应用于同一个基坑工程中，合理利用各自的优点，有效避开各自缺点，扩大各自应用范围，满足经济，安全，合理的要求。
　　三、深基坑支护的土压力选择
　　1、土强度指标的选择。土的抗剪强度指标C，与土的固结度有密切的关系。土的固结过程就是土中孔隙水压力的消散过程，对于同一种土，在不同排水条件下进行试验，可以得出不同的抗剪指标，故试验条件的选取应尽可能反映地基土的实际工作状态，在基坑支护设计中应采用三轴试验的指标，才能保证选取参数值的客观性和准确性。
　　2、土压力计算理论。试验已证实了太沙基理论的定性结论，土压力大小取决于位移的大小和位移方向。
　　3、水土压力的合算与分算。按照有效应力原理，可知“土、水压力分算”比“土、水压力合算”概念要清楚，但水、土压力合算法在一些软黏土地区的临时性开挖工程中土压力计算值与实测值较为符合，如土在有水作用时，墙后土压力主要是水、土压力共同作用的结果。在未搞清水、土耦合效应的前提下，水、土、压力合算是一个包含一定的实践经验的综合方法，对工程实践来说是有利的。
　　四、深基坑支护结构设计计算方法
　　基坑支护结构的设计需要满足在承载力极限状态和使用极限状态下支护结构的安全，为此基坑支护结构的计算必须选用合理的计算方法。计算方法主要有以下几种：塑性极限平衡法、弹性抗力法和有限元数值模拟法。
　　1、静力平衡法。静力平衡法亦称自由端支承法，该法假定围护结构是刚性的，并可绕支撑点转动，围护结构的前侧产生被动土压力，后侧产生主动土压力，静力平衡法适用于围护结构的入土深度不太深即底端非嵌固的情况，此时围护结构由于土压力的作用而达到极限平衡状态。利用墙前后土压力的极限平衡条件来求插入深度，结构内力等。
　　2、等值梁法。单支撑（锚拉）埋深板桩计算，将其视为上端简支，下端固定支承，变形曲线有一反弯点，一般认为该点弯矩值为零，可把挡土结构划分为两段假想梁，上部为简支，下部为一次超静定结构，其弯矩图不变，该法称为等值梁法，实践表明，等值梁法计算板桩是偏于安全的，实际设计计算常将最大弯矩予以折减，折减经验系数为0.6-0.8。等值梁法基于极限平衡状态理论，假定支挡结构前后受极限状态的主被动土压力作用，但不能反映支挡结构的变形情况，即无法预先估计开挖对周围建筑物的影响，故一般仅作支护体系内力计算的校核方法。
　　3、弹性地基梁的M法。基坑工程弹性地基梁法取单位宽度的挡墙作为竖直放置的弹性地基梁，支撑简化为与截面面积，弹性模量和计算长度等有关的二力杆弹簧，弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力用土弹簧模拟，地基反力的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的乘积确定，但是，工程实践表明，在软土中的悬臂桩支护计算计算采用M法，计算位移与实测位移有很大差异，实测位移是计算值的好几倍，另外，M法无法直接确定支护结构的插入深度，通常假定试算有很大的随意性。
　　五、深基坑支护设计中的注意事项
　　（一）彻底转变传统的设计理念。对于深基坑支护结构的设计，国内外至今尚没有一种精确的计算方法，多数是处于摸索和探讨阶段，我国也没有统一的支护结构设计规范。土压力分布还按库伦或朗肯理论确定，支护桩仍和“等值梁法”进行计算。其计算结果与深基坑支护结构的实际受力悬殊较大，既不安全也不经济。由此可见，深基坑支护结构的设计不应再采用传统的“结构荷载法”而应彻底改变传统的设计观念，逐步建立以施工监测为主导的信息反馈动态设计体系。这是设计人员需要加强科研攻关的方向。
　　（二）建立变形控制的新的工程设计方法。目前，设计人员用的极限平衡原理是一种简例实用的常用设计方法，其计算结果具有重要的参考价值。但是将这种设计方法用于深基坑支护结构，只能单纯满足支护结构的强度要求，而不能保证支护结构的刚度，众多工程事故就是因为支护结构产生过大的变形而造成的，鉴于上述实际，在建立新的变形控制设计法时，应着重研究支护结构变形控制的标准，空间效应转化为平面应变和地面超载的确定及基对支护结构的影响等问题。
　　（三）大力开展支护结构的试验研究。开展支护结构的试验研究虽然要耗费部分资金，但由于深基坑支护工程投资巨大，如经过科学试验再进行设计时，肯定会节省可观的经费，因此，工程现场试验是非常必要的。通过工程实践积累大量的测试数据，可对同类工程的成功打好基础，为理论研究建立和新的计算方法提供可靠的第一手资料。
　　（四）探索新型支护结构的计算方法。高层建筑的飞速发展给深基坑支护结构带来一场技术革命，在钢板桩，钢筋混凝土板桩，钻孔灌注桩挡墙，地下连续墙等支护结构成功应用后，双排桩，土钉，组合拱帷幕，旋喷土锚，预应力钢筋混凝土多孔板等新的支护结构形式也相继问世，但是，这些支护结构型式的计算模型如何建立，计算参数怎样选取，设计方法如何趋于科学，仍是当前新型支护结构设计中急需解决的问题。
　　六、结束语
　　我国建筑基坑支护的设计理论有了很大发展，建立了许多新的计算理论和方法，但在工程具体应用中，仍要坚持理论与实践相结合的原则，根据实际选用合理的支护方法，同时要加强管理和监督，加强关键环节的质量控制，一定能够获得优质的设计与施工。
　　参考文献
　　[1]JGJ79-2002，建筑地基处理技术规范。
　　[2]龚晓南，高有潮，深基坑工程设计施工手册，北京，中国建筑工业出版社。
　　[3]刘国彬，王卫东，基坑工程手册，北京，中国建筑工业出版社。
　　[4]张丽，深基坑支护的设计与施工管理。《科技致富向导》，2011年第26期。
　　[5]代迎立，深基坑技术分析《中国房地产业》2011年第2期。
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