深基坑支护结构设计要点

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　　摘要：随着经济建设的发展和人们生活水平的提高，近年来我国的各类建筑与市政工程得到飞速发展，多层建筑及高层建筑的地下室、地下车库、地铁车站等工程施工，都会面临深基坑工程。随之而来的基坑支护工程的结构设计就显得非常重要，根据工程的特点进行科学的设计，合理地选择支护结构是基坑安全的重要保证。本文首先分析了深基坑工程的特点，然后列举了深基坑支护结构的类型，最后从四大方面详细探讨了深基坑支护设计的要点。
　　关键词：深基坑；支护结构；土钉墙；有限元法；基坑降水
　　Abstract: with the development of economic construction and people living standard rise, in recent years, all kinds of architecture and civil engineering of China is rapid development, multi-storey buildings and high-rise buildings, underground garage, basement, metro stations, engineering construction, will face the deep foundation pit engineering. Follow the structure of the foundation pit supporting engineering design is very important, according to the characteristics of the engineering for the design of scientific, reasonable selection is an important guarantee of safety of foundation pit supporting structure. This article first analyzes the characteristics of deep foundation pit engineering, and then lists the types of deep foundation pit supporting structure, finally in detail from four aspects discusses the main points of the deep foundation pit supporting design.
　　Key words: deep foundation pit; Supporting structure; Soil nailing wall; The finite element method; The foundation pit precipitation
　　中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
　　深基坑工程的特点
　　 （一）风险大
　　深基坑支护体系一般是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性。深基坑工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。在施工过程中一旦出现险情，需要及时抢险。
　　 （二）深基坑工程具有很强的区域性
　　如软粘土地基、黄土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中其差异性很大。同一城市不同区域也有差异。深基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖都要因地制宜，根据本地情况进行，外地的经验可以借鉴，但不能简单搬用。
　　 （三）深基坑工程具有很强的个性
　　深基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖不仅与工程地质水文地质条件有关，还与基坑相邻建（构）筑物和地下管线的位置、抵御变形的能力、重要性，以及周围场地条件等有关。有时保护相邻建（构）筑物和市政设施的安全是深基坑工程设计与施工的关键。这就决定了深基坑工程具有很强的个性。
　　 （四）深基坑工程综合性强
　　它不仅需要岩土工程知识，也需要结构工程知识，需要土力学理论、测试技术、计算技术及施工机械、施工技术的综合。
　　 （五）深基坑工程具有较强的时空效应
　　深基坑的深度和平面形状对基坑支护体系的稳定性和变形有较大影响。在深基坑支护体系设计中要注意基坑工程的空间效应。
　　深基坑支护结构的类型
　　 （一）钢板桩支护
　　钢板桩应用于建筑深基坑的支护，是一种施工简单，投资经济的支护方法。在软土地区过去应用较多，但由于钢板桩本身柔性大，因此对基坑支护深度达7 m 以上软土地层，基坑支护不宜采用钢板桩支护，除非设置多层支撑或锚拉杆，但应考虑到地下室施工结束后钢板桩拔除时对周围地基和地表变形的影响。
　　 （二）地下连续墙
　　地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体。由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性好，适用于地下水位以下的软粘土和砂土多种地层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情况。因此在国内外的地下工程中得到广泛应用，并且随着技术的发展和施工方法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡墙围护结构，又能作为拟建主体结构的侧墙。
　　 （三）内支撑和锚杆
　　目前支护结构的内支撑，常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支撑两类，钢结构支撑多用圆钢管和大规格的型钢。为减少挡墙的变形，用钢结构支撑时可用液压千斤顶施加预应力。钢筋混凝土支撑是近几年深基坑施工中发展起来的一种支撑形式，它多用土模或模板随着挖土逐层现浇，截面尺寸和配筋根据支撑布置和杆件内力大小而定，它刚度大、变形小，能有力地控制挡墙变形和周围地面的变形，宜用于较深基坑或周围环境要求较高的地区。
　　 （四）土钉墙支护
　　土钉墙围护结构是边开挖基坑边在土坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，从而形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土，不适用于淤泥质及地下水位下且未经降水处理的土层，周围管线密集的基坑也应慎用。
　　 （五）深层搅拌水泥土桩支护
　　深层搅拌水泥土桩是用特制的进入土深层的深层搅拌机将喷出的水泥浆固化剂与地基土进行原位强制拌合制成水泥土桩，相互搭接，硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙，既可挡土又可形成隔水帷幕，对于平面呈任何形状、开挖深度不很深的基坑，皆可用作支护结构，比较经济。
　　深基坑支护结构设计的要点
　　 （一）深基坑支护结构的设计计算
　　1、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。
　　2、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。
　　此外，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，有时桩底落在软弱土层中，还须经验来修正。
　　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。
　　 （二）深基坑支护结构的设计思路
　　对于一个支护结构的设计，首先要根据拟建工程的自然地形、地质条件、当地的经验及技术条件，综合考虑来选择一个最适合的设计方案。它应当符合国家的经济技术方针、政策法规和规范、规定等，且技术先进、安全可靠、造价经济、施工方便。因此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：
　　1、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。
　　2、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。
　　3、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。
　　4、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。
　　5、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。
　　6、如悬臂式支挡不妥当，则可考虑其它形式的方案，如钢板桩、土钉、锚杆、拱圈、网状树根桩加固、逆作法等。设计人员应根据工程的具体情况，通过综合分析比较的方法来确定支护结构的种类、平面布置形式及其支护材料。
　　 （三）深基坑设计中的两个关键问题
　　1、关于土压力计算参数问题
　　重力密度、内磨擦角Ψ、粘聚力C，是计算土压力时的重要参数，这些参数均是由工程地质勘察所提供的。《工业与民用建筑工程地质勘察规范》T规定了工程地质勘察分为3 个阶段:选址勘察、初步勘察、详细勘察。这3 项勘察是以选址和为建筑物基础设计与处理提供资料为目的的。目前，人们进行深基坑支护结构设计时所用的土压力参数也均是来自“详细勘察”(或初步勘察)报告之中。而“详细勘察”的布点一般均在建筑物基础周边线以内，而深基坑支护结构承受的主动土压力是来自建筑基础周边线以外的土体。因此用“详细勘察”所提供的土压力参数做为深基坑支护结构设计的依据是不充分的，尤其是在地质条件复杂的场地中更是如此。
　　深基坑支护结构作为一种临时性的施工结构，它所需的参数应由“施工勘察”提供，在《工业与民用建筑工程地质勘察规范》中虽提出了“对工程地质条件复杂或有特殊要求的重大建筑地基尚应进行施工勘察”但在具体规定的施工勘察的内容(《规范》45 条)中只包括了“⋯.提供地层渗透系数K，实测基底回弹、隆起或土的侧向位移，以及临近建筑物的附加沉降⋯.提供其与地基土摩擦系数F⋯⋯”等，而未对深基坑支护结构设计所需的土压力参数提出要求。同样，在《高层建筑箱型基础设计与施工规》勘察要求一章中亦未做出明确具体的规定。
　　2、关于环梁内的弯矩问题
　　在应用环梁做深基坑支护时， 有的设计按环梁内没有弯矩只有压力考虑。按结构力学的理论，环形刚架只有在承受均匀分布的法向力时，环梁内弯矩才为零，(轴向压力为qr)。但在环梁用于基坑支护时这两个条件大多不能满足，一是基坑多为矩形、多边形，土压力是沿槽边长度分布的，每一段环梁所对应的槽边长度不等。如在矩形槽的角部，单位长度的环梁对应的槽边长度就较长，因此环梁所受荷载必然是不均匀的。在挖槽时不分层对称均匀开挖，也会使环梁受力不均。另外当环梁外有支撑杆时，支撑杆为一个个的集中力，也不符和布而荷载的假设。这样环梁内必然有弯矩。现在的问题是这种弯矩的大小在哪个数量级上，是否可以忽略不计而只按受压或构造要求对环梁配筋。
　　从目前发表的有关工程实侧的总结看， 尚未见对环梁内弯矩进行监测取得的资料披露。而使用微机进行计算的结果表明，环梁内的弯矩是不可忽略的，如我们对某12m 槽深，采用双层环梁(眼镜形)的支护结构进行计算的结果显示，第二道环梁内最大弯矩达376kN/m， 产生弯矩的部位在支撑杆(沿环梁外侧间距6.6m)与环梁相交的结点处，对截面1600mm×800mm 的环梁使用上述弯矩进行配筋达18Φ25 钢筋，以至截面双排布置。可见弯矩之大而不可忽略。
　　 （四）深基坑设计中的基坑降水问题
　　设计时应充分考虑地下水的影响，它直接关系到设计方案的成败，如基坑土层为渗透系数较高的土层( 如粉土、粉砂、圆砾等) 时，井点降水法是一种经济有效的方法。采用该法不仅可使基坑处于干燥状态而便于施工，还可显著改善土层的物理力学性质，有效减少支护结构的内力和变形，从而可达到节约和安全的目的。但要注意场地土质是否适宜井点降水，特别是降水是否会影响周围环境，有时为了减小降水引起的地面附加沉降或对邻近建( 构) 筑物造成影响，还可采用井点回灌技术。当底层为渗透系数较小的土层( 如粘性土、淤泥等) 时，可采用深层搅拌桩和高压旋喷注浆形成止水帷幕，由于深层搅拌桩造价相对较低，故应用较多，无论是降水或止水，地表滞水的处理都不能忽视，地表滞水一般采用排水沟与集水井收集，然后用水泵排除，这对于放坡或局部放坡的基坑尤为重要，同时还应对坡面采取一
　　定的保护措施。
　　
　　结语
　　综上，深基坑支护的类型有很多种，实际工程中需根据各种支护类型的特点并结合工程经验进行选型设计。支护结构设计中要遵循的原则是，基坑支护作为一个结构体系，要满足稳定和变形的要求，即规范所说的承载能力极限状态和正常使用极限状态。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。总之深基坑支护结构设计时要根据不同的水文地质条件，具体问题，具体分析，从而选择经济、适用、安全的支护结构。
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