探讨深基坑支护设计及应用
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【摘要】本文作者结合工程实例，针对深基坑支护的类型，特点及其结构设计和主要计算方法进行了详细的阐述。以供参考。
【关键词】深基坑，支护，应用
0.前言
随着我国经济建设的飞速发展和人们生活水平不断的提高，多层建筑及高层建筑等工程施工，都会面临深基坑工程。本文作者结合实例介绍了深基坑支护的类型，特点及其结构设计和主要计算方法进行了分析探讨。
1.深基坑支护的类型及特点
目前基坑支护型式主要分为两大类：即支挡型和加固型，支挡型中包括放坡开挖及挡土支护开挖。
1.1 放坡开挖
放坡开挖是最经济、最简单而且速度最快的一种支护类型，当条件满足时宜优先采用。硬质、可塑性粘土和良好砂性土场地足够放坡，有时对坡面采取措施边坡高度一般为3～6m，否则分段开挖；最后还要验算边坡稳定等。
1.2 挡土支护开挖
为了保证基坑周围的建筑物、构筑物以及市政设施安全，或为了满足无水条件下施工，需要设置挡土和截水结构。这种结构称为支（围）护结构。基坑工程包括支护体系的设置和土方开挖两个方面。土方开挖的施工组织是否合理对围护体系是否成功产生重要影响。不合理的土方开挖方式、步骤和速度有可能导致主体结构桩基础变位、支护结构变形过大、甚至引起支护体系围护体系崩溃。挡土支护按目前常见的有五种：水泥土墙支护、排桩、地下连续墙、钢板桩支护、土钉墙支护（喷锚支护）、逆作拱墙。
1.3 加固型
加固型主要有水泥搅拌桩加固法、高压旋喷桩加固法、水泥喷粉桩加固法、注浆加固法、网状树根桩加固法及插筋补强法等，哪一种比较经济合理,可根据挖土面的深度,工程及水文地质条件,外荷载状况及施工场地等条件综合分析考虑确定。
2.深基坑支护结构主要计算方法
基坑支护结构设计计算包括外力(土压力及地基超载)和支护结构内力(弯矩和剪力)、支撑体系的设计计算、基坑整体稳定性和局部稳定性、地基承载力、支护结构顶部位移、结构和地面的变形以及软弱土层的局部加固、对相邻建筑的影响等诸方面的计算。
近年来，随着岩土力学理论的发展和各国专家学者的努力，提出了多种计算理论和方法，归纳起来，其基本方法大致可分为:1)极限平衡法；2)弹性抗力法；3)有限元和数值分析法[2]。
2.1 极限平衡法
极限平衡法建立在经典理论的基础上，但通常采用的朗肯和库仑理论所得到的结果实际上和土体单元本身的真实应力是有差别的。按地基强度理论，库仑理论是把土体看作为一承载体，达到极限状态时滑动面的形式采用直线滑动面的结果，而在朗肯理论中则为一点的应力状态，由于库仑理论在一定条件下与朗肯理论是一致的，朗肯理论实质上也属一种直线滑动面理论。对于地基强度而言，直线滑动面理论的极限承载力是偏小的，采用曲线滑动面理论更为合理。简单地讲，朗肯理论在一般情况下的主动土压力都会偏大， 被动土压力偏小，而库仑理论中被动土压力在土体内摩擦角为较大值时结果也会偏大[1,2]。用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力，计算柔性挡墙(悬臂式或有支锚结构)的内力，对墙身和支锚结构进行设计，这种方法对于普通挡土墙或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的； 但对深基坑，特别是软土中的深基坑支护结构设计，该法就难以考虑更为复杂的条件，难以分析支护结构的整体性状。例如支护结构与周围环境的相互作用，墙体变形对侧压力的影响，支锚结构设置过程中墙体结构内力和位移的变化，内侧坑底土加固或坑内、外降水对支护结构内力和位移的影响，压顶圈梁的作用与设计，复合式结构的受力分析等等，这些问题往往成为控制支护结构性状的主要因素。
2.2 弹性抗力法
弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进[3,4,5,6]。其概念是由于挡墙位移有控制要求，内侧不可能达到完全的被动状态，实际上仍处在弹性抗力阶段，因此，引用承受水平荷载桩的横向抗力概念，将外侧主动土压力作为施加在墙体上的水平荷载，用弹性地基梁的方法计算挡墙的变形与内力，土对墙体的水平向支撑用弹性抗力系数来模拟，支锚结构也用弹簧模拟。这种方法可以视为对常规方法的改进，但它仍没有解决前一种方法的其余问题。计算与实际符合与否取决于基床系数的选取，通常用m 法计算，即基床系数随深度比例增长，比例系数为m。土抗力法在基坑支护设计计算中， 常将支护结构前后土体视为由水平向的弹簧组成的计算模型，通过挠曲线的近似方程来计算挡土结构墙体的弯矩、剪力和变形。按Winkler 假定，每一点的水平向的反力与这点的弹性变形成正比。一般适用于锚拉式平面结构或受力对称的内支撑式平面结构。
2.3 有限元和数值分析法
随着计算机技术的提高，有限元和数值分析法在支护结构分析中得到了广泛地应用，提供了一种理论上更为合理的设计计算方法。它将土体和支护结构分别划分为有限单元进行计算，其优点是可以考虑土体与支护结构的相互作用，可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力和位移，而且还可求得基坑的隆起量、地表的沉降量和土中的塑性区范围及发展过程，还可以与土流变学相结合求得各参数的时间效应。最重要的一点，它适用于动态模拟计算，通过动态计算模型，按照施工过程对支护结构进行逐次分析，预测支护结构在施工过程中的性状[5,6]。
总的来说，常规设计方法仍然是目前工程中支护结构设计的主要方法，但需对它存在的问题加以研究改进，发展有限元方法使之实用化、系统化，成为支护结构计算机辅助设计软件，供设计与施工管理采用。从原理上说，常规方法存在的问题在有限元方法中都可不同程度地得到解决。除了数值分析方法本身的问题以外，用有限元方法的关键是正确选用计算模型和设计参数；另一个需要研究的问题是安全系数的定义及如何与常规设计的安全系数相匹配。如果后一个问题不解决，有限元方法仍然只停留在辅助手段的水平上而不能成为一种可供应用的工程设计方法。
3.工程实例
3.1 工程地质情况：
该工程地下室2 层， 基坑深8m， 宽101m, 西边长324m, 东边长284m,基坑面积为30700m2。本工程的地质情况为：
（1）人工填土及残积层，其包括：
①杂填土层，厚1～3m,松散，含水量较高；
②淤泥层，厚1～4m，松散，含水量较高；
③细砂、中砂层，厚2～13m,松散，含水量较高；
④粉质粘土层，厚7～11m，上部可塑，向下逐渐变化为硬塑。
（2）基岩：岩性主要为内夹方解石脉粉质泥岩，其分为：
①强风化带：岩质近土状，岩体较碎，厚度为5～12m，岩层面深度在18～25m 之间。
②中风化带：岩质较坚硬，但裂隙较发育，厚度为1.5～7.5m，岩层面深度在20～32m 之间，单轴抗压强度平均为5MPa。
③微风化带：岩质坚硬，但裂隙发育，岩层面深度在25～39m 之间，单轴抗压强度平均为6.5MPa。地下水埋深为0.8～1.2m。本工程场地南北二区的地质差异较大，南区岩面高，淤泥及细砂层较薄，粘土层以硬塑粘土为主，北区则岩面低，淤泥及细砂层较厚。
3.2 方案的选择
若不加设支撑，支护墙体的水平位移较大，而本工程基坑开挖深度较深，因此，选用何种支撑形式与支撑类型成为本工程的关键所在。因为地下水位较高，要考虑止水，所以加设一道止水帷幕。
3.2.1 方案初选
深基坑工程通常采用钢筋混凝土支撑体系，其特点如下：钢筋混凝土支撑能充分发挥混凝土的刚度大和变形小的特征，采用钢筋混凝土支撑可以加快土方挖运速度、降低工程造价，并且可以不受周边场地不足的限制。因此，本工程初选支撑方案为加设二道钢筋混凝土内支撑。
方案一：采用钢筋混凝土内支撑。第一道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面均为500×700，联系梁及八字撑均为400×600。第二道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面为600×800，联系梁及八字撑均为400×600。第一、二道钢筋混凝土内支撑形式。支撑形式同图示。
方案二：采用钢筋混凝土支撑。第一道内支撑与第二、三道内支撑均为钢筋混凝土内支撑。第一、二道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面均为500×700，联系梁及八字撑均为400×600。第三道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面为600×800，内支撑联系梁、八字撑均为400×600。设置二道支撑，支护桩内力与变形较大，因而局部设置三道支撑，既可满足该基坑支护的要求， 又能保证支护桩变形在控制范围之内，防止靠近基坑房屋因基坑开挖而开裂或沉降。
3.2.2 方案优化选择
本工程基坑开挖较深，周围环境复杂，安全可靠度是首要设计因素，同时，必须考虑施工工期。
相比之下，钢支撑具有缩短施工工期的特点，为了加快施工进度，考虑第一道支撑采用钢结构支撑。
方案三如下：局部采用钢管支撑，其余采用钢筋混凝土支撑。第一道内支撑为钢支撑。第二、三道为钢筋混凝土内支撑。第一道钢结构对撑梁，联系梁、八字撑均为单根工字钢25b。第二道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面均为500×700，联系梁及八字撑均为400×600。第三道钢筋混凝土支撑的对撑梁和角撑梁均采用钢筋混凝土截面600×800，内支撑联系梁、八字撑均为400×600。
综上所述，第二、三种支撑方案优于第一种支撑方案，而采用第三种支撑方案对于控制支护结构位移、加快施工进度具有重要的作用。
4.结语
大型基坑、形状不规则的深基坑，最好采用钢筋混凝土支撑体系；通常第一道支撑是钢筋混凝土支撑，为了加快施工进度，可以考虑第一道支撑采用钢结构支撑。在可选方案较多的情况下，基坑支护方案的优选对于周边环境的安全以及施工中技术和经济投入的影响都是非常巨大的，这就要求工程人员根据实际条件、结合工程经验，有的放矢地选择不同的基坑支护方案，对各种可能的支护方案进行比较和优化，寻求安全可靠和经济效益的最佳交点。
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