深基坑支护结构设计研究

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　　【摘 要】 本文首先阐述了基坑支护的设计内容，其次分析了基坑支护结构的设计原则与方法，同时对支护结构挡墙的选型、支撑体系的选型和支护结构的围护墙计算这三个方面对深基坑支护进行结构设计，具有一定的参考价值。
　　【关键词】深基坑支护；结构设计；探讨
　　1.前言
　　高层建筑上部结构传到地基上的荷载很大，为此多建造补偿性基础。为了充分利用地下空间，设计中一般采用设置多层地下室，因此高层建筑的基础埋深较深，施工时基坑开挖深度较大，许多城市的高层建筑施工都需开挖深度较大的基坑，给施工带来很多困难，尤其在软土地区或城市建筑物密集地区。施工场地邻近的已有建筑物、道路、纵横交错的地下管线等对沉降和位移很敏感，不允许采用较经济的放坡开挖，而需在人工支护条件下进行基坑开挖。支护结构如何选型、进行合理的布置和设计计算，这些会直接影响如何组织施工，以及施工过程中的支护结构监测和环境保护等问题。
　　2.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。
　　3.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：①根据基坑支护形式及其受理特点进行土体稳定性计算；②基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算；③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。
　　4.支护结构挡墙的选型
　　支护结构挡墙的选型，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、经济效益好等几方面，经过技术经济比较后加以确定。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。
　　支护结构中常用的挡墙结构及其适用范围如下：
　　① 钢板桩。
　　钢板桩常用的有简易的槽钢钢板桩和热轧锁口钢板桩。其中热轧锁口钢板桩的形式有U型、z型、一字型、H型和组合型。我国一般常用者为U型，即互相咬接形成板桩墙，只有在基坑深度很大时才用组合型。
　　② 钢筋混凝土板桩。
　　这是一种传统的支护结构，截面带企口有一定挡水作用，顶部设圈梁，用后不再拔除，永久保留在地基土中，过去多用于钢板桩难以拔除的地段。
　　③ 钻孔灌注桩排桩挡墙。
　　常用直径为600～1000mm，做成排桩挡墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁，设内支撑体系。我国各地都有应用，是支护结构中应用较多的一种。
　　灌注桩挡墙的刚度较大，抗弯能力强，变形相对较小，在土质较好的地区已有7～8m悬臂桩，在软土地区坑深不超过14m皆可用之，经济效益较好。但其永久保留在地基土中，可能为日后的地下工程施工造成障碍。由于目前施工时难以做到相切，桩之间留有100～150mm的间隙，挡水效果差，有时与深层搅拌水泥土桩挡墙组合应用，前者抗弯，后者做成防水帷幕起挡水作用。
　　④ H型钢支柱、木挡板支护挡墙。
　　这种支护结构适用于土质较好、地下水位较低的地区，国外应用较多，国内也有应用。如北京京城大厦深23.5m的深基坑即用这种支护结构，它将长27m的488mm× 300mm的H型钢按1.1m间距打入土中，用三层土锚拉固。H型钢支柱按一定间距打入，支柱间设木挡板或其他挡土设施，用后可拔出回收重复使用，较为经济，但一次性投资较大。
　　⑤ 地下连续墙。
　　地下连续墙已成为深基坑的主要支护结构挡墙之一，国内大城市深基坑工程利用此支护结构为多，常用厚度为600～1000mm，目前也可施工厚度450mm的，上海至今已完成100多万平方米地下连续墙。尤其是地下水位高的软土地区，当基坑深度大且邻近的建（构）筑物、道路和地下管线相距甚近时，往往是首先考虑的支护方案。上海地铁的多个车站施工中都采用地下连续墙。
　　⑥ 土钉墙。
　　土钉墙是一种利用土钉加固后的原位土体来维护基坑边坡土体稳定的支护方法。它由土钉、钢丝网喷射混凝土面板和加固后的原位土体三部分组成。该种支护结构简单、经济、施工方便，是一种较有前途的基坑边坡支护技术，适用于地下水位以上或经降水后的粘性土或密实性较好的砂土地层，基坑深度一般不大于15m。杭州地铁的多个大型车站都采用土钉墙施工工艺。
　　除上述者外，还有用人工挖孔桩（我国南方地区应用不少）、打入预制钢筋混凝土桩等支护结构挡墙。近年来SMW法（水泥土搅拌连续墙）在我国已成功应用，有一定发展前途。北京还采用了桩墙合一的方案，即将支护桩移至地下结构墙体位置，轴线桩既承受侧向土压力又承受垂直荷载，轴线桩间增加一些挡土桩承受土压力，桩间砌墙作为地下结构外墙，收到较好的效果，目前亦得到推广。
　　5.支撑体系的选型
　　当基坑深度较大，悬臂的挡墙在强度和变形方面不能满足要求时，即需增设支撑系统。支撑系统分两类：基坑内支撑和基坑外拉锚。基坑外拉锚又分为顶部拉锚与土层锚杆拉锚，前者用于不太深的基坑，多为钢板桩，在基坑顶部将钢板桩挡墙用钢筋或钢丝绳等拉结锚固在一定距离之外的锚桩上。土层锚杆锚固多用于较深的基坑。
　　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Φ609圆钢管和H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。
　　6.支护结构的围护墙计算
　　（1）荷载与抗力计算
　　作用于挡墙上的水平荷载，主要是土压力、水压力和地面附加荷载产生的水平荷载。要求精确计算土压力是困难的，因为影响因素根多，它不仅取决于土质，还与挡墙的刚度、施工方法、基坑空间尺寸、无支撑时间的长短、气候条件等有关。可根据《建筑基坑支护技术规程》的规定，对荷载和抗力按所列公式进行计算。
　　（2）支护结构计算
　　对于较深的基坑，排桩、地下连续墙围护墙应用最多，其承受的荷载比较复杂，一般应考虑土压力、水压力、地面超载、影响范围内的地面上建筑物和构筑物荷载、施工荷载、邻近基础工程施工的影响（如打桩、基坑土方开挖、降水等）。作为主体结构一部分时，应考虑上部结构传来的荷载及地震作用，需要时应结合工程经验考虑温度变化影响和混凝土收缩、徐变引起的作用以及时空效应。排桩和地下连续墙支护结构的破坏，包括强度破坏、变形过大和稳定性破坏。其强度破坏或变形过大包括：拉锚破坏或支撑压曲，过多地增加了地面荷载引起的附加荷载，或土压力过大、计算有误，引起拉杆断裂，或锚固部分失效、腰梁破坏，或内部支撑断面过小受压失稳。为此需计算拉锚承受的拉力或支撑荷载，正确选择其截面或锚固体。
　　参考文献：
　　[1]李钟.深基坑支护技术现状及发展趋势（一）[J].岩土工程界，2008，（1）.
　　[2]高大钊，陈汉忠等.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，2009.
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