深基坑支护设计及工程实证研究
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作者: 何国宏
【摘要】我国人口众多，为了节约土地，必然大量兴建高层建筑和充分利用城市地下空间，这样就带来了大规模基坑工程的开挖与支护，为地下工程建筑提供必要和安全的环境。深基坑开挖施工，对坑壁进行支护，不仅要面对场地水文、工程地质条件的复杂性，还要充分考虑极其有限的场地环境条件下施工的可行性和难度。本文就深基坑支护方面的问题进行了探讨。
【关键词】深基坑；支护设计；优化；研究
基坑支护优化设计是使基坑支护设计对工程特点、水文、工程地质条件及环境条件有显著的针对性，突出合理、科学的设计成果，更好地体现设计成果的适宜性、安全性及经济性，而基坑支护类型的优选和支护设计计算的优化，是解决这个难点和重点的关键。
1、基坑支护结构形式及适用范围。
1.1、作为基坑支护结构体系它必须满足以下三个要求：
（1）保证土方开挖和地下室施工所需的必要条件：必须保证基坑四周边坡的稳定性，使下室有足够空间的要求，也就是说基坑支护体系要能起到挡土的作用。
（2）保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线在基坑施工期间不受损害。
这要求在支护体系施工、土方开挖及地下室施工过程中控制土体的稳定和变形，使基坑周围地面沉降和水平位移在规范规定的范围内。
（3）保证基坑施工过程作业面在地下水位以上。通过截水、降水、排水等措施来实现。
1.2、基坑支护结构形式主要有以下几类：
（1）放坡开挖及简易围护：放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，
以及施工现场有足够放坡场所的工程，在放坡开挖过程中，为了增加基坑边坡稳
定性，减少挖土土方量，常采用简易围护。
（2）水泥土重力式支护结构：适用于较浅的基坑工程，其变形较大。
（3）悬臂式支护结构：适用于土质较好，开挖深度较浅的基坑工程。
（4）内撑式支护结构：适用范围很广，可以适用各种土层和基坑深度。
（5）拉锚式支护结构：比较适用于砂土地层或粘土地层，基坑深度可较大。
（6）土钉墙支护结构：适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、
杂填土及非松散的卵石土等。
（7）地下连续墙：适用范围最广，可适用于各地多种土质情况，基坑深度大，
即能挡土亦能挡水，变形小但造价昂贵。
2、基坑支护设计方案的比选原则。
深基坑工程的优化设计主要从四个方面进行：技术的可靠性、先进性以及施
工的可行性；经济效益；环境影响；工期。深基坑工程的优化设计按其阶段的不
同，可分为两大步，系统优化与设计计算优化。系统优化，也即方案优化，是指
根据某一深基坑工程所要达到的目标而优化选出一个最佳的方案。设计计算优化
是在支护系统确定后，对具体方案的细部进行优化计算，如锚杆或支撑点的位置、
支护桩的桩径等优选，优化的目标是使深基坑工程总体造价最小。
一般而言，基坑支护设计方案优选的比较原则为：
（1）技术可靠性、先进性和可行性；
（2）基坑支护对环境的影响评价；
（3）基坑支护结构占用的工期；
（4）基坑支护结构的工程经济综合对比。
3、影响深基坑支护类型方案选择的因素。
（1）基坑的平面尺寸、开挖深度和基础施工要求。
（2）土层工程地质情况，包括土层的物理、力学性质、地下水埋藏条件等。
（3）邻近建筑物的结构、距离、基础形式以及基坑对建筑物影响程度的限制
要求。
（4）邻近地下管线及其他设施对施工的限制要求。
（5）施工技术、设备和材料对选用支护结构的可能性。
（6）工期和造价的优化方案选择。
4、深基坑支护优化设计存在的问题。
在研究现状中阐述的优化设计方法虽然能够起到一定的优化效果，但是仍然存在着一些不足以及面临着众多难题。
4.1、对于深基坑工程细部优化设计的问题，其数学描述包含了设计变量的选取、约束条件的确定、目标函数的建立三方面的内容。其中，细部设计变量众多，并且大多数是离散变量，解空间异常庞大，优化设计存在组合爆炸的问题，为了简化优化过程，必然需要寻求一种方法筛选出对优化结果影响最大的设计变量；而对于主要约束条件的问题各类基坑支护设计规范中的规则、条文、设计准则等做出了一定的规定，这些往往需要通过基本力学分析得到，如支护结构的位移、内力等。因此，必然涉及到不同支护结构的土压力和安全性分析的研究；最后，就需要根据设计变量以综合造价为优化目标，确定的最终优化目标函数，进而建立深基坑支护细部结构优化设计数学模型；
4.2、深基坑支护结构的安全性分析是优化设计的前提条件。土钉墙的安全性分析多采用极限平衡分析方法、工程简化分析方法和有限元分析方法。上述方法存在着难以提供有关变形的信息、不便确定钉一土界面模型及计算参数、直接将层状土简化为均质土、凭经验给定临界破坏面的位置等诸多缺点，这些方法要么不符合实际情况，要么就是在实际工程应用存在一定的难度。因此，寻找一种计算简单但假设合理的土钉墙稳定分析模型成为其优化设计的关键。在优化设计中采用弹性地基杆系有限元法可以达到计算简单而又可以满足工程精度要求，但在土体水平刚度系数和考虑施工过程对支护结构的影响存在争议。因此，需要就两个方面着重研究：1）在缺少场地土体实验的情况下确定土体水平刚度系数；2）考虑支撑架设前的支护结构的位移和架设后支撑轴力随后续开挖过程而逐渐调整，以及支撑预加轴力对挡土结构内力变化的影响。
4.3、为了求解优化设计模型中的约束条件，就必须研究深基坑不同支护型式的土压力和支护结构计算分析方法。土钉墙侧向土压力的计算方法多采用朗肯土压力、库仑土压力和规范方法，这些方法通常不考虑墙背与土之间相互摩擦引起的剪切作用和土钉墙的放坡角度。这与大多数工程的实际情况不相符合的，因此，需要建立可直接应用的考虑墙背与土之间相互摩擦引起的剪切作用及放坡角度的土钉墙侧向土压力计算公式。对于排桩和地下连续墙这两种支护结构的土压力来说，常规的分析方法往往忽略了支护结构后面稳定土体和变形土体之间抗剪能力，这种抗剪能力可以导致变形区土体维持在原来的位置，其土压力将随其位移和变形的增大而减小，变形区土体将在周围稳定土体上产生压力作用，进而形成土拱效应。因此，需要对土拱效应下的土压力进行了分析，进而得到其主动土压力强度、土压力合力和合力作用点的解析公式；
5、结语：
任何一个工程方面课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的结果。深基坑实践性强、涉及的理论广泛，随着新学科的建立、新理论的发展、新问题的出现，都会进一步促进深基坑设计与施工原理及方法应用的研究和发展。
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