浅谈深基坑支护设计

来源:用户上传      作者: 马志国

　　【摘 要】深基坑支护工程是基础施工所必须的临时结构，其工程造价与设计的合理性紧密相关，合理的设计是影响整个工程施工进度、质量以及造价的关键所在。本文首先论述了深基坑设计的要求与思路，最后分析了深基坑设计的若干技术难点，具有一定参考价值。
　　【关键词】深基坑；支护方案设计；设计要求与思路；技术难点
　　 1.深基坑支护的设计要求
　　基坑工程设计和施工总的要求就是要做到设计先进、经济合理、施工方便、安全可靠。基坑支护作为一个结构体系，应要满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。所谓承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳。一般的设计要求是不允许支护结构出现这种极限状态的。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。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。水平位移控制与周边环境的要求有关，这就是通常规范中所谓的基坑安全等级的划分，对于基坑周边有较重要的构筑物需要保护的，则应控制小变形，此即为通常的一级基坑的位移要求;对于周边空旷，无构筑物需保护的，则位移量可大一些，理论上只要保证稳定即可，此即为通常所说的三级基坑的位移要求；介于一级和三级之间的，则为二级基坑的位移要求。对于一级基坑的最大水平位移，一般宜不大于30 mm，对于较深的基坑，应小于0.3%H，H为基坑开挖深度。对于一般的基坑，其最大水平位移也宜不大于50mm。一般最大水平位移在30mm内地面不致有明显的裂缝，当最大水平位移在40-50mm内会有可见的地面裂缝，因此，一般的基坑最大水平位移应控制不大于50mm为宜，否则会产生较明显的地面裂缝和沉降，感观上会产生不安全的感觉。一般较刚性的支护结构，如挡土桩、连续墙加内支撑体系，其位移较小，可控制在30mm之内，对于土钉支护，地质条件较好，且采用超前支护、预应力锚杆等加强措施后可控制较小位移外，一般会大于30mm。
　　 2.深基坑支护的设计思路
　　对于一个深基坑支护结构的设计，要根据拟建工程水文地质条件、设计经验及技术条件，综合考虑国家的经济及法律规定、工期要去、造价要求等来选择最佳设计方案。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对于深基坑不是特别大时，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。但深基坑的设计时，一般不考虑悬臂式板桩支挡。如果考虑采用也应当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。②其它形式的方案，如钢板桩、土钉、锚杆、拱圈、网状树根桩加固、逆作法等的选择，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。③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粉砂、圆砾等土层时，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。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粘性土、淤泥等土层时，可采用深层搅拌桩和高压旋喷注浆形成止水帷幕。总之，不同的支护结构适应于不同的水文地质条件，因此，应因地制宜选择经济适用的方案。
　　 3.深基坑支护设计中若干技术难点分析
　　3.1支护结构侧向土压力的计算
　　支护结构的计算，首先是土压力的取值问题。土压力的分布和计算，目前国内普遍采用古典的朗肯土压力理论，且假定支护结构是竖直的，土压力的作用方向水平，墙背光滑，不计土体对支护体的摩阻力。朗肯土压力理论用到支护结构计算上时，由于该理论的主动土压力和被动力土压力是建立在极限平衡状态概念的基础上。据现有的研究结果表明，达到被动土压力的位移一般为达到主动土压力位移的10-50倍。在实际工程中，由于支护结构常常不允许产生达到被动极限平衡状态时所需要的位移，实际的被动土压力一般均低于被动极限值。因此，在进行支护结构计算时，用朗肯土压力理论计算所得到的被动土压力是偏大的，使用时需要折减。折减系数的取值与被动区上体的土质和支护结构的型式密切相关，应根据被动区土体的土质和支护结构型式，以及对支护结构位移限制的程度，采用不同的折减系数。譬如对水泥土重力式挡墙，当被动区的土层为淤泥质粘土时，折减系数宜取0.5-0.6；当被动区土层为砂性土或被动区土体已经过水泥搅拌桩改良时，折减系数可取0.75-0.85。对于被动土压力的计算，如考虑土体的弹性抗力作用，会更接近于实际。由于土的弹塑性性质，其抗力问题比较复杂，目前仍普遍按弹性地基的假定进行计算，通常采用文克勒假定的弹性地基上竖直梁的计算方法。
　　3.2用H.B1um理论计算悬臂式板桩墙支护结构
　　悬臂式板桩墙支护结构的内力计算，目前多用H.Blum理论来求解。此理论假定坑底出现的被动土压力近似地发生在弯点下面，并在这部分阻力的中心处(C点)用一个反力Rc来代替，支护桩插入深度t0用X来表示，它必须满足围绕C点使∑Hc=0的条件。由于土的阻力是向板桩方向逐渐增加，使用∑Hc=0的等式时会得到一个较小的插入深度，H.Blum建议计算所得的X增加20%，即插入深度t0=u+1.2X。为简化计算，H.Blum提供了理论计算曲线图，避免了多次方程求解，为计算提供了方便。
　　3.3土水压力的计算
　　传统深基坑侧上压力的计算理论主要以朗肯理论和库仑理论为基础，这两种理论无论在基本假设上，还是在计算原理上都存在一些缺陷。主要表现为：①实际深基坑工程围护墙通常不满足古典土压力理论的假设条件。②古典土压力理论没有考虑围护墙的变形过程，而仅以墙体位移达到使墙后土体出现极限状态的平衡条件为计算依据.实际上围护墙变形通常达不到使土体出现极限平衡状态的位移值，且其变形是随开挖的深入而变化的，上压力也随着变化。此外，传统深基坑侧土压力的计算方法没有顾及深基坑坑内外通常存在较大水位差的实际情况，忽视了渗流效应对土压力的影响等问题。在设计时，应当注意影响土水压力的若干因素。具体包括：土体的应力状态和应力路径、孔隙水压力、边界条件等。
　　 4.结语
　　由于基坑设计与水文地质、工程地质条件密切相关，地基土参数的试验方法、取值、地下水的影响往往是确定支护结构设计的因素，设计人员首先应该当根据水工地质勘察的结果和自身的岩土工程设计经验，综合设计难点和要点以及对工期、造价等要求，来确定基坑支护设计方案。
　　
　　【参考文献】
　　［１］陈忠汉，黄书秩等.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，2003.
　　［２］王政华.某工程深基坑支护设计[M].山西建筑，2009(27).

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