基坑支護結構的類型及動態可靠性研究

馬 冉

(秦皇島市恒勝建設集團有限公司，河北 秦皇島 066000)

1 基坑支護的類型及其特點和適用范圍

1.1 放坡開挖。適用于周圍場地開闊，周圍無重要建筑物，只要求穩定，位移控制五嚴格要求，價錢最便宜，回填土方較大。

1.2 深層攪拌水泥土圍護墻。深層攪拌水泥土圍護墻是采用深層攪拌機就地將土和輸入的水泥漿強行攪拌,形成連續搭接的水泥土柱狀加固體擋墻。水泥土圍護墻優點:由于一般坑內無支撐,便于機械化快速挖土;具有擋土、止水的雙重功能;一般情況下較經濟;施工中無振動、無噪音、污染少、擠土輕微,因此在鬧市區內施工更顯出優越性。水泥土圍護墻的缺點:首先是位移相對較大,尤其在基坑長度大時,為此可采取中間加墩、起拱等措施以限制過大的位移;其次是厚度較大,只有在紅線位置和周圍環境允許時才能采用,而且在水泥土攪拌樁施工時要注意防止影響周圍環境。

1.3 高壓旋噴樁。高壓旋噴樁所用的材料亦為水泥漿,它是利用高壓經過旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合形成水泥土加固體,相互搭接形成排樁,用來擋土和止水。高壓旋噴樁的施工費用要高于深層攪拌水泥土樁,但其施工設備結構緊湊、體積小、機動性強、占地少,并且施工機具的振動很小,噪音也較低,不會對周圍建筑物帶來振動的影響和產生噪音等公害,它可用于空間較小處,但施工中有大量泥漿排出,容易引起污染。對于地下水流速過大的地層,無填充物的巖溶地段永凍土和對水泥有嚴重腐蝕的土質,由于噴射的漿液無法在注漿管周圍凝固,均不宜采用該法。

1.4 槽鋼鋼板樁。這是一種簡易的鋼板樁圍護墻,由槽鋼正反扣搭接或并排組成。槽鋼長6～8m,型號由計算確定。其特點為:槽鋼具有良好的耐久性,基坑施工完畢回填土后可將槽鋼拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能擋水和土中的細小顆粒,在地下水位高的地區需采取隔水或降水措施;抗彎能力較弱,多用于深度≤4m的較淺基坑或溝槽,頂部宜設置一道支撐或拉錨;支護剛度小,開挖后變形較大。

1.5 鋼筋混凝土板樁。鋼筋混凝土板樁具有施工簡單、現場作業周期短等特點,曾在基坑中廣泛應用,但由于鋼筋混凝土板樁的施打一般采用錘擊方法,振動與噪音大,同時沉樁過程中擠土也較為嚴重,在城市工程中受到一定限制。此外,其制作一般在工廠預制,再運至工地,成本較灌注樁等略高。但由于其截面形狀及配筋對板樁受力較為合理并且可根據需要設計,目前已可制作厚度較大 (如厚度達500mm以上)的板樁,并有液壓靜力沉樁設備,故在基坑工程中仍是支護板墻的一種使用形式。

1.6 鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁圍護墻是排樁式中應用最多的一種,在我國得到廣泛的應用。其多用于坑深7～15m的基坑工程,在我國北方土質較好地區已有8～9m的臂樁圍護墻。鉆孔灌注樁支護墻體的特點有:施工時無振動、無噪音等環境公害,無擠土現象,對周圍環境影響小;墻身強度高,剛度大,支護穩定性好,變形小;當工程樁也為灌注樁時,可以同步施工,從而施工有利于組織、方便、工期短;樁間縫隙易造成水土流失,特別時在高水位軟粘土質地區,需根據工程條件采取注漿、水泥攪拌樁、旋噴樁等施工措施以解決擋水問題;適用于軟粘土質和砂土地區,但是在砂礫層和卵石中施工困難應該慎用;樁與樁之間主要通過樁頂冠梁和圍檁連成整體,因而相對整體性較差,當在重要地區,特殊工程及開挖深度很大的基坑中應用時需要特別慎重。

1.7 地下連續墻。通常連續墻的厚度為600mm、800mm、1000mm，也有厚達 1200mm的，但較少使用。地下連續墻剛度大，止水效果好，是支護結構中最強的支護型式，適用于地質條件差和復雜，基坑深度大，周邊環境要求較高的基坑，但是造價較高，施工要求專用設備。

1.8 土釘墻。土釘墻是一種邊坡穩定式的支護,其作用與被動的具備擋土作用的上述圍護墻不同,它是起主動嵌固作用,增加邊坡的穩定性,使基坑開挖后坡面保持穩定。土釘墻主要用于土質較好地區,我國華北和華東北部一帶應用較多,目前我國南方地區亦有應用,有的已用于坑深10m以上的基坑,穩定可靠、施工簡便且工期短、效果較好、經濟性好、在土質較好地區應積極推廣。

1.9 SMW工法。SMW工法亦稱勁性水泥土攪拌樁法,即在水泥土樁內插入H型鋼等(多數為H型鋼,亦有插入拉森式鋼板樁、鋼管等),將承受荷載與防滲擋水結合起來,使之成為同時具有受力與抗滲兩種功能的支護結構的圍護墻。SMW支護結構的支護特點主要為:施工時基本無噪音,對周圍環境影響小;結構強度可靠,凡是適合應用水泥土攪拌樁的場合都可使用,特別適合于以粘土和粉細砂為主的松軟地層;擋水防滲性能好,不必另設擋水帷幕;可以配合多道支撐應用于較深的基坑;此工法在一定條件下可代替作為地下圍護的地下連續墻,在費用上如果能夠采取一定施工措施成功回收H型鋼等受拉材料;則大大低于地下連續墻,因而具有較大發展前景。

1.10 基坑支護選型小結。基坑支護型式的合理選擇，是基坑支護設計的的首要工作，應根據地質條件，周邊環境的要求及不同支護型式的特點、造價等綜合確定。一般當地質條件較好，周邊環境要求較寬松時，可以采用柔性支護，如土釘墻等；當周邊環境要求高時，應采用較剛性的支護型式，以控制水平位移，如排樁或地下連續墻等。同樣，對于支撐的型式，當周邊環境要求較高地質條件較差時，采用錨桿容易造成周邊土體的擾動并影響周邊環境的安全，應采用內支撐型式較好；當地質條件特別差，基坑深度較深，周邊環境要求較高時，可采用地下連續墻加逆作法這種最強的支護型式。基坑支護最重要的是要保證周邊環境的安全。

2.基坑支護結構的動態可靠性分析及其計算方法

深基坑支護結構主要包括支護結構和支撐結構兩部分。使用較多的支護結構為灌注樁和地下連續墻。因灌注樁間距較小而形成的空間效應和擠土效應等，可以把灌注樁簡化成墻體結構計算。依據上文，進行深基坑支護結構的動態可靠度計算，必須首先找出深基坑支護結構的功能函數。深基坑主要支護形式內支撐基坑的破壞現象主要為：墻體折斷或支撐軸力過大而破壞或產生危險的大變形；產生很大的圍護墻踢腳變形；擋墻整體滑移破壞；支護結構失穩和地面塌陷；坑底土體產生塑性流動而產生隆起；坑底突涌破壞；管涌破壞；圍護墻的四周向坑內傾倒破壞。可見，對于深基坑結構的失效，主要由以下兩方面起控制作用：（1）深基坑支護結構強度，包括支護結構因受彎而失穩、折斷、支護結構或支撐結構等的強度破壞等；（2）深基坑支護結構變形，包括整體滑移破壞、基坑底部土體隆起、地基沉降造成現場和周圍環境的損害、坑底管涌或流土等。

通過對近年來國內基坑事故調查分析，變形控制的重要性遠遠超過其強度控制，權重較大。因此，在不考慮自身結構強度的前提下，深基坑支護結構的失效模式主要為：整體滑移破壞以及滑動破壞、傾覆破壞、基坑底部隆起、坑底管涌以及周圍沉降破壞。

計算深基坑支護結構的動態可靠度的步驟為:（1）,對土性進行空間折減，計算其空間性質參數；（2）使用隨機有限元方法確定基坑在任一時刻的應力及應變；（3）進行離散并進行隨機變量以及過程的當量正態化；（4）找出主要失效模式，并計算每主要失效模式的可靠指標及失效模式之間的相關系數；（5）計算串聯結構的可靠度及失效概率。

用上述方法計算量較少，功能函數易得，理論清晰，且隨機變量較易控制，對后期優化設計以及監測方案的提出，均有相當的幫助。

結語：基坑支護是一種特殊的結構方式，具有很多的功能。不同的支護結構適應于不同的水文地質條件，因此，要根據具體問題，具體分析，從而選擇經濟適用的支護結構。

[1]王志新,卜曉翠.深基坑支護的設計與施工[J].山西建筑,2007.

[2]JGJ120299,建筑基坑支護技術規程[S].

[3]張錦屏.基坑工程的特點和若干問題分析[J].低溫建筑技術,2003.