深基坑支護設計及工程實證研究

【摘要】我國人口眾多，為了節約土地，必然大量興建高層建筑和充分利用城市地下空間，這樣就帶來了大規模基坑工程的開挖與支護，為地下工程建筑提供必要和安全的環境。深基坑開挖施工，對坑壁進行支護，不僅要面對場地水文、工程地質條件的復雜性，還要充分考慮極其有限的場地環境條件下施工的可行性和難度。本文就深基坑支護方面的問題進行了探討。

【關鍵詞】深基坑；支護設計；優化；研究

基坑支護優化設計是使基坑支護設計對工程特點、水文、工程地質條件及環境條件有顯著的針對性，突出合理、科學的設計成果，更好地體現設計成果的適宜性、安全性及經濟性，而基坑支護類型的優選和支護設計計算的優化，是解決這個難點和重點的關鍵。

1、基坑支護結構形式及適用范圍。

1.1、作為基坑支護結構體系它必須滿足以下三個要求：

（1）保證土方開挖和地下室施工所需的必要條件：必須保證基坑四周邊坡的穩定性，使下室有足夠空間的要求，也就是說基坑支護體系要能起到擋土的作用。

（2）保證基坑四周相鄰建筑物、構筑物和地下管線在基坑施工期間不受損害。

這要求在支護體系施工、土方開挖及地下室施工過程中控制土體的穩定和變形，使基坑周圍地面沉降和水平位移在規范規定的范圍內。

（3）保證基坑施工過程作業面在地下水位以上。通過截水、降水、排水等措施來實現。

1.2、基坑支護結構形式主要有以下幾類：

（1）放坡開挖及簡易圍護：放坡開挖適用于地基土質較好，開挖深度不深，

以及施工現場有足夠放坡場所的工程，在放坡開挖過程中，為了增加基坑邊坡穩

定性，減少挖土土方量，常采用簡易圍護。

（2）水泥土重力式支護結構：適用于較淺的基坑工程，其變形較大。

（3）懸臂式支護結構：適用于土質較好，開挖深度較淺的基坑工程。

（4）內撐式支護結構：適用范圍很廣，可以適用各種土層和基坑深度。

（5）拉錨式支護結構：比較適用于砂土地層或粘土地層，基坑深度可較大。

（6）土釘墻支護結構：適用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、

雜填土及非松散的卵石土等。

（7）地下連續墻：適用范圍最廣，可適用于各地多種土質情況，基坑深度大，

即能擋土亦能擋水，變形小但造價昂貴。

2、基坑支護設計方案的比選原則。

深基坑工程的優化設計主要從四個方面進行：技術的可靠性、先進性以及施

工的可行性；經濟效益；環境影響；工期。深基坑工程的優化設計按其階段的不

同，可分為兩大步，系統優化與設計計算優化。系統優化，也即方案優化，是指

根據某一深基坑工程所要達到的目標而優化選出一個最佳的方案。設計計算優化

是在支護系統確定后，對具體方案的細部進行優化計算，如錨桿或支撐點的位置、

支護樁的樁徑等優選，優化的目標是使深基坑工程總體造價最小。

一般而言，基坑支護設計方案優選的比較原則為：

（1）技術可靠性、先進性和可行性；

（2）基坑支護對環境的影響評價；

（3）基坑支護結構占用的工期；

（4）基坑支護結構的工程經濟綜合對比。

3、影響深基坑支護類型方案選擇的因素。

（1）基坑的平面尺寸、開挖深度和基礎施工要求。

（2）土層工程地質情況，包括土層的物理、力學性質、地下水埋藏條件等。

（3）鄰近建筑物的結構、距離、基礎形式以及基坑對建筑物影響程度的限制

要求。

（4）鄰近地下管線及其他設施對施工的限制要求。

（5）施工技術、設備和材料對選用支護結構的可能性。

（6）工期和造價的優化方案選擇。

4、深基坑支護優化設計存在的問題。

在研究現狀中闡述的優化設計方法雖然能夠起到一定的優化效果，但是仍然存在著一些不足以及面臨著眾多難題。

4.1、對于深基坑工程細部優化設計的問題，其數學描述包含了設計變量的選取、約束條件的確定、目標函數的建立三方面的內容。其中，細部設計變量眾多，并且大多數是離散變量，解空間異常龐大，優化設計存在組合爆炸的問題，為了簡化優化過程，必然需要尋求一種方法篩選出對優化結果影響最大的設計變量；而對于主要約束條件的問題各類基坑支護設計規范中的規則、條文、設計準則等做出了一定的規定，這些往往需要通過基本力學分析得到，如支護結構的位移、內力等。因此，必然涉及到不同支護結構的土壓力和安全性分析的研究；最后，就需要根據設計變量以綜合造價為優化目標，確定的最終優化目標函數，進而建立深基坑支護細部結構優化設計數學模型；

4.2、深基坑支護結構的安全性分析是優化設計的前提條件。土釘墻的安全性分析多采用極限平衡分析方法、工程簡化分析方法和有限元分析方法。上述方法存在著難以提供有關變形的信息、不便確定釘一土界面模型及計算參數、直接將層狀土簡化為均質土、憑經驗給定臨界破壞面的位置等諸多缺點，這些方法要么不符合實際情況，要么就是在實際工程應用存在一定的難度。因此，尋找一種計算簡單但假設合理的土釘墻穩定分析模型成為其優化設計的關鍵。在優化設計中采用彈性地基桿系有限元法可以達到計算簡單而又可以滿足工程精度要求，但在土體水平剛度系數和考慮施工過程對支護結構的影響存在爭議。因此，需要就兩個方面著重研究：1）在缺少場地土體實驗的情況下確定土體水平剛度系數；2）考慮支撐架設前的支護結構的位移和架設后支撐軸力隨后續開挖過程而逐漸調整，以及支撐預加軸力對擋土結構內力變化的影響。

4.3、為了求解優化設計模型中的約束條件，就必須研究深基坑不同支護型式的土壓力和支護結構計算分析方法。土釘墻側向土壓力的計算方法多采用朗肯土壓力、庫侖土壓力和規范方法，這些方法通常不考慮墻背與土之間相互摩擦引起的剪切作用和土釘墻的放坡角度。這與大多數工程的實際情況不相符合的，因此，需要建立可直接應用的考慮墻背與土之間相互摩擦引起的剪切作用及放坡角度的土釘墻側向土壓力計算公式。對于排樁和地下連續墻這兩種支護結構的土壓力來說，常規的分析方法往往忽略了支護結構后面穩定土體和變形土體之間抗剪能力，這種抗剪能力可以導致變形區土體維持在原來的位置，其土壓力將隨其位移和變形的增大而減小，變形區土體將在周圍穩定土體上產生壓力作用，進而形成土拱效應。因此，需要對土拱效應下的土壓力進行了分析，進而得到其主動土壓力強度、土壓力合力和合力作用點的解析公式；

5、結語：

任何一個工程方面課題的發展都是理論與實踐密切結合并不斷相互促進的結果。深基坑實踐性強、涉及的理論廣泛，隨著新學科的建立、新理論的發展、新問題的出現，都會進一步促進深基坑設計與施工原理及方法應用的研究和發展。

參考文獻 ：

[1] 唐業清，李啟民，崔江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京： 中國建筑工業出版社，1999.

[2] 莫海鴻，周漢香，賴愛平.深基坑支護結構的優化設計計算[J].巖土工程學報， 2001， 23（2）： 144-148.

[3] 曹雙寅，方東，蔣永生.整體式支護結構設計的優化分析[J].工業建筑， 1997， 27（10）：13-19.