深基坑支護結構設計的優化方法

◎李菁

（作者單位：中化地質江蘇巖土工程有限公司）

在建設工程施工過程中，深基坑應用非常廣泛，如果方案選擇不合理、施工控制不嚴格，可能會出現流沙、地基隆起，甚至塌方等事故。在實際應用過程中，基坑支護和開挖的方法較多，企業行業對施工方法的選擇和應用存在一定缺陷或不足。本文主要針對深基坑支護結構設計的優化方法進行分析和討論。

一、深基坑支護結構概述

地下連續墻支護結構。這種在軟土地區深基坑開挖施工的支護結構，主要是適合深度超過10m的地質環境，特別是建筑物對土地沉降和偏移有較高要求時，用連續墻作為支護，更能保證質量。一方面，地質較為堅硬的土地，不利于連續墻的開挖施工，軟土地區地下連續墻的開挖施工更加便捷，另一方面，這種結構能在軟土地質條件中發揮較大的作用，工程建設低下連續墻支護結構也利于軟土地區深基坑的實施，降低開挖難度的同時，也能更好地控制成本。

鋼板樁支護結構，其施工工藝較少，且經濟效益比較突出，深基坑施工應用鋼板樁支護結構，可靈活地依據深基坑施工要求選擇合適的鋼板樁類型，常用的有z型、u型及直腹板型。因為，鋼板樁支護結構是可以重復使用的，雖然結構上有一定的缺陷，對技術要求較高，但是這種結構十分適合軟土地區的深基坑支護，對于深度在7m以上，非住宅區范圍內的深基坑支護都會優先考慮此結構。

排樁支護結構，比較適合基坑周邊邊坡的土質較軟的環境，這種環境下很難建設有效的土拱，設置排列支護樁就能有效的形成支護作用。只是這種支護結構的設置，要先對支護樁進行防水和注漿處理，使得鋼筋混凝土的板樁鋼板的分布緊密。常用的是柱列式的排樁支護，若是周邊環境良好，且地下水位比較低，就能打造土拱架構，將一部分的挖孔樁改造成支護結構；若是土地比較軟，且地下水位較高，則可以利用水泥攪拌樁構成防滲墻或是灌注樁打造成排樁負責深基坑支護。若是深度不超過6m，難以使用深層攪拌樁，則應該選擇600mm的鉆孔樁負責深基坑支護。

土釘墻支護結構，這種支護結構，是將一定長度桿件釘進土地結構中，然后在邊坡上安裝好鋼筋制成的網，并進行噴錨，利用了原有的土地結構，借助土釘和噴射的混凝土進行支護，形成復合型土地。借助土地自由的穩定性，使得深基坑施工能順利開展，土釘墻支護結構也會用在開挖比較大且周邊建筑對土地沉降和位移要求不高的條件下。

二、深基坑支護結構設計優化方法

1.優化設計思路。在對設計方案進行確定的過程中，除了要對施工現場的地形地質條件進行充分考慮之外，還要對其有關行業規定和法律法規進行考慮，從根本上保證深基坑支護結構設計方案的經濟安全以及科學合理性。在對支護結構設計方案進行優化的過程中，在進行支護方式選擇的時候需要與實際情況相結合。主要做法為：在深基坑支護施工當中，支護方式一般有重力式擋土墻支護結構、懸臂式支護結構以及混合式支護結構。所謂的重力式擋土墻支護結構其實就是利用自身重量來確保整體結構的平衡性，避免支護結構由于各方面的壓力而出現失穩的情況。懸臂式支護結構則是在基坑底部嵌入巖土，從而來支撐地面重量，確保結構的整體平衡性。主要用于土質狀況良好、基坑深度較淺的場地。而對于混合式支護結構來講，其基礎就是懸臂式支護結構，不同之處則在于前者需要增加錨桿來對結構進行支護，如擋土結構和錨桿等。通常情況下將錨桿固定在基坑防滑面的外部，可以穩固土體，所以該方式具有較高的穩定性。一般在規模較大但變形不大的深基坑當中應用的較多。

2.優化設計計算。在計算深基坑支護結構的時候有：（1）彈性地基量m法與彈塑有限單元法；（2）經歷平衡法與等值梁法。

第一種計算方法盡管對土體變形以及支護結構進行了考慮，但是其整體仍然不夠完善。比如，在計算的時候需要用到參數m，然而在確定m的時候卻有一定的難度，這主要是由于：由于不同地址條件的原因，在其取值范圍當中并不一致，且差距較大。在具體設計深基坑結構的時候，m只是一項彈性指標，不能直接計算支護結構的插入深度。大量實踐表明，在對懸臂樁支護結構進行計算的時候采用彈性地基量m法與實際測量得到的位移數據不符，所產生的誤差也較大，也就表示樁后土體變形并不在彈性范圍當中。

第二種計算方法在具體計算支護結構的內力以及插入深度的時候，主要是結合墻前后泥土壓力極限平衡條件來進行的。而在具體進行設計的時候該方法往往用不到，主要由于技術條件方面的原因，墻前后泥土壓力極限值很難準確測算出來，通常都是進行估算。

3.優化主體結構。結構優化設計是一個十分復雜的系統工作。因為一個建構筑物本身就是一個從上到下的結構系統。選擇合理的、規則的平立面方案，是一個成功的優化結構設計的開始。越是復雜的建筑造型，越增加結構抵抗地震的建筑成本。選擇合理的結構體系，對造價影響較大，如剪力墻含鋼量比普通短肢剪力墻低。通過選擇合理的基礎形式，能實現降低基礎造價和增加，上部結構整體穩定性。不同的結構形式，結構優化的重點各不相同，例如，剪力墻結構，剪力墻中所占上部結構鋼筋量在60%左右，剪力墻是這種結構優化的重點；框架結構中梁的鋼筋用量在整體結構中占比較大，故框架結構上部優化的重點在梁的優化上。

4.規范支護工序。在施工過程中相關工作人員必須充分重視深基坑支護工作，嚴格按照相關規定實施施工工序，不得私自更改，避免因程序不規范造成的安全隱患。因地質、氣候、水文等條件的不同，因此施工單位在不同區域進行基坑支護工程前都應對區域進行詳細勘察，并以數據為根據進行合理工序安排，為施工安全性提供保證。深基坑開挖方式也存在不同，相關人員必須對平面布置要求以及具體土地強度進行提前調查，在開挖之前分析具體挖方邊界，根據土質條件對分層厚度進行確定。墊層處理在基坑開挖過程中作用也較為明顯，可以為基坑提供有效支撐，防止圍護變形的出現，提升基坑安全性。

結束語：建設工程結構優化設計是實現結構設計最終目標一適用、安全和經濟性的最有效途徑，根據實際情況的要求，通過科學、合理和有效的優化設計來構建數據模型。優化結構設計是順應時代發展潮流的必定選擇，在優化過程中，要使用科學的優化應用方法。運用實際有效的方法設計工程結構，對于缺陷的工程設計及時修改處理回收，完善工程體系，提高工程優化性能。