深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用分析

張敏燕（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊(duì)，浙江 杭州 310022）

由于深基坑支護(hù)的特殊性，在實(shí)際施工管理中，受到計(jì)算方法不合理的影響，會(huì)降低工程質(zhì)量。因此，施工單位應(yīng)結(jié)合工程項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)深基坑支護(hù)工程進(jìn)行研究，并結(jié)合工程項(xiàng)目的基本需求，選擇實(shí)用性的計(jì)算方法，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)提高深基坑支護(hù)的整體質(zhì)量。

1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

結(jié)合深基坑支護(hù)工程的基本特點(diǎn)，其作為一種特殊性的工程形式，存在著復(fù)雜性、可變性的特點(diǎn)，通過支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)方案的落實(shí)，可以穩(wěn)步提高工程強(qiáng)度，保證工程項(xiàng)目的正常進(jìn)行。通常情況下，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的種類包括：第一，深層攪拌水泥擋土技術(shù)。對(duì)于這種支護(hù)結(jié)構(gòu)，需要將土和水泥進(jìn)行拌合處理，之后根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，形成具有一定強(qiáng)度的擋墻，在開挖深度達(dá)到3m～6m時(shí)，進(jìn)行支護(hù)管理。這種支護(hù)結(jié)構(gòu)較為適合軟土環(huán)境，施工噪音小，結(jié)構(gòu)止水性強(qiáng)。第二，鋼板樁。鋼板樁具有一定的可靠性及耐久性，在支檔施工結(jié)束之后，可以通過回收及重復(fù)利用的方法，提高深基坑施工的穩(wěn)定性，逐步縮短工期。但是，鋼板樁施工的噪音較大，容易引發(fā)土體移動(dòng)的問題。第三，鉆孔灌注樁擋墻。對(duì)于該種支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁徑直徑一般在600mm～1000mm的范圍，樁長(zhǎng)在15m～30m之間，通過組合排列擋墻方式的設(shè)置，提高工程項(xiàng)目的穩(wěn)定性。對(duì)于該種施工工藝，具有噪聲及振動(dòng)小、剛度大的特點(diǎn)。第四，土釘墻。對(duì)于土釘墻工藝，其作為一種邊坡穩(wěn)定的支護(hù)形式，將其運(yùn)用在深基坑支護(hù)的情況下，可以提高工程項(xiàng)目的穩(wěn)定性。

2 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法

2.1 經(jīng)典方法

結(jié)合深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)，經(jīng)典方法主要包括靜力平衡法、Tergahi法以及彈性曲線法等。經(jīng)典方法作為一種平衡性的理論基礎(chǔ)，需要將側(cè)向荷載作為研究對(duì)象，根據(jù)土壓力理論以及Tergahi-Peck表觀土壓力理論內(nèi)容，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種豎向梁，提高支撐點(diǎn)及梁確定的精準(zhǔn)性。但是，在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，由于技術(shù)的不斷創(chuàng)新，經(jīng)典分析方法無法滿足一些建筑項(xiàng)目的施工需求，所以，施工單位要合理選擇基坑支護(hù)方案，以保證各項(xiàng)工序的正常進(jìn)行。

2.2 彈性地基梁法

對(duì)于彈性地基梁法，作為一種改進(jìn)型的計(jì)算模式，需要將土作用成為等效的彈力機(jī)制，之后通過支撐、錨桿技術(shù)的運(yùn)用，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，在彈性土地基梁解法計(jì)算中，需要施工結(jié)構(gòu)力學(xué)法、解析法等。為了提高計(jì)算的效果，彈性地基梁法對(duì)支撐受力及樁入土段的受力情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，在入土段受力情況分析中，需要對(duì)土壓力極限值進(jìn)行分析，之后按照入土段的受力及變形情況確定支護(hù)工藝。在彈性地基梁法使用中，需要充分考慮深基坑的土體結(jié)構(gòu)、支撐情況及錨桿情況，之后通過各項(xiàng)參數(shù)的研究及分析，穩(wěn)步提升工程項(xiàng)目的質(zhì)量。

2.3 增量法

增量法可以為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供參數(shù)支持。施工單位在具體施工中，應(yīng)該結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析荷載增量，并對(duì)增量產(chǎn)生的內(nèi)力、結(jié)構(gòu)原有內(nèi)力等進(jìn)行分析，之后通過施工過程的模擬分析，發(fā)揮增量法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而且，在多道內(nèi)撐的支護(hù)體系設(shè)置中，應(yīng)該仔細(xì)分析傳統(tǒng)技術(shù)施工中存在的問題，之后通過影響墻體穩(wěn)定及墻體移動(dòng)問題的分析，設(shè)置多道支撐基坑項(xiàng)目，保證項(xiàng)目的穩(wěn)步進(jìn)行。因此，在深基坑工程項(xiàng)目中，為了提高支護(hù)工程項(xiàng)目的整體質(zhì)量，在實(shí)際的施工管理中，施工單位需要結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，選擇適應(yīng)性的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，并結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)，設(shè)置施工方案，穩(wěn)步提高工程質(zhì)量，為深基坑支護(hù)管理提供參考。

3 工程概況

3.1 案例分析

某建筑工程總面積為76870m2，地上工程40層，地下4層。由于該工程項(xiàng)目位于市中心，施工場(chǎng)地相對(duì)狹小，在實(shí)際施工中，需要與市政道路及周圍建筑相鄰，所以應(yīng)該做好工程支護(hù)，并按照基坑變形控制值確定支護(hù)方案，見表1[3]。

表1 基坑變形控制值

3.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型

根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，由于地下室工程的特殊性，在實(shí)際施工中，為了保證工程項(xiàng)目的穩(wěn)定性，應(yīng)該將底板厚度設(shè)置為850mm。由于工程所在地的地下水位較高，為了保證支護(hù)的穩(wěn)固性，需要采用排樁支護(hù)的方法，以便減少施工場(chǎng)地，保證施工環(huán)境的安全性。第一，排樁。深基坑支護(hù)中，為減少施工對(duì)周圍建筑的影響，應(yīng)該采用鉆孔灌注樁的施工工藝，在樁基深度達(dá)到16.5m時(shí)，選擇樁徑為0.85m、樁間距為1.1m，樁身應(yīng)該采用C30的混凝土。第二，錨桿。為了提高工程項(xiàng)目的質(zhì)量，第一道錨桿應(yīng)該設(shè)置在樁頂-1.0m的位置，錨桿長(zhǎng)度為9.8m，傾斜度控制在40°；第二道錨桿應(yīng)該設(shè)置在-6.7m位置，傾斜角為25°[4]。

4 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用

4.1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提高工程項(xiàng)目的穩(wěn)定性，應(yīng)該選擇實(shí)用性的計(jì)算方法。施工單位可以利用深基坑設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，分析基坑內(nèi)力的分布、強(qiáng)度及水平位置，之后設(shè)置深基坑支護(hù)方案。

4.2 荷載設(shè)計(jì)技術(shù)

結(jié)合深基坑支護(hù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，在荷載設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮土體壓力、水體壓力，地面活荷載要按照基坑周圍1m位置超過18kPa的荷載進(jìn)行計(jì)算。

4.3 工況計(jì)算

在基坑計(jì)算中，應(yīng)該結(jié)合不同的工程情況分析支護(hù)方法。例如，在完成分段鉆孔之后，應(yīng)該進(jìn)行鉆孔灌注樁及攪拌樁止水施工方法；在平整場(chǎng)地施工中，應(yīng)該選擇土地開挖的技術(shù)形式；在完成冠梁施工的情況下，應(yīng)該在混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%時(shí)，需要進(jìn)行第一道錨桿施工，穩(wěn)步提高基坑施工的穩(wěn)定性[5]。

4.4 擋土墻內(nèi)力計(jì)算

擋土墻是深基坑支護(hù)的重要環(huán)節(jié)，擋土墻結(jié)構(gòu)安全直接關(guān)系到深基坑的安全。尤其是其中內(nèi)力計(jì)算非常關(guān)鍵，內(nèi)力計(jì)算主要涉及三方面：首先，利用桿系有限元法對(duì)開挖面以上進(jìn)行計(jì)算。按照豎向劃分的方式，分別從有限個(gè)彈性地基量單元以及二力桿單元角度出發(fā)，將擋土墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效劃分，注意對(duì)節(jié)點(diǎn)連接位置進(jìn)行標(biāo)注；其次，利用撓曲微分方程計(jì)算開挖面以下位置，所有計(jì)算都必須以彈性地基梁為基礎(chǔ)，及時(shí)對(duì)擋土墻冪級(jí)數(shù)近似解進(jìn)行求解；最后，利用靜力平衡方程對(duì)開挖面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合擋土墻結(jié)構(gòu)情況以及變形協(xié)調(diào)相關(guān)內(nèi)容，計(jì)算過程中需要以迭代的方式得到最終的計(jì)算值。

擋土墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算期間，開挖面以上計(jì)算難度不高，冪級(jí)數(shù)近似解是計(jì)算核心。撓曲微分計(jì)算方程如下：

式中，擋土墻結(jié)構(gòu)材料作為重要條件，計(jì)算期間會(huì)涉及到其彈性模量與界面慣性矩，分別為E、I；擋土墻的開挖面以下豎向距離為z；水平位移為ω；土體抗力系數(shù)為C；擋土墻開挖面墻后壓力強(qiáng)度為p1。必須注意，擋土墻壓力強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)樨Q向距離的變化而受到影響，因此需要將這一點(diǎn)在計(jì)算中排除。隨后對(duì)開挖面以下?lián)跬翂﹂L(zhǎng)度條件進(jìn)行確定：將l帶入到撓曲微分計(jì)算方程中，得到如下轉(zhuǎn)換：

隨即展開冪級(jí)數(shù)解，得到如下計(jì)算結(jié)果：

以同次冪計(jì)算期間和等于零的條件為前提，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)一步推算，得到如下形式：

因?yàn)閾跬翂Y(jié)構(gòu)中，開挖面結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)標(biāo)注期間，上下?lián)跬翂ξ灰频确謩e由α0，α2，α4，α6等代表，所以設(shè)定計(jì)算架設(shè)為k≥9，系數(shù)代表為αk，符合擋土墻工程角度的計(jì)算要求，并且得到αk=此前計(jì)算項(xiàng)均與擋土墻精度要求相符。

根據(jù)上述計(jì)算公式，對(duì)擋土墻便捷條件進(jìn)行推算，得到結(jié)果后，對(duì)計(jì)算過程適當(dāng)簡(jiǎn)化，由此計(jì)算出最終的冪級(jí)數(shù)近似解。

4.5 表觀土壓力理論

深基坑支護(hù)施工中，實(shí)用性計(jì)算還包括表觀土壓力問題研究。朗肯土壓力是當(dāng)前深基坑支護(hù)中應(yīng)用最廣泛的一種方法，此外庫(kù)倫土壓力也應(yīng)用比較多。因?yàn)樯罨又ёo(hù)的各方面參數(shù)比較大，所以需要對(duì)表觀土壓力理論進(jìn)行升級(jí)，此次選擇Terzaghi-Peck表觀土壓力理論。綜合深基坑工程實(shí)際測(cè)量情況，及時(shí)測(cè)量生成表觀土壓力圖。借助增量法，深層次對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)展開觀測(cè)，從表觀土壓力著手，確定支撐位置，隨后計(jì)算出支撐力與支撐間距，觀察壓力分布規(guī)律，得到支撐預(yù)應(yīng)力，繼而推斷出深基坑表觀土壓力。

4.6 計(jì)算結(jié)果及分析

在基坑支護(hù)的內(nèi)力及位移計(jì)算中，應(yīng)該選擇彈性法及經(jīng)典法的計(jì)算方法。通過計(jì)算，工程中的最大基坑彎矩分布為：基坑內(nèi)側(cè)210.05kN·m、基坑外側(cè)203.30kN·m，這些參數(shù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

通過實(shí)用性計(jì)算方法的運(yùn)用，可以保證深基坑結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)合深基坑支護(hù)工程的項(xiàng)目特點(diǎn)，在實(shí)際的施工管理中，施工單位應(yīng)該結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，分析施工質(zhì)量及施工安全。而且，在實(shí)用性支護(hù)項(xiàng)目中，施工單位要結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)，選擇適應(yīng)性的工程技術(shù)，之后結(jié)合項(xiàng)目的需求，節(jié)約工程成本，為行業(yè)的運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)化發(fā)展提供支持[6]。

5 結(jié)語

總之，在深基坑工程項(xiàng)目中，為了提高支護(hù)工程項(xiàng)目的整體質(zhì)量，在實(shí)際的施工管理中，施工單位需要結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，選擇適應(yīng)性的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，并結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)，設(shè)置計(jì)算方法的施工方案，穩(wěn)步提高工程質(zhì)量，為深基坑支護(hù)管理提供參考。在實(shí)用性計(jì)算方法選擇中，工程單位應(yīng)該結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，細(xì)化工程管理機(jī)制，通過基坑支護(hù)選型、支護(hù)方案的落實(shí)，保證各項(xiàng)工序的正常進(jìn)行，充分滿足行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展需求。