基坑支護設(shè)計計算及方案探討

■劉冀

（中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院 湖南長沙 410004）

基坑支護設(shè)計計算及方案探討

■劉冀

（中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院 湖南長沙 410004）

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展和人們生活水平不斷的提高，多層建筑及高層建筑等工程的施工都要進行深基坑工程。基坑工程具有難度大、投資大、風(fēng)險大等特點，深基坑支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計關(guān)系到支護工程的安全和投資這兩方面的根本問題。本文主要對深基坑支護設(shè)計原則和計算方法進行了相關(guān)探討，并最后對幾種常用的基坑支護體系做了簡單論述。

基坑支護設(shè)計計算方法方案

1 深基坑支護的設(shè)計要求

基坑工程設(shè)計和施工總的要求就是要做到設(shè)計先進、經(jīng)濟合理、施工方便、安全可靠。基坑支護作為一個結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)滿足穩(wěn)定和變形的要求，即通常規(guī)范所說的兩種極限狀態(tài)的要求，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。基坑支護設(shè)計相對于承載力極限狀態(tài)要有足夠的安全系數(shù)，不致使支護產(chǎn)生失穩(wěn)，而在保證不出現(xiàn)失穩(wěn)的條件下，還要控制位移量，不致影響周邊建筑物的安全使用。因而，作為設(shè)計的計算理論，不但要能計算支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題，還應(yīng)計算其變形，并根據(jù)周邊環(huán)境條件，控制變形在一定的范圍內(nèi)。

2 基坑支護設(shè)計計算方法

計算板樁墻的常用方法，主要有自由端支撐法（靜力平衡法）、彈性線法、等值梁法，后來又提出1/2分割法，矩形荷載經(jīng)驗法，太沙基法，均適用于基坑圍護結(jié)構(gòu)計算。下面將詳細介紹靜力平衡法、等值梁法以及土壓力的計算理論。

2.1 靜力平衡法

假定支護結(jié)構(gòu)是剛性的，隨著板（樁）入土深度的不同，作用在不同深度上各點的凈土壓力的分布不同。當(dāng)單位寬度板（樁）墻處于穩(wěn)定，相應(yīng)的板（樁）入土深度即為板樁保證其穩(wěn)定性所需要的最小入土深度，可根據(jù)靜力平衡條件即水平力平衡方程（∑H=0）和對樁底截面的力矩平衡方程（∑M=0）聯(lián)解求得。圖1為單撐（錨）支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算簡圖。整個支護結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，故作用在擋土結(jié)構(gòu)上的Ra、Ea、Ep三力必須平衡。圖中Ra為支撐（錨）力；Ea為主動土壓力；Ep為被動土壓力；q。為地面均布荷載。

圖1 底部自由支承單撐（錨）支護結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)力的平衡條件可以得到：

根據(jù)對支撐（錨）位置的力矩平衡條件可以得到：

由以上兩個方程可以得到關(guān)于入土深度t的三次方程，當(dāng)主、被動土壓力都確定后，入土深度只隨撐（錨）位置ho而改變，調(diào)整ho可以調(diào)整入土深度，關(guān)系是：ho增大，t減小；反之增大。從而可以達到調(diào)整樁長的目的。同時樁中的最大彎矩也是ho的函數(shù)，當(dāng)ho從小到大增大時，樁中的最大彎矩是先小后增大，它有一個最小值，取此值進行樁徑設(shè)計可以使樁徑最小。

2.2 等值梁法

樁入坑底土內(nèi)有彈性嵌固（鉸結(jié)）與固定兩種，當(dāng)作一端彈性嵌固另一端簡支的梁來研究。擋墻兩側(cè)作用著分布荷載，即主動土壓力與被動土壓力，如圖2所示。在計算過程中所要求得出的仍是樁的入土深度、支撐反力及跨中最大彎矩。

單支撐擋墻下端為彈性嵌固時，其彎矩如圖2所示，若在得出此彎矩圖前己知彎矩零點位置，并于彎矩零點處將梁（即樁）斷開以簡支計算，則不難看出所得該段的彎矩圖將同整體梁計算時一樣，此段梁段即稱為整梁該段的等值梁。對于下端為彈性支撐的單支撐擋墻其凈土壓力零點位置與彎矩零點位置很接近，因此可在壓力零點處將板樁劃開作為兩個相聯(lián)的簡支梁來計算，這種簡化計算就稱為等值梁法。

2.3 深基坑支護的土壓力計算

2.3.1 土壓力計算理論及方法

在深入分析研究大量實測土壓力試驗結(jié)果后，總結(jié)出以下幾個方面：

①根據(jù)實測結(jié)果，在變形低于5%H（H為開挖深度）時，仍然可以充分發(fā)揮被動土壓力，因此，對于深基坑工程的實際變形情況來講，借助一些經(jīng)驗的位移指標(biāo)來對墻前土體是否達到被動極限狀態(tài)加以判斷，是有局限性的；

②試驗結(jié)果證明了太沙基理論的定性結(jié)論，土壓力大小由位移的大小和位移方向決定；

③許多在粘性土上的基坑支護工程，沒有完全發(fā)揮護坡樁鋼筋強度，與鋼筋的設(shè)計強度相比實際鋼筋應(yīng)力較低，產(chǎn)生浪費，而導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力低的主要原因是計算土壓力大于實際土壓力。

2.3.2 水土壓力的合算與分算

根據(jù)有效應(yīng)力原理，就飽和土而言，有效應(yīng)力與孔隙水壓力組成總應(yīng)力。土中孔隙水無強度，土顆粒骨架有一定強度，承受并傳遞有效應(yīng)力，故被動土壓力系數(shù)必大于1.0，主動土壓力系數(shù)必小于1.0。基于這個概念，在進行水土壓力計算時，可知相較于“土、水壓力合算”，“土、水壓力分算”概念要清楚。但因為要測得有效應(yīng)力強度指標(biāo)，難以做好一般試驗，并且水、土壓合算法在一些軟粘土地區(qū)

的臨時性開挖工程中土壓力計算值較為符合實測值。

3 深基坑支護的設(shè)計思路

對于一個深基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要根據(jù)擬建工程水文地質(zhì)條件、設(shè)計經(jīng)驗及技術(shù)條件，綜合考慮國家的經(jīng)濟及法律規(guī)定、工期要去、造價要求等來選擇最佳設(shè)計方案。設(shè)計首先應(yīng)是概念設(shè)計，重點在于可行性方案的篩選與優(yōu)化，對支護結(jié)構(gòu)方案的選擇和優(yōu)化可按以下步驟進行：

（1）對于深基坑不是特別大時，應(yīng)首先考慮懸臂式支護結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要利用基坑地面以下土體提供的土壓力來維持支護體系平衡，主要結(jié)構(gòu)形式為樁排支護結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻兩類。但深基坑的設(shè)計時，一般不考慮懸臂式板樁支擋。如果考慮采用也應(yīng)當(dāng)對懸臂式支護結(jié)構(gòu)增加內(nèi)支撐的方法，使之形成混合式支護結(jié)構(gòu)，支撐形式常采用錨桿拉接或內(nèi)支撐形式。

（2）設(shè)計時應(yīng)充分考慮地下水的影響，它直接關(guān)系到設(shè)計方案的成敗，如基坑土層為滲透系數(shù)較高的粉砂、圓礫等土層時，井點降水法是一種經(jīng)濟有效的方法。采用該法不僅可使基坑處于干燥狀態(tài)而便于施工，還可顯著改善土層的物理力學(xué)性質(zhì)，有效減少支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，從而可達到節(jié)約和安全的目的。有時為了減小降水引起的地面附加沉降或?qū)︵徑ǎ?gòu)）筑物造成影響，還可采用井點回灌技術(shù)。當(dāng)?shù)讓訛闈B透系數(shù)較小的粘性土、淤泥等土層時，可采用深層攪拌樁和高壓旋噴注漿形成止水帷幕。總之，不同的支護結(jié)構(gòu)適應(yīng)于不同的水文地質(zhì)條件，因此，應(yīng)因地制宜選擇經(jīng)濟適用的方案。

4 常用基坑支護體系

在基坑支護中，根據(jù)工程水文地質(zhì)及工程安全等級、周圍環(huán)境等各方面的要求，通常會對以下幾種支護方式進行具體的分析，從而選出最適合于本工程施工的一種支護方式。

4.1 懸臂式圍護結(jié)構(gòu)

懸臂式圍護結(jié)構(gòu)依靠足夠的入土深度和結(jié)構(gòu)的抗彎能力來維持整體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。懸臂結(jié)構(gòu)所受土壓力分布是開挖深度的一次函數(shù)，其剪力是深度的二次函數(shù)，彎矩是深度的三次函數(shù)，水平位移是深度的五次函數(shù)。懸臂式結(jié)構(gòu)對開挖深度很敏感，容易產(chǎn)生較大變形，對相鄰的建筑物產(chǎn)生不良的影響。懸臂式圍護結(jié)構(gòu)適用于土質(zhì)較好、開挖深度較淺的基坑工程。

4.2 水泥土重力式圍護結(jié)構(gòu)

水泥土與其包圍的天然土形成重力式擋墻支擋周圍土體，保持基坑邊坡穩(wěn)定，深層攪拌水泥土樁重力式圍護結(jié)構(gòu)，常用于軟粘土地區(qū)開挖深度約在6.0m以內(nèi)的基坑工程，水泥土的抗拉強度低，水泥土重力式圍護結(jié)構(gòu)適用于較淺的基坑工程。

4.3 土釘墻圍護結(jié)構(gòu)

土釘墻圍護結(jié)構(gòu)的機理可理解為通過在基坑邊坡中設(shè)置土釘，形成加筋土重力式擋墻，起到擋土作用。土釘墻圍護適用于地下水位以上或者人工降水后的粘性土、粉土、雜填土及非松散砂土、卵石土等；不適用于淤泥質(zhì)及未經(jīng)降水處理地下水以下的土層地基中基坑圍護。土釘墻圍護基坑深度一般不超過18m，使用期限不超過18月。

4.4 內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu)

內(nèi)撐式圍護由圍護體系和內(nèi)撐體系兩部分組成，圍護結(jié)構(gòu)體系常采用鋼筋混凝土樁排樁墻和地下連續(xù)墻型式。內(nèi)撐體系可采用水平支撐和斜支撐。當(dāng)基坑開挖平面面積很大而開挖深度不太大時，宜采用單層支撐。內(nèi)撐常采用鋼筋混凝土支撐和鋼管（或型鋼）支撐兩種。內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu)適用范圍廣，可適用于各種土層和基坑深度。

4.5 槽鋼鋼板樁

槽鋼鋼板樁是一種簡易的鋼板校園護墻，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。打人地下后頂部近地面處設(shè)一道拉錨或支撐。由于搭接處不嚴密，一般不能完全止水。如地下水位高，需要時可用輕型井點降低地下水位。一般只用于一些小型工程。鋼板樁的優(yōu)點是材料質(zhì)量可靠，在軟土地區(qū)打設(shè)方便，施工速度快而且簡便；有一定的擋水能力，可多次重復(fù)使用；一般費用較低。其缺點是一般的鋼板樁剛度不夠大，用于較深的基坑時支撐（或拉錨）工作量大，否則變形較大；在透水性較好的土層中不能完全擋水；拔除時易帶土，如處理不當(dāng)會引起土層移動，可能危害周圍的環(huán)境。由于其截面抗彎能力弱，一般用于深度不超過4m的基坑。

4.6 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是于基坑開挖之前，用特殊挖槽設(shè)備、在泥漿護壁之下開挖深槽，然后下鋼筋籠澆筑混凝土形成的地下土中的混凝土墻。地下連續(xù)墻用作圍護墻有下述優(yōu)點：①施工時振動少、噪聲低，可減少對周圍環(huán)境的影響，能緊鄰建筑物和地下管線施②地下連續(xù)墻剛度大、整體性好、變形相對較小，可用于深基坑；③地下連續(xù)墻為連續(xù)整體結(jié)構(gòu)，施工時處理好接頭部怔，能有較好的抗?jié)B止水作用；地下連續(xù)墻有如下的缺點：如單獨用作圍護堵成本較高；施工時需泥漿護壁，泥漿要妥善處理，否則影響環(huán)境。當(dāng)基坑深度大，周圍環(huán)境復(fù)雜井要求嚴格時，往往首先考慮采用。

5 深基坑支護設(shè)計注意問題分析

（1）充分利用新技術(shù)、新理念，具體事物具體分析，不要生搬硬套傳統(tǒng)的設(shè)計理念。在現(xiàn)今的深基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計領(lǐng)域，還沒有公認的、權(quán)威的的計算公式，基本上都是摸著石頭過河。深基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計要區(qū)別其他設(shè)計領(lǐng)域，要改變傳統(tǒng)觀念，利用施工監(jiān)測反饋動的態(tài)信息指引設(shè)計體系。

（2）重視支護結(jié)構(gòu)理論和材料的試驗研究。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。正確的理論必須建立在大量試驗研究的基礎(chǔ)之上。在深基坑支護結(jié)構(gòu)的實驗方面，我國與發(fā)達國家有較大距離，還有大量的路要走。不過，我國由于經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大量高層超高層建筑拔地而起，所以積累了擁有大量的第一手施工數(shù)據(jù)，但缺少科學(xué)的測試數(shù)據(jù)，無法形成理論，我們以后一定要重視。

（3）勇于創(chuàng)新，設(shè)計支護結(jié)構(gòu)時，開拓思路，多進行新的嘗試。在施工中深基坑支護結(jié)構(gòu)各元素往往是相互結(jié)合的，各結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，這就要求我們從全局出發(fā)，尋求新的設(shè)計思路，探索更好的計算方法。

6 結(jié)語

大型基坑、形狀不規(guī)則的深基坑，最好采用鋼筋混凝土支撐體系；通常第一道支撐是鋼筋混凝土支撐，為了加快施工進度，可以考慮第一道支撐采用鋼結(jié)構(gòu)支撐。在可選方案較多的情況下，基坑支護方案的優(yōu)選對于周邊環(huán)境的安全以及施工中技術(shù)和經(jīng)濟投入的影響都是非常巨大的，這就要求工程人員根據(jù)實際條件、結(jié)合工程經(jīng)驗，有的放矢地選擇不同的基坑支護方案，對各種可能的支護方案進行比較和優(yōu)化，尋求安全可靠和經(jīng)濟效益的最佳交點。

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TV551.4[文獻碼]B

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