深基坑工程支護結構設計及優(yōu)化方法研究

陳　宇（四川智力建筑技術咨詢有限公司，四川　眉山　620010）

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深基坑工程支護結構設計及優(yōu)化方法研究

陳宇（四川智力建筑技術咨詢有限公司，四川眉山620010）

當代社會的發(fā)展飛速，城市的各種基礎建設和建筑物越來越多，建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑技術的飛速進步對其賴以立足的地底構造提出更高的要求，也使深基坑工程設計面臨著更重大的挑戰(zhàn)，即不僅要追求經(jīng)濟節(jié)約和經(jīng)濟效益，更要保障可靠和安全，同時還得控制周邊環(huán)境，不破壞周邊發(fā)展需求。這個挑戰(zhàn)需要對整個施工過程和全部的深基坑工程設計方法和優(yōu)化的設計理論做透徹深刻全面的研究。在大型建筑物開工前，深基坑支護結構設計方案的選擇是否合理直接關系著施工建筑的質(zhì)量和進度，也會影響著整個項目的經(jīng)濟效益和工作人員的人身安全。本文從深基坑支護結構設計方案的優(yōu)化及選擇角度出發(fā)，達到提高施工管理質(zhì)量，優(yōu)化深基坑支護結構設計方案的目的。對目前施工和深基坑支護結構設計中出現(xiàn)的問題的解決，保障施工的安全可靠，加快企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，提高社會效益都具有非常重要實際意義。

深基坑；支護結構；優(yōu)化設計

引言

國內(nèi)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民生活水平的改善推動了國內(nèi)房地產(chǎn)的興起，建筑行業(yè)的進步，大型建筑譬如寫字樓、辦公樓、居民樓的出現(xiàn)產(chǎn)生了大量的深基坑的工程，其發(fā)展、安全可靠性也越來越受到人們的重視。深基坑的支護主要有幾個作用，保證施工的安全可靠，穩(wěn)定坑壁，同時保護了建筑周圍的建筑物、構筑物和地下管線，對開挖和建造地下室，保證支護施工的經(jīng)濟與合理提供便利性。因此基坑支護的設計的安全性、便捷性和經(jīng)濟性直接影響著深基坑工程整體的質(zhì)量［1］。本文以前人研究為基礎，從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，深入研究了深基坑工程優(yōu)化設計的基本原理，應用最優(yōu)化設計理論著探討了如何選擇支護方案決策的方法。

1　建筑施工中深基坑支護的意義

基坑工程既古老卻又與時俱進，烙印著時代的印記。基坑定義為在對建筑物包括構筑物基礎與地下室的施工而開挖的地面以下的空間，而開挖深度等于或大于5.0m的基坑一般被劃歸為深基坑。在整個建筑施工過程中，挖掘深基坑的方案是整個項目正常施工的基礎和關健，特別是高層的建筑物，深基坑的施工質(zhì)量，直接決定了建筑物的安全性、穩(wěn)定性和使用的壽命［2］。如何在已有大量建筑的市區(qū)內(nèi)挖掘深基坑對基坑工程和支護技術提出了巨大的挑戰(zhàn)和嚴格的要求，也加大對深基坑工程的設計理論和現(xiàn)場施工技術的要求，即基坑支護構造不僅要滿足承載能力設計要求，還要滿足地下結構施工和基坑周邊環(huán)境正常使用功能的要求。所以，為了保證建筑工程周圍建設的使用正常和安全性，避免挖掘基坑影響地下室和地下管道的正常使用，事先需要對施工的地面進行全面仔細的施工檢測和勘察設計。在挖掘建筑物的深基坑時會遇到結構力學、液壓等方面的問題，綜合性很強，因此有必要進行正確有限的的理論計算。構建深基坑支護結構體系需要保證周邊建筑物的安全及功能不受到影響，并且防止地下水進入基坑中，保證深基坑施工環(huán)境的干燥程度［3］。

2　深基坑支護結構的種類

深基坑支護結構種類有很多，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、施工地貌的不同，可選擇不同結構自由組合，極大的確保了深基坑支護結構的安全性和穩(wěn)定性。一般的深基坑支護結構有邊坡穩(wěn)定結構、護坡樁與板墻結構、泥土擋墻結構、排樁支護結構、內(nèi)支撐支護結構、拉錨式支護結構和復合型支護結構。邊坡穩(wěn)定結構有噴灌支護和土釘墻兩大結構，土釘墻主要由密集的土釘群組成，通過噴射混凝土面層，確保了原位土體的牢固性。護坡樁與板墻結構主要由土層錨桿、圍護墻和防滲帷幕組成；水泥土擋墻結構通常沒有支撐，主要通過抗變形能力和本身重量來確保基坑坑壁安全，在某些特殊情況下，也可以采取一些方法在需要加固的局部位置加上支撐；排樁是采用密排或一定間距排列的樁組成的擋土結構，適用于側壁安全等級為一、二、三級的基坑非軟土場地當基坑不太深時可采用懸臂式，懸臂式結構在軟土場地中不宜大于6.0m。當基坑較深時可與支撐、錨桿等配合組成擋土。內(nèi)撐式支護結構由支護結構體系和內(nèi)撐體系兩部分組成。支護結構體系常采用鋼筋混凝土樁排樁墻、以工法、鋼筋混凝土咬合樁和地下連續(xù)墻型式。內(nèi)撐體系可采用水平支撐和斜支撐。拉錨通過在在開挖基坑的穩(wěn)定地層中錨固段固定一種新型受拉桿件的一端，而將另一段與工程構筑物（鋼板樁、挖孔樁、灌注樁以及地下連續(xù)墻等）相聯(lián)結，主要作用確保了土層或構筑物的牢固性。近幾年來興起的復合型支護體系，作為新的深基坑邊坡支護方法，摒棄傳統(tǒng)單一支護的概念，對于同一個基坑，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和環(huán)境條件，因地制宜地采用多種支護手段支護深荃坑的邊坡土體。

3　深基坑支護結構的設計流程

基坑工程的設計內(nèi)容，通常包括：支護結構體系方案的選型和對比，支護結構的變形和強度計算，圍護墻的抗?jié)B計算，基坑穩(wěn)定性驗算，降水方案，挖土方案，環(huán)境保護和監(jiān)測方案。在深基坑工程的設計內(nèi)容和依據(jù)下，對建筑物總平面配置、基坑開挖范圍及深度、工程勘察資料、建設單位要求、相關規(guī)范及技術標準等方面進行調(diào)查收集資料；然后分析周邊現(xiàn)狀建筑物狀況、周邊管線狀況、周邊交通狀況、相鄰地區(qū)基坑設計施工經(jīng)驗、主體結構配置要求；根據(jù)這些分析，對基坑安全等級、巖土參數(shù)選取、重要性參數(shù)進行設計，完成初步設計，在初步設計完成以后，進行對支護開挖、基坑降水或排水方案的設計，最后進行穩(wěn)定性的運算，如果滿足強度控制、變形控制，那么再進行施工圖的設計［4］。

4　基坑支護結構的設計原則與方法

在進行基坑支護結構設計時，其一般應遵循的設計原則是：①重視基本理論的指導作用；②設計中計算分析全面，避免“漏項”，并且應考慮各種不利條件下的“工況”；③做好基坑工程總體方案的選擇；④做好地下水和地表水的控制；⑤充分運用“時空效應”的概念解決支撐工作和軟土地區(qū)基坑開挖中遇到的難題，科學合理的制定支撐和挖土方案，減少位移、保證基坑安全；⑥認真仔細監(jiān)測工期，如果出現(xiàn)異常情況，應立即采取有限措施解決問題；⑦研究和應用己有的基坑工程行業(yè)的和地區(qū)性規(guī)范以及當?shù)氐墓こ探?jīng)驗。以以上原則為依據(jù)選定合理的的設計方法。在設計基坑支護結構時，應當根據(jù)極限環(huán)境下的狀態(tài)表達式進行計算，同時需要劃分支護結構的極限狀態(tài)，一般以正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)和為主。正常使用極限狀態(tài)其所對應的狀況是支護結構產(chǎn)生嚴重變形已妨礙了結構施工甚至于影響到了周邊建筑的正常使用。承攬能力極限狀態(tài)是指支護結構已承受了最大限度的壓力甚至于土體變形嚴重、存在著失穩(wěn)從而破壞了基坑周圍環(huán)境和支護結構。因此在設計基坑支護結構時，需要計算其承載力極限狀態(tài)，通過計算支撐的承載力和穩(wěn)定性、土體穩(wěn)定笥、結構承載力及錨桿后，從而對極限狀態(tài)進行掌握。另外對于支護結構變形有限定的基坑側壁，則還需要驗算基坑周邊環(huán)境及支護結構變形的情況。

5　深基坑支護結構優(yōu)化設計

（1）深基坑支護結構優(yōu)化方案的選擇在深基坑支護結構工程中，其深基坑支護結構優(yōu)化方案的選擇要考慮到深基坑開始挖掘時有關土壤以及土壤中地下水等造成的影響，所以深基坑支護結構方案的選擇要根據(jù)施工地點的地下土壤情況、深基坑的挖掘深度等因素綜合考慮并選擇合適的深基坑支護結構方案。

（2）優(yōu)化深基坑支護結構方案設計的參數(shù)

優(yōu)化樁與樁徑間距。樁與樁徑的間距是直接影響了支護結構的經(jīng)濟性及穩(wěn)定性。一定范圍，樁間距的變大會影響基坑的變形。減小樁間距會增加樁數(shù)量，提高造價，并且不能充分發(fā)揮樁間土體的承受能力。增大樁間距，會造成樁間土體不穩(wěn)從導致其從樁間滑落。所以科學合理選擇樁間距十分重要，合理的樁間距能充分發(fā)揮土拱效應，既保證了經(jīng)濟效益，也確保了基坑的穩(wěn)定性。

優(yōu)化嵌固深度。設計深基坑支護結構中，設計樁所嵌固的深度是關健，過淺的嵌固深度會降低基坑穩(wěn)定性。過深的嵌固深度無法保證支護結構的穩(wěn)定性，同時會額外的消耗資源能源，加重經(jīng)濟成本。因此，對合理的選擇樁的嵌固深度非常重要，需要根據(jù)安全及經(jīng)濟兩個方面的平衡來選擇。

在實際施工中，深基坑支護可以選擇的類型較多，所以需要根據(jù)施工的具體情況及相關的工程經(jīng)驗來進行選取，同時基坑支護作為一種結構體系，要設計時要充分地滿足穩(wěn)定性和變形的要求，具有良好的承載能力。同時在設計時還要根據(jù)具體的水文和地質(zhì)條件來進行分析，從而確保支護結構的安全性、適用性和經(jīng)濟性。

［1］肖榮軍，史宏彥，楊雪強.深基坑排樁支護結構設計方法研究進展［J］.土工基礎，2013（3）：50～53.

［2］朱占國，趙 文，李慎剛，紀新博，唐志揚.地鐵深基坑支護結構計算方法研究［J］.地下空間與工程學報，2013（5）：1109～1114.

［3］朱桂春，劉興鑫，韓武娟.深基坑樁錨支護體系的受力變形研究及優(yōu)化設計［J］.安全與環(huán)境工程，2012（1）：124～128.

［4］唐鵬，程懷江.基于變形控制的深基坑工程土釘支護設計優(yōu)化研究［J］.工程與建設，2012（6）：813～816.

陳 宇（1981-），男，本科，主要從事巖土勘察、地基處理、基坑和邊坡支護等工作。

TU753

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2095-2066（2016）14-0149-02

2016-4-29