關于深基坑支護結構設計技術的研究

李雁鳴

（廣東省地質局第三地質大隊，廣東 韶關 512029）

摘要：本文結合筆者理論學習與實踐經驗的應用，以有限元計算模式為論點實施了深基坑支護體系計算，以實際案例論述了具體應用過程，意于設計出安全可靠、經濟合理、便于施工的深基坑支護體系，具有一定的應用價值，盼為行業間形成技術交流。

關鍵詞：深基坑支護；結構設計；體系計算

1.深基坑支護體系計算理論分析（有限元分析原理）

深基坑支護體系常用的設計理論有極限平衡、彈性抗力以及有限元分析等方法，且支護形式多樣，基于現實的考慮，本文以有限元分析法為重點實施理論分析與計算。

1.1本構關系。土工計算一般以非線性彈性模型與彈塑性模型最為常用，二者在具體應用上各有優缺點，但均可反映出土的非線性應力與應變關系的特征。相比而言，非線性彈性模型更加簡單，易于初始應力狀態的考慮和確定計算參數，并可直接參考與使用現場試驗規程，因此，本文以非線性彈性模型為論述對象。

以該模型理論分析，土的彈性模量（E）與泊松比（V）在不同應力階段具有不同的數值，其應力函數表示如下式1-1。

（1-1）

其中：Et→切線模量；Ei→初始切線模量；Rf→破壞比，一般土為0.75～0.95；C→土的內聚力；h→土的內摩擦角；e1、e3→分別為最大、最小主應力；Pa→參考大氣壓力；Kt→切線體積模量；Ki、Kb、n、m→常數，通過試驗獲取。

上述Et是為加載情況下，當卸載二次加荷時，彈性模量可表示為下式1-2：

（1-2）

其中，Kur、n→常數，通過試驗獲取。

1.2接觸面性狀模擬。接觸面單元主要包含接觸摩擦型單元與層狀材料單元兩種材料模型，其中以Goodman接觸摩擦型單元應用最為廣泛，其不僅概念清楚，而且對于接觸面的張裂與滑動可以實施很好的模擬，但為避免受壓時兩種材料重疊，計算時需對法向剛度系數取值很大，同時也就會給計算結果（尤其是應力）造成不可避免的誤差。而Desai對于薄四邊形單元的提出，則對這一缺陷做到了很好的避免，其不僅實現了切向與法向變形的良好反映，而且有效傳遞了應力。與普通單元一樣，Desai單元對于接觸面變形的數學模型平面問題分析中分別涉及三個應變分量與應力分量。對于在有厚度接觸單元范圍內的接觸面與其附近土體而言，其變形可分為土體基本變形{Δε1}（類同于一般土體單元變形）與破壞變形（接觸破壞{Δε2}與滑動破壞），二者向量疊加即為總變形，表示于下式1-3。

（1-3）

與土體其它單元一樣，基本變形所采用的本構關系不再重復應變與應力關系，破壞變形在接觸面一點處呈剛塑性變形，無相對位移發生于破壞前，但是一旦發生破壞（錯動或張裂），相對位移則會持續發展，由下式1-4表示。

（1-4）

在支護結構的約束與保護下，接觸面上的正應變量實際不會破壞（=0），因此取矩陣相應元素為零。

2.深基坑支護結構設計應用

2.1個案介紹。某地下室工程3層結構，基坑開挖長312m，寬95m，深12m，其地質情況主要為人工填土（埋深1～4m）、殘積層（埋深4～13m）以及基巖（埋深14～21m），其以內夾方解石脈粉質泥巖巖性為主，地下水埋深1.0～1.4m。

2.2方案的選擇。本工程基坑由于開挖深度較深，支護墻體水平位移較大，且地下水位較高，因此其結構設計關鍵除為支撐類型與支撐形式的選擇外，還需考慮止水問題，故此需加設一道止水帷幕。

2.2.1方案初選。一般情況下，鋼筋混凝土支撐體系為深基坑支護常用形式，其應用優勢明顯，主要表現在：不僅可將混凝土變形小與剛度大等特征充分表現，而且因挖運速度的促進而降低施工成本，同時對于周邊場地要求較小。因此，本工程以加設二道鋼筋混凝土內支撐為深基坑支護的初選方案。

方案一：采用鋼筋混凝土內支撐。 第一道鋼筋混凝土支撐的對撐梁以及角撐梁截面均為500×700（mm），聯系梁及八字撐均為 400×600（mm）。第二道鋼筋混凝土支撐的對撐梁以及角撐梁截面為600×800（mm），聯系梁及八字撐均為400×600（mm）， 第一、二道鋼筋混凝土內支撐形式。

方案二：采用鋼筋混凝土支撐。 第一道內支撐與第二、三道內支撐均為鋼筋混凝土內支撐。第一、二道鋼筋混凝土支撐的對撐梁以及角撐梁截面均為 500×700（mm），聯系梁及八字撐均為400×600（mm）。第三道鋼筋混凝土支撐的對撐梁以及角撐梁截面為600×800（mm），內支撐聯系梁、八字撐均為400×600（mm）。

設置二道支撐，支護樁內力與變形較大，因而局部設置三道支撐，既可滿足該基坑支護的要求，又能保證支護樁變形在控制范圍之內，防止靠近基坑房屋因基坑開挖而開裂或沉降。

2.2.2方案優化選擇。本工程基坑開挖較深，周圍環境復雜，安全可靠度是首要設計因素，同時，必須考慮施工工期。相比之下，鋼支撐具有縮短施工工期的特點，為了加快施工進度，考慮第一道支撐采用鋼結構支撐。

方案三如下：局部采用鋼管支撐，其余采用鋼筋混凝土支撐，第一道內支撐為鋼支撐，第二、三道為鋼筋混凝土內支撐。第一道鋼結構對撐梁截面為2～610×12，聯系梁、八字撐均為單根工字鋼I25b。第二道鋼筋混凝土支撐的對撐梁以及角撐梁截面均為500×700（mm），聯系梁及八字撐均為400×600（mm）。第三道鋼筋混凝土支撐的對撐梁和角撐梁均采用鋼筋混凝土截面600×800（mm），內支撐聯系梁、八字撐均為400×600（mm）。

結語：基于以上論述，二、三號支撐方案在整體性能上優越于一號支撐方案，但在相比之下，三號支撐方案對能于支護結構的位移與施工工期更好控制，其實施效果更優，施工效率更快，是為最優選擇。

參考文獻

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