深基坑支護結構優化研究綜述

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

一、引言

隨著現代化進程的加快，城市中的高層建筑日益增多，一些大型市政設施投入建設，開發利用了大量的地下空間。在這一過程中，諸多深基坑支護設計與施工問題凸現出來，在基坑工程研究領域成為當前的熱點與難點，尤其是深基坑支護結構的優化設計更是其中的關鍵難點[1]。與發達國家相比，關于深基坑支護結構的設計與優化等方面的研究在我國起步相對較晚，但自上世紀八十年代以來，隨著國民經濟的穩步增長，高層建筑物的修建以及地下空間的開發利用，極大的推動了深基坑支護工程的發展[2]。與以往不同點在于，如今的基坑開挖不僅要滿足安全和穩定性要求，還要滿足變形控制及施工要求，以保證對周邊建筑物、各種地下管線等市政設施不產生危害其安全的影響[3]。傳統的板樁支撐和板樁錨拉支護已很難滿足當前許多深基坑工程的支護需求[4]?；诖?，深基坑工程的支護設計優化、計算理論，以及后續的施工技術，已然成為基礎地下工程中一個需要長遠考慮和深入研究的重要課題。

在基坑工程中，一般的基坑支護結構都屬于臨時性工程設施，通常在施工結束后進行拆除，且在整個施工階段，其工作狀態也在不斷變化之中。從力學角度分析其應力應變時，可將其模型概化為本構關系較為復雜的多相半無限體[6]。優化設計基坑支護的目的，便在于更好地發揮其作用，以保證土體應力場與滲流場重新處于平衡或動態平衡中。由于模型概化較為復雜，以及水土參數[7]既有較大的不確定性與離散性，使得這類問題的分析與計算難度增加。因此，目前所有基坑支護系統的計算方法都具有明顯的近似性。

二、支護結構的選型

基于不同的施工條件和施工特點，不同支護結構擁有不同的適用范圍及工作原理，但按照其作用機理大致劃分為以下兩種類型：加固型和支擋型[8]。其具體形式如下[9-15]：

(一)放坡開挖及簡易支護

放坡開挖適用于土質條件較好，開挖深度較淺，無地下水或水位低于基坑底面以及現場有足夠的放坡條件。該方法特點是費用相對較低，施工工期短，能為主體結構的施工提高寬敞的施工空間。放坡開挖常搭配簡易支護，即在坡腳處放置沙包或堆石料，以起到加固邊坡穩定性的作用。

(二)懸臂式

懸臂式支護形式大多為板樁、排樁結構或地下連續墻等。適用于地基條件較好，基坑深度不深的工程。因懸臂式結構往往具有足夠的深度，故可承擔足夠的彎矩，但易產生嚴重的變形，甚至可能影響周邊建筑物。因此在設計時要做充分的考慮。

(三)重力式

典型的重力式支護結構，如水泥土攪拌樁，就是通過攪拌機將水泥與土進行攪拌后在基坑側壁形成重力式擋墻，這種通過加固基坑側壁達到擋土隔水雙重作用的支付方式，近年來得到較好的發展和利用。

(四)內撐式

內支撐體系可采用水平支撐、豎向支撐以及斜支撐。內支撐常采用鋼筋混凝土支撐和鋼管(或型鋼)支撐兩種。設置內支撐對于增加支護結構抵抗土壓力，并限制其變形的能力有顯著效果。這種支護能有效控制臨近建筑物的變形量，適用于高深基坑工程支護，一般輔以排降水措施，屬于被動支護。

(五)拉錨式

拉錨式支護結構由支護體系和錨固體系兩部分組成。支護結構體系同內撐式支護結構，錨固體系可分為錨桿式和地面拉錨式兩種。但在軟粘土地區，地基難以提供足夠的錨固力，應慎用。

深基坑支護雖為一種臨時性輔助結構物，但在施工期間，對保證工程順利進行和臨近地基和己有建筑物的結構安全的影響極大，支護結構選型應充分考慮場地周邊環境、地質條件、基坑開挖深度，地下水等的影響，應做到技術上先進、可行，經濟上實用、合理，使用上安全、可靠。

三、支護系統強度和變形計算方法

對于目前支護系統的強度和變形計算的理論和方法，大致分為：經典方法、彈性地基梁法和有限單元法三類。

(一)經典方法

基坑經典的計算方法主要有：二分之一分割法、等值梁法等[16-17]，其主要是把支護結構當作一豎直放置的梁，幾道支撐點反彎點和不動點，把支護結構簡化為一個多支點的梁受墻后土壓力的作用，這種計算方法雖然可以近似計算結構的內力，但不能計算出結構位移，在實際工程中的應用越來越少。針對深基坑開挖與支護過程中多支撐支護結構的土壓力問題，有學者通過考慮采用朗肯土壓力用增量法計算不同土質條件下的支撐力，再把支撐力安1/2分擔法變為分布壓力，計算結果顯示分布壓力與經驗土壓力較為一致,兩者間的差別主要是由施工造成的。

(二)彈性地基梁法

彈性地基梁法是把基坑支護結構簡化為一豎直放置的一定寬度的彈性地基梁，其主要受墻后土壓力的作用，大部分學者都將土壓力簡化為一系列的土彈簧,而計算土彈簧剛度的方法主要有E法、M法、C法，而且橫向支撐結構和錨桿也可以用彈簧系統來代替[18]。此計算方法的優點是考慮了土、結構、支撐和錨桿間的相互作用,如若結合增量法還可以考慮復雜的施工過程,彈性地基梁法是目前工程中主要采用的計算方法,可以滿足工程設計中的基本要求。

目前國家相關基坑支護規范中的彈性支點法主要把支撐作為一個彈性支點，建立彈性地基梁的微分方程并進行求解，地基的土抗力主要選擇m法進行計算,而一般對于分層土的情況，每一層土的m值不同，所建立的微分方程的個數需進一步增加，所以一般都采用桿的有限元數值解法進行求解，因為采用彈性支點法進行求解過程較為復雜。

(三)有限單元法

有限單元法實質上就是把具有無限個自由度的連續體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數值解法的結構型問題。因此，只要可以明確單元的力學特性，就可按結構分析的方法來求解，再輔以計算機的強大計算能力，使得分析過程大為簡化。

四、基坑支護優化結構

(一)地下連續墻作為建筑地下室側壁

目前在深大基坑設計與施工時，經常采用現澆地下連續墻來進行兩墻合一[19]的設計?？梢詼p少臨時支護的費用，同時也能減少施工時的振動及噪音影響，不僅強度及剛度大，而且可以很好的起到防水及擋土的作用，在工程完工后的使用階段其也可以起到建筑物基礎外圍墻的作用，直接承擔上部主體結構傳下來的垂直荷載，充分發揮其承載力。

(二)豎向內支撐作為結構框架柱

在工程面臨水平支撐結構的自重和跨度均較大，承受水平荷載時容易失穩而破壞等問題時，必須設置足夠的豎向支撐，基坑支護豎向支撐立柱及立柱樁的平面布置可以選擇在地下室結構柱上[20]，內支撐格構柱立柱與主體結構框架柱中心相重合，豎向支撐可采用鋼格構柱，上端錨入水平支撐結構內，下端錨入灌注樁內，構成了地下結構的豎向支撐體系。

(三)帶排水結構中空抗滑樁

在基坑支護采用單排樁或多排樁加固邊坡時，可采用排排水抗滑樁的形式。既滿足強度要求，又可克服地下水位過高給施工帶來不便的難題，將降水與加固優化于一體，既經濟又節約材料。

五、總結

在深基坑開挖與支護過程當中，為確保工程建設安全、經濟、科學正確，進行基坑支護方案選擇，控制好基坑支護結構力與變形相互間關系，控制好基坑周邊建筑物的沉降至關重要。本文對支護結構選型，支護系統變形計算方法，以及支護結構與主體結構優化形式進行了綜述?？偨Y如下：

1.支護結構的選擇應根據基坑開挖深度，工程地質條件，地下水等因素，考慮工程環境效應，在滿足安全要求的前提下，做出合理的選擇。

2.有限元法在支護強度和變形計算中作為一種更精確、合理的計算方法，正得到越來越多的運用。

3.基坑支護結合主體結構功能，在滿足強度要求下，進行優化設計，是一種經濟可行的設計創新思路。