建筑深基坑支护优化设计研究及应用

秦海军

（广西华蓝岩土工程有限公司，广西 南宁 530001）

【摘 要】在我国建筑行业中，深基坑支护设计是急需解决的一大难题。深基坑结构在建筑施工中有非常重要的作用。基坑支护结构不但要保证坑内人员的安全作业，并且还要保证基坑周围的建筑物及大型设备的安全使用。由于基坑周围的基土具有很大的不确定性，并且不同施工现场的基坑周围的环境不尽相同，因此在进行基坑设计时，往往需要考虑许多可能影响基坑结构稳定性及安全性的因素。而且就预算来说，基坑支护设计的预算要比其他结构的预算高出很多。如何较好地解决经济问题和结构的安全问题，是当前基坑支护设计面临的首要问题。文章介绍了基坑支护及边皮支护的施工方法，并且对不同地基的处理方法也进行了说明。

【关键词】建筑深基坑；支护方法；优化升级

【中图分类号】TU470 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）03-0073-03

为了解决人口不断增加的压力，设计人员开始向地下及高空探索空间。越来越多的高楼拔地而起，并且要求每一个建筑物都要建设地下室，因此深基坑施工就显得尤为重要。如何做好支护结构，成为当下相关企业考虑的首要问题。针对环境的多变性及工艺的复杂性，在基坑支护结构的设计及施工中需要注意许多问题，本文将着重探索这些问题的解决方法。

1 建筑深基坑支护的重要性

基坑是一个建筑物能够安全存在的基础，基坑质量的好坏直接关系到高层建筑物能否经得起时间的考验，为用户提供一个安全的避风港。为了保证建筑物自身、周围建筑物及建筑物地下的管线管道不受深基坑的影响，需要在设计基坑前就对该地区的土壤进行勘察。并且，由于建筑深基坑涉及结构力学及液压问题，因此设计时需要解决的计算问题也非常复杂。此外，深基坑支护体系除了要保证相邻建筑物和周围大型设备能够正常安全使用以外，还要防止地下水深入基坑，保持深坑内部的干燥。

2 深基坑支护结构的主要计算方法

2.1 弹性抗力法

弹性抗力法的一大亮点就是对以往计算挡土墙被动土压力时的方法进行了优化。挡墙的位移往往具有一定的控制要求，由于内侧不可能完全转变成被动状态，因此实际的情况是挡墙仍然处在弹性抗力阶段。该方法与传统方法不同的地方就在于横向抗力的加入，这个概念是用来形容其在墙体上的水平荷载及柱状承受力的。将墙体上的水平荷载当做是外侧的主动土压力进行计算，同时用弹性抗力系数来模拟土对于墙体的水平支持，用弹簧模拟支锚结构。

2.2 极限平衡法

该方法虽然是在经典理论的基础上进行计算，但是通常采用的结果来自朗肯和库伦理论。因为在实际工作中，真正的土压力不能与理论上的土单元体进行互换。根据强度理论基础，将土体当成承载体的是库伦理论的基础，当其达到极限状态表面的滑动模式时再转变成现行滑动面的结果。而朗肯理论本身就是一种线性滑动面理论，库伦理论只是在一定条件下才与之有一定的相符性，但不能直接说两者是等同的。因此，经典土力学理论更适合用來计算主动土压力及被动土压力、柔性挡土墙内力及用于墙体结构设计等，这样的计算结果才能支撑开挖程度不深的基坑。但是，对于深基坑来说，特别是软土层的深基坑支护结构设计中，由于支护结构及基坑本身就很复杂，因此经典土力学理论很难对基坑支护结构整体特征进行分析并计算出相应的设计参数。

2.3 有限元和数值分析法

随着计算机技术的不断发展，大量的计算可以让计算机代替人来完成。经过不断地摸索、实践，有限元数值分析法已经在支护结构设计计算中得到了广泛的应用。它的计算的原理是将土体和支撑结构分别分解为几个有限元进行独立计算。该计算方法最大的优点就是能够将土壤和结构之间相互作用的内力一并考虑在计算过程中，并且对于位移的计算是整体的位移，而不是将土体和结构自身的位移分别计算再进行叠加。这样不但能够简化计算，还能够提高计算的准确性，特别是对于基坑隆起、表面沉降、土的塑性区范围及其未来如何发展起到一定的参考作用。此外，这些土壤参数还会随着时间的推移而发生变化，对于动态仿真模型的建立也起到了非常积极的推动作用。

可见，有限元法可以在很大程度上解決很多常规问题，并且通过计算机软件进行辅助设计还能大大减轻相关设计人员的工作压力，在现代化和信息化的时代，这种方法逐渐成为业内人士进行计算和设计的首选工具。

3 几种建筑深基坑支护的设计优化方案

3.1 土钉墙支护结构的优化设计

在设计之初，我们要明确影响该种支护结构的因素。第一，土钉墙在使用的过程中，土钉在顺着支护结构竖直方向的内力相差相对明显，而且内力的分布通常是中间的远远大于两端的，因此如果顶部的土钉断开，那么结构的尾部及地表就会出现开裂的情况，严重影响基坑的稳定性。在设计中，我们一般将土钉的长度选为0.5～1.2 mm。第二，土钉的倾角对支护结构的影响也很大，为了安全考虑，一般将倾角控制在5°～15°。第三，土钉间距一般确定在1～2 m，因为过大的土钉间距会严重影响土钉的强度，进而影响支护结构的稳定性。最后，土钉的直径和钻孔直径分别规定为16～32 mm和70～120 mm。

确定优化函数：

优化方式的实现：由上述的函数公式进行分析，若要得到最优的设计变量x，则目标函数 f （x）的值最小。 f （x）的值越小，则表示性能越好。具体优化步骤如下：①根据工程概况输入基坑和土体的基本设计参数。②根据约束条件生成n个初始解。③计算出主被动土压力水平分力和合力的水平分力标准值。④计算初始土钉长度。⑤开挖时，逐个验算每个开挖土钉墙的稳定性。⑥将计算的结果代入目标函数中检验每组数据对应结构的整体稳定性。⑦将目标函数所得结果转换为适应值。

3.2 悬臂护坡支护结构的优化设计

该结构的影响因素有以下几种：桩体直径、嵌固深度、桩体间距及桩体配筋等。在进行变量设定时，将除了嵌固深度以外的3个参数分别设定为x1，x2，x3，并建立相应目标函数：

f （x）=

优化步骤如下：①根据概况输入基坑和土体基本设计参数。②根据上述土体参数约束条件随机均匀生成n个初始解。③计算主被动土压力水平分力和主被动压力合力水平分力标准值。④计算桩体最小钳固深度。⑤分别取土层j=1，2，3 ，…， m。k值为零时，断面所在的土层。⑥将结果代入目标函数求得最后结果。

3.3 排桩支护结构中锚索结构的优化设计

不同于其他的支护结构，预应力锚索锚固技术是深基坑支护中在控制基坑位移时最主要的技术手段。该方法的优点很多，例如结构合理、工艺灵巧、施工速度更快，并且性价比非常高。但是，不管是多么优秀的结构，都会有自身的弊病。该结构最大的缺点就是在基坑回填以后，超越红线范围的锚体无法二次回收，因此只能将锚体永远留在地下。这样，不仅会造成浪费，而且还会给相邻地下空间的开发和施工带来非常大的污染。传统的深基坑预应力锚索施工的主要技术原理就是通过拉锁材料和注浆体之间的强大的黏结力，完成拉锁和注浆体之间的拉力传递，再通过注浆体与底层之间的相互作用，达到阻止土体位移的目的。为了将超越红线部分的锚体收回，相关单位和工作人员都致力于研究可拆卸的预应力锚索技术，这样就会在现有基础之上大大降低作业成本，并且从根本上解决地下污染问题，从侧面体现出建筑行业对环保的追求与贡献。

4 深基坑支护设计和施工管理

4.1 合理选择支护施工方法

一般情况下，深基坑的支护结构主要有3种，即重力式擋土墙支护结构、悬臂式支护结构及深基坑支护结构。3种支护结构有其相对应的使用条件。悬臂式支护结构主要适用于基坑开挖深度比较小而且土壤条件比较好的基坑。重力式挡土墙支护结构一般是依靠自身的重力将支撑结构的各种压力相抵消，达到一个相对平衡的状态。施工时，应根据具体的施工条件及经济水平选择不同的支护方法，但无论选择哪一种支护结构，都必须保证深基坑在使用时的安全性。

4.2 合理选择开挖方式

一般情况下，根据具体的土壤条件来选择土方挖掘方式。通常情况下，都会选择单独的挖掘方式，并且可以随挖随运，避免在施工现场堆放大量的土方，营造一个相对良好的施工环境。同时，在开挖的过程中，要时刻关注开挖速度及深度，相关部门要严格监理。

4.3 加强对建筑基础支护防水技术的要求

由于基坑施工需要对地表以下进行开挖，因此必须高度重视地下水的问题。当地下水位出现明显变化或者基础沉浸在地下水很长的时间时，需要及时对基坑周围进行排水处理，保证正常的基坑施工。同时，在施工前要对可能发生的流沙、管涌等现象做好相应的应急预案，在出现突发情况后第一时间解决问题。

5 结语

经济之所以能不断进步，是因为我们的城市在不断向前发展。城市的发展离不开城市的建设，这样的现实条件给了高层结构建筑更大的发展空间，同时对于深基坑施工技术的发展也起到了重要的推动作用。许多深基坑结构及支护结构在施工的时候往往会由于局部土壤在基坑位移或者沉降，导致附近建筑物的安全受到威脅，给各个施工单位造成很大的经济损失，甚至给用户带来生命财产损失。因此，相关工作人员应该重视深基坑的施工问题，并且不断提高深基坑及支护结构的施工水平。

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[责任编辑：陈泽琦]