分析深基坑支护结构的实用计算方法及其应用

曾宣源（核工业柳州工程勘察院，广西柳州545005）

分析深基坑支护结构的实用计算方法及其应用

曾宣源（核工业柳州工程勘察院，广西柳州545005）

建筑业的快速发展，使得坑基开挖深度不断增加，再加上工程事故的普遍发生，工程界才开始关注深基坑工程问题，目前，国内已经出现了相对规模的基坑工程热潮。对此，本文分析了一套实用的计算方法，可使得基坑设计中的一些关键性与主要的技术问题得以有效的解决，从而确保基坑支护设计的安全性、经济性与合理性。

深基坑工程；支护结构；计算方法；应用

前言

通常情况下，大规模的基坑开挖与支护的综合性较强，且往往涉及工程地质、结构力学与土力学等学科，同时，在其具体施工中，还会受到例如天气、施工季节与工程场地环境等因素的影响。在相同的施工工程中，设计工作人员有可能会采用不同的基坑支护方法，即便选用了同一种支护方法，其具体计算过程与结果也可能存在一定的差异，所以，深基坑支护结构的实用计算方法与应用是基坑支护工程的重点。本文以工程实例为案例，编制计算程序，并分析了基坑工程实例中各工况支护结构的受力与变形。由计算结果可知，按照提出的分析方法计算的围护墙体位移比按照现行规程设计方法计算的更加接近实测结果，且计算参数的确定更加便利。

1 深基坑支护结构计算理论概述

本文研究的深基坑支护主要指用于支护垂直岩土坡的桩、墙与支撑，或是锚杆等组成的支护结构，如图1。

图1 支护结构

大多数情况下，对于深基坑的支护结构，可将其简化为一个受侧向土压力作用的受力结构。就当前情况来看，此种结构的基本计算方可通过以下方式进行。

1.1 经典方法

经典方法的主要考虑对象为力的平衡，一般选取单位宽度受侧向荷载作用的梁系，例如经典的1/2分割法、刚性支承连续梁法等，见图2～4。土压力不仅包含Terzaghi-Peck的经验表观土压力，还涉及经典的理论土压力方法，例如朗肯土压力法等。此类方法的优势在于可手算，计算十分简单，但也存在无法计算支护结构位移的缺陷。同时，相比于实际情况，通过计算得到的支点力存在较大的差距，支点一般是边开挖边支撑的，所以，支点力与施工过程之间存在一定的关联，如果采用经典方法计算，往往无法对施工过程的影响进行较好的考虑。

图2 1/2分割法

图3 刚性支点连续梁法

图4 等值梁法

1.2 弹性地基梁法

弹性地基梁法是一种将支护结构作为一个竖放的弹性地基梁，一般会受到侧向土压力的作用。土压力通常采用经典的土压力理论，例如朗肯土压力理论或库仑土压力理论。基坑面以上的支撑可作为一个弹性支点，基坑之下的土层可采用一系列的土弹簧作用代替，如图5。通过此种方法，便可将支护结果作为一种弹性支承的地基梁。较为常用的方法。对于弹性法与弹塑性法，主要是在一定程度上简化基坑面以上的支撑力，例如下道支撑设置完成之后，上道支撑轴力不变等，以便于简化。针对入土段，也可假设已经达到极限被动土压力，便可采用用力的平衡条件进行求解。当然，也可假设入土段的土坑力与变形之间存在一定的关联，之后需分别建立入土段以上与入土段的弹性地基梁微分方程，再根据两段的微分方程的解，在考虑两段墙在基坑底面部位的连续条件的情况下进行求解。此种方法对于如果入土段是多层土，还需要根据每一层土再分段，所以，对多层土较为复杂。对于分层土，由于每一层土的m值均不同，所以，分段微分方程也更加复杂，所以，通常采用杆系有限元数值解法求解。

图5 弹性地基梁法

2 工程案例

2.1 工程概况

某商业广场处于闹市区，主楼部分主要包括地上38层，地上4层则为裙房部分，且主楼与裙房均包括地下3层。主楼基坑开挖深度达14.50m。该项目的基坑主要采用钢筋混凝土地下连续墙+内支撑支护。地下连续墙厚度达800mm，深度为29.3m，3道支撑均采用现浇钢筋混凝土结构，支撑的最大间距为10m，最大长度达40m，支撑横截面尺寸为900mm×800mm。基坑支护方案如图6。

图6 基坑平面图

2.2 支护结构内力的分析

因考虑到该工程的实际开挖过程，按照以下6中工况进行分析，工况划分如下：①开挖至地面以下1.5m部位，进行地下连续墙施工，并设置第一道支撑，然后挖土至6.5m处（第二道支撑）。②设置第二道支撑，然后挖土至11.5m处（第三道支撑）。③设置第三道支撑，然后挖土至14.5m处（第四道支撑）。④进行底板施工，然后将第三道支撑拆除。⑤进行第二层楼板施工，然后将第二道支撑拆除。⑥进行第一层楼板施工，然后将第一道支撑拆除。此项工程主要采用上述分析法对相应的计算程度进行编制，并且分析6种工况的支护体系，以获得围护墙弯矩，如图7所示。

图7 围护墙弯矩计算值

图8 围护墙计算及实测位移

3 基坑支护结构类型及其计算方法

由图8可知，各工况在地表部位的位移计算值与实测值之间的差距不大，主要原因在于该工程采用地下连续墙作为围护墙，且支撑刚度较大。在开挖面以上部位，将实测位移值与规程方法计算的位移值进行一定的比较，差距略大，采用该文中的方法进行位移值的计算，与实测值之间较为接近。在开挖面以下部位，采用该文中的方法进行位移值的计算，其与实测位移值之间的差距略微小，但与采用规程方法计算的位移值，与实测值之间的差距更加小。由此可知，在开挖面以上，规程方法的主动压力计算模式偏大；但在开挖面以下部位，规程方法的主动压力计算模式则偏小。所以，如果按照土-支护结构非线性共同作用确定的土压力与实际情况更加接近。由以上结算结果可知，采用该文方法计算的各工况围护墙位移与实测数据之间的差距略小，并且还能够计算围护墙随基坑开挖产生的内力与变形，计算结果也十分可靠。

4 结束语

综上所述，深基坑支护工程具有综合性与系统性特征，且往往涉及诸多学科，施工工序也十分复杂，基坑支护结构是一个由若干独立体组成的整体。深基坑的支护结构设计应综合考虑项目的整体情况，对于局部与整体之间的关系，也需要进行合理的协调。近年来，随着科技的迅速发展，以及计算机水平的不断提高，应有的放矢地对深基坑支护结构法进行计算，选用适宜的支撑方法，以保证基坑支护工程的安全。

[1]齐永生，王 雷.基于弹性支点法的桥梁基坑支护结构有限元分析[J].安徽建筑大学学报，2010，18（3）：59～63.

[2]马艳霞，张吾渝，蒋宁山.排桩支护结构分析计算方法的比较研究[J].青海大学学报，2013，31（3）：44～48.

[3]周爱红，袁 颖，侯 征，等.桩-土-结构体系随机地震响应的实用计算方法及参数分析[J].地震工程学报，2011，33（1）：51～55.

[4]沈锐利，张兴标，彭 丹.多塔悬索桥结构变形的实用计算方法[J].中国公路学报，2016，29（6）：207～213.

[5]王蓟昌，吴良良，丁明华，等．宜兴文化中心大剧院深基坑支护方案选择及施工技术[J].建筑技术，2013，44（1）：6～8.

为了对上述计算结构进行检验，将工况1与工况3的围护墙实测位移按照 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中规定的弹性支点法计算的位移与该文的计算位移分别绘制在图8中。

TU753

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2095-2066（2016）35-0126-02

2016-12-3