深基坑支护结构优化研究综述

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

一、引言

随着现代化进程的加快，城市中的高层建筑日益增多，一些大型市政设施投入建设，开发利用了大量的地下空间。在这一过程中，诸多深基坑支护设计与施工问题凸现出来，在基坑工程研究领域成为当前的热点与难点，尤其是深基坑支护结构的优化设计更是其中的关键难点[1]。与发达国家相比，关于深基坑支护结构的设计与优化等方面的研究在我国起步相对较晚，但自上世纪八十年代以来，随着国民经济的稳步增长，高层建筑物的修建以及地下空间的开发利用，极大的推动了深基坑支护工程的发展[2]。与以往不同点在于，如今的基坑开挖不仅要满足安全和稳定性要求，还要满足变形控制及施工要求，以保证对周边建筑物、各种地下管线等市政设施不产生危害其安全的影响[3]。传统的板桩支撑和板桩锚拉支护已很难满足当前许多深基坑工程的支护需求[4]。基于此，深基坑工程的支护设计优化、计算理论，以及后续的施工技术，已然成为基础地下工程中一个需要长远考虑和深入研究的重要课题。

在基坑工程中，一般的基坑支护结构都属于临时性工程设施，通常在施工结束后进行拆除，且在整个施工阶段，其工作状态也在不断变化之中。从力学角度分析其应力应变时，可将其模型概化为本构关系较为复杂的多相半无限体[6]。优化设计基坑支护的目的，便在于更好地发挥其作用，以保证土体应力场与渗流场重新处于平衡或动态平衡中。由于模型概化较为复杂，以及水土参数[7]既有较大的不确定性与离散性，使得这类问题的分析与计算难度增加。因此，目前所有基坑支护系统的计算方法都具有明显的近似性。

二、支护结构的选型

基于不同的施工条件和施工特点，不同支护结构拥有不同的适用范围及工作原理，但按照其作用机理大致划分为以下两种类型：加固型和支挡型[8]。其具体形式如下[9-15]：

(一)放坡开挖及简易支护

放坡开挖适用于土质条件较好，开挖深度较浅，无地下水或水位低于基坑底面以及现场有足够的放坡条件。该方法特点是费用相对较低，施工工期短，能为主体结构的施工提高宽敞的施工空间。放坡开挖常搭配简易支护，即在坡脚处放置沙包或堆石料，以起到加固边坡稳定性的作用。

(二)悬臂式

悬臂式支护形式大多为板桩、排桩结构或地下连续墙等。适用于地基条件较好，基坑深度不深的工程。因悬臂式结构往往具有足够的深度，故可承担足够的弯矩，但易产生严重的变形，甚至可能影响周边建筑物。因此在设计时要做充分的考虑。

(三)重力式

典型的重力式支护结构，如水泥土搅拌桩，就是通过搅拌机将水泥与土进行搅拌后在基坑侧壁形成重力式挡墙，这种通过加固基坑侧壁达到挡土隔水双重作用的支付方式，近年来得到较好的发展和利用。

(四)内撑式

内支撑体系可采用水平支撑、竖向支撑以及斜支撑。内支撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管(或型钢)支撑两种。设置内支撑对于增加支护结构抵抗土压力，并限制其变形的能力有显著效果。这种支护能有效控制临近建筑物的变形量，适用于高深基坑工程支护，一般辅以排降水措施，属于被动支护。

(五)拉锚式

拉锚式支护结构由支护体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同内撑式支护结构，锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。但在软粘土地区，地基难以提供足够的锚固力，应慎用。

深基坑支护虽为一种临时性辅助结构物，但在施工期间，对保证工程顺利进行和临近地基和己有建筑物的结构安全的影响极大，支护结构选型应充分考虑场地周边环境、地质条件、基坑开挖深度，地下水等的影响，应做到技术上先进、可行，经济上实用、合理，使用上安全、可靠。

三、支护系统强度和变形计算方法

对于目前支护系统的强度和变形计算的理论和方法，大致分为：经典方法、弹性地基梁法和有限单元法三类。

(一)经典方法

基坑经典的计算方法主要有：二分之一分割法、等值梁法等[16-17]，其主要是把支护结构当作一竖直放置的梁，几道支撑点反弯点和不动点，把支护结构简化为一个多支点的梁受墙后土压力的作用，这种计算方法虽然可以近似计算结构的内力，但不能计算出结构位移，在实际工程中的应用越来越少。针对深基坑开挖与支护过程中多支撑支护结构的土压力问题，有学者通过考虑采用朗肯土压力用增量法计算不同土质条件下的支撑力，再把支撑力安1/2分担法变为分布压力，计算结果显示分布压力与经验土压力较为一致,两者间的差别主要是由施工造成的。

(二)弹性地基梁法

弹性地基梁法是把基坑支护结构简化为一竖直放置的一定宽度的弹性地基梁，其主要受墙后土压力的作用，大部分学者都将土压力简化为一系列的土弹簧,而计算土弹簧刚度的方法主要有E法、M法、C法，而且横向支撑结构和锚杆也可以用弹簧系统来代替[18]。此计算方法的优点是考虑了土、结构、支撑和锚杆间的相互作用,如若结合增量法还可以考虑复杂的施工过程,弹性地基梁法是目前工程中主要采用的计算方法,可以满足工程设计中的基本要求。

目前国家相关基坑支护规范中的弹性支点法主要把支撑作为一个弹性支点，建立弹性地基梁的微分方程并进行求解，地基的土抗力主要选择m法进行计算,而一般对于分层土的情况，每一层土的m值不同，所建立的微分方程的个数需进一步增加，所以一般都采用杆的有限元数值解法进行求解，因为采用弹性支点法进行求解过程较为复杂。

(三)有限单元法

有限单元法实质上就是把具有无限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要可以明确单元的力学特性，就可按结构分析的方法来求解，再辅以计算机的强大计算能力，使得分析过程大为简化。

四、基坑支护优化结构

(一)地下连续墙作为建筑地下室侧壁

目前在深大基坑设计与施工时，经常采用现浇地下连续墙来进行两墙合一[19]的设计。可以减少临时支护的费用，同时也能减少施工时的振动及噪音影响，不仅强度及刚度大，而且可以很好的起到防水及挡土的作用，在工程完工后的使用阶段其也可以起到建筑物基础外围墙的作用，直接承担上部主体结构传下来的垂直荷载，充分发挥其承载力。

(二)竖向内支撑作为结构框架柱

在工程面临水平支撑结构的自重和跨度均较大，承受水平荷载时容易失稳而破坏等问题时，必须设置足够的竖向支撑，基坑支护竖向支撑立柱及立柱桩的平面布置可以选择在地下室结构柱上[20]，内支撑格构柱立柱与主体结构框架柱中心相重合，竖向支撑可采用钢格构柱，上端锚入水平支撑结构内，下端锚入灌注桩内，构成了地下结构的竖向支撑体系。

(三)带排水结构中空抗滑桩

在基坑支护采用单排桩或多排桩加固边坡时，可采用排排水抗滑桩的形式。既满足强度要求，又可克服地下水位过高给施工带来不便的难题，将降水与加固优化于一体，既经济又节约材料。

五、总结

在深基坑开挖与支护过程当中，为确保工程建设安全、经济、科学正确，进行基坑支护方案选择，控制好基坑支护结构力与变形相互间关系，控制好基坑周边建筑物的沉降至关重要。本文对支护结构选型，支护系统变形计算方法，以及支护结构与主体结构优化形式进行了综述。总结如下：

1.支护结构的选择应根据基坑开挖深度，工程地质条件，地下水等因素，考虑工程环境效应，在满足安全要求的前提下，做出合理的选择。

2.有限元法在支护强度和变形计算中作为一种更精确、合理的计算方法，正得到越来越多的运用。

3.基坑支护结合主体结构功能，在满足强度要求下，进行优化设计，是一种经济可行的设计创新思路。