錢逢龍

(蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，安徽蕪湖 241000)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)選型淺析

錢逢龍?

(蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，安徽蕪湖 241000)

基坑開(kāi)挖是現(xiàn)代建筑工程施工非常關(guān)鍵的工程，尤其是在現(xiàn)代城市建筑施工中，必須確保臨近結(jié)構(gòu)物、管線、管道的安全，又要確?；幼陨淼氖┕ぐ踩?，因此基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要；另外，也應(yīng)該根據(jù)不同的地質(zhì)條件、安全等級(jí)選用不同的支護(hù)形式，以達(dá)到安全、穩(wěn)定、便于施工、經(jīng)濟(jì)的目的。文章就常用的幾種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的適用條件以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了探討。

基坑支護(hù)；設(shè)計(jì)原則；結(jié)構(gòu)選型

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下空間的利用已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，現(xiàn)代城市大型建筑工程均設(shè)有地下室，因此基坑開(kāi)挖已成為城市建筑工程中相當(dāng)重要的一部分。由于城市建筑比較密集，地下管線眾多，基坑開(kāi)挖施工即要保證相鄰結(jié)構(gòu)物的安全，又要確保自身的施工安全，這就對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全、牢靠性提出了更高的要求，尤其是支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。文章主要就基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型及其設(shè)計(jì)原則進(jìn)行深入的探討。

1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型

1.1 鋼板樁

鋼板樁利用震動(dòng)打樁機(jī)械或者插打機(jī)械按照設(shè)計(jì)位置插打就位，并設(shè)置內(nèi)支撐系統(tǒng)，分層開(kāi)挖逐層支撐，在工程施工完成后便可以回收再次利用。通常我們使用的鋼板樁有“拉森”鋼板樁與槽鋼鋼板樁兩種。槽鋼鋼板樁由于剛度較小、容易變形，而且抗?jié)B性能差，容易進(jìn)水，因此通常只在淺基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中。“拉森”鋼板樁通過(guò)鎖口彼此互相咬合連接，具有剛度大、抗?jié)B水能力強(qiáng)，因此經(jīng)常應(yīng)用于較深的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中。

在周圍建筑物比較密集的軟土地區(qū)不適宜采用鋼板樁支護(hù)。因?yàn)樵谲浲林写蛉脘摪鍢稌r(shí)，會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生擠壓，可能會(huì)引起地面隆起，而當(dāng)工程結(jié)束后，拔出鋼板樁時(shí)，又會(huì)帶出大量的泥土，從而形成比較大的空洞，如果不及時(shí)采取有效的措施，將非常容易導(dǎo)致周圍的地面下沉，而影響周圍結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。

1.2 鋼筋混凝土板樁

事先分塊預(yù)制好鋼筋混凝土板樁，每塊間利用企口結(jié)合，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，便利用打樁機(jī)械將其打入設(shè)計(jì)位置。鋼筋混凝土板樁具有較大的剛度及抗?jié)B能力，能適用各種基坑的開(kāi)挖支護(hù)，但是鋼筋混凝土板樁的投入是一次性的，因此其施工成本較高。

1.3 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是指利用專門的挖槽機(jī)械，在地面上按照設(shè)計(jì)位置，挖出一道狹長(zhǎng)的深槽，并將事先加工好的鋼筋籠安裝于槽內(nèi)，然后采用導(dǎo)管法灌注水下混凝土，形成一個(gè)槽段，依次施工其他槽段，槽段間采用特殊的接頭方式連接，從而在地下形成一道鋼筋混凝土墻。地下連續(xù)墻具有剛度大、截水、抗?jié)B性能相當(dāng)強(qiáng)，因此，在基坑開(kāi)挖時(shí)，可以抵抗很大的土壓力，在以往的工程實(shí)例中極少發(fā)生坍塌或者地基沉降等事故。另外，地下連續(xù)墻施工震動(dòng)比較小、產(chǎn)生的噪音較低，對(duì)周圍的地基不產(chǎn)生擾動(dòng)，因此非常適用于城市建筑基坑開(kāi)挖支護(hù)工程。地下連續(xù)墻的適應(yīng)性特別強(qiáng)，能適應(yīng)于各種地基條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常應(yīng)用于較深的基坑支護(hù)中，比如地鐵、車站、多層地下車庫(kù)等。但是地下連續(xù)墻施工成本比較高。

1.4 鉆孔灌注排樁

利用鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu)，各樁間采用壓力注漿或者旋噴樁來(lái)進(jìn)行防滲水處理，再用鋼筋混凝土圈梁將排樁連接成整體結(jié)構(gòu)，從而形成基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。該種支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為錨固式、懸臂式、內(nèi)支撐式三種結(jié)構(gòu)形式。

錨固式:鉆孔灌注排樁與土層錨桿、錨定板等聯(lián)合使用，可用于較深的基坑。該結(jié)構(gòu)形式具有挖土效率高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但是水泥用量及鋼材用量比較大。

懸臂式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是施工作業(yè)面開(kāi)闊，基坑開(kāi)挖施工效率高，相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)。但是其支護(hù)深度應(yīng)該根據(jù)不同的地質(zhì)條件以及不同的樁徑而確定。

內(nèi)支撐式就是在基坑內(nèi)設(shè)置型鋼支撐桿或者鋼筋混凝土支撐桿，以抵抗土側(cè)壓力，通常支撐可水平設(shè)置也可以斜向設(shè)置。在支護(hù)結(jié)構(gòu)不高、開(kāi)挖深度不大的情況下通常采用斜向支撐；而基坑深度較大時(shí)一般采用水平支撐，并分多層布置。

1.5 圍筒式支護(hù)結(jié)構(gòu)

圍筒式支護(hù)結(jié)構(gòu)按照平面布置形式又可以分為拱形、圓形、復(fù)合型等結(jié)構(gòu)形式。該種支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力比較合理，使得支護(hù)材料的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，整體剛度較大，位移量很小。圍筒式支護(hù)結(jié)構(gòu)一般是利用鉆孔灌注樁形成圓形、弧形排樁結(jié)構(gòu)；或者利用水泥攪拌樁、素混凝土樁形成拱形結(jié)構(gòu)，僅在拱腳位置設(shè)置一根鋼筋混凝土樁，來(lái)增墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.6 水泥土深層攪拌樁擋墻

采用深層攪拌法形成重力式擋墻，通常布置成格柵狀，該結(jié)構(gòu)無(wú)需設(shè)置支撐，不滲水，施工材料僅為水泥，無(wú)需鋼材，因此造價(jià)較低。但是，其穩(wěn)定性與其截面尺寸有很大關(guān)系，若開(kāi)挖深度較大時(shí)，該類結(jié)構(gòu)的寬度也需要增大，因此占地面積較大。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)其破壞后果的嚴(yán)重性分別采用不同的安全等級(jí)。若破壞后果相當(dāng)嚴(yán)重應(yīng)采用一級(jí)安全等級(jí)，破壞后果嚴(yán)重的采用二級(jí)，破壞后果不嚴(yán)重的采用三級(jí)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)通常按照承載力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

2.1 承載力極限狀態(tài)

我們通常也將承載力極限狀態(tài)稱之為應(yīng)力極限狀態(tài)。包括下列幾種情況:

①抗剪切破壞要求滿足下式:

其中:τp為樁所承受的剪應(yīng)力；[τp]為支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。

②抗傾覆破壞的極限狀態(tài)要求滿足下式:

式中:Ep為支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的被動(dòng)土壓力；Ea為支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的主動(dòng)土壓力。

③抗滑動(dòng)破壞的極限狀態(tài)要求滿足:

式中:τs為滑動(dòng)面上地基土受到的剪應(yīng)力；[τs]為地基土的抗剪強(qiáng)度。

④抗彎破壞的極限狀態(tài)要求滿足:

式中:M為支護(hù)結(jié)構(gòu)截面所受的彎矩；[M]為支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度。

2.2 正常使用極限狀態(tài)

我們通常也將正常使用極限狀態(tài)稱之為變形極限狀態(tài)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)在土側(cè)壓力的作用下若發(fā)生較大位移，那么周圍的地表勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)下沉，有可能導(dǎo)致周圍的結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)開(kāi)裂，影響其正常使用。若變形量過(guò)大，甚至?xí)斐芍車ㄖ飪A斜、倒塌，地下管線斷裂等情況。因此，在進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移量控制在允許范圍以內(nèi)。

3 計(jì)算方法

以前采用的古典法及解析法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際情況誤差比較大，因?yàn)樗鼈兙荒苡行У姆磻?yīng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中擋土結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的軸立變化。所以，現(xiàn)在基本上都是采用有限元法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，該法可以有效地計(jì)入施工過(guò)程中各種因素的影響，比如被動(dòng)土壓力及主動(dòng)土壓力的變化，隨著開(kāi)挖深度的增加支撐的層數(shù)數(shù)量的增加，支撐架設(shè)前后擋土結(jié)構(gòu)的位移變化，支撐預(yù)加力對(duì)擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響等問(wèn)題。

有限元法可以在確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全情況下，最大限度的優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，讓其結(jié)構(gòu)更為合理，更經(jīng)濟(jì)。有限元分析法主要有“連續(xù)介質(zhì)有限元法”與“彈性桿系有限元法”兩種。

有限元法就是將土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，通過(guò)數(shù)值模擬，從而得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移，也可以算出整個(gè)土體的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。它的優(yōu)點(diǎn)在于能充分的考慮土體的性質(zhì)，采用不同的模型、邊界條件，從而更加真實(shí)的反映實(shí)際情況；對(duì)于分步施工過(guò)程可以采用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，可對(duì)每一步開(kāi)挖的應(yīng)力和位移作出分析。采用空間三維有限元分析還可以較好的對(duì)基坑的整體形狀作出模擬，對(duì)一些角撐、圈梁和圍檁模擬。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

基坑支護(hù)的目的是確保基坑開(kāi)挖自身坑壁的穩(wěn)定及施工安全；保證周圍臨近結(jié)構(gòu)物、地下管線的安全；便于基坑開(kāi)挖施工及地下工程建設(shè)；支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明確、施工方便、節(jié)約成本。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)選型應(yīng)該本著安全、經(jīng)濟(jì)、合理、因地適宜的原則。

安全是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的核心問(wèn)題，不僅僅要考慮支護(hù)體系自身的安全，確保基坑開(kāi)挖施工的順利進(jìn)行，又要保證周圍結(jié)構(gòu)物、地下管線的正常使用。支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性指的也不僅僅是支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的造價(jià)，還應(yīng)該考慮到施工工期、安全等各方面的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

一個(gè)好的支護(hù)體系，應(yīng)該要做到因地制宜，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，選用合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。在地質(zhì)條件與開(kāi)挖深度均相同時(shí)，允許支護(hù)結(jié)構(gòu)位移量不同，采用的支護(hù)形式及產(chǎn)生的費(fèi)用有可能相差很大。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)因?yàn)槭且环N臨時(shí)結(jié)構(gòu)，因此再設(shè)計(jì)時(shí)采用的安全系數(shù)不宜過(guò)大，但是，必須由一定的安全儲(chǔ)備?？梢詮慕?jīng)濟(jì)與安全兩個(gè)方面綜合考慮，可采用較低的安全系數(shù)下，加強(qiáng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的堅(jiān)持，并準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急措施，當(dāng)發(fā)現(xiàn)事故的苗頭時(shí)，立即處理，確保安全。

一般講，軟粘土地基中基坑工程要側(cè)重處理支護(hù)體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題，或者說(shuō)處理好擋土問(wèn)題；地下流水位較高的砂性土地基中基坑工程要側(cè)重處理好水的問(wèn)題，如何降低地下水位，如何設(shè)置好止水帷幕，軟粘土地基中基坑工程支護(hù)體系失穩(wěn)往往是支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。引起支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因很多，有設(shè)計(jì)方面的原因，也有施工方面的原因，也有對(duì)地質(zhì)條件了解不清楚的原因。滲透性較大的地基中基坑工程支護(hù)體系失敗往往是水的問(wèn)題未處理好。要根據(jù)地基土質(zhì)情況合理選用支護(hù)體系。

5 總 結(jié)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)不但關(guān)系到該工程的施工安全，還對(duì)周圍建筑物的安全有很大的影響，因此，要將安全放在首要位置。另外，還要因地制宜，選用結(jié)構(gòu)合理、施工方便、經(jīng)濟(jì)適用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

[1] 余志成，施文華.深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997

[2] 張恩慶，陳波.巖土工程勘察治理實(shí)用手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑材料工業(yè)中心出版社，2001，11

[3] 龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998

[4] 趙發(fā)章.深基坑邊坡支護(hù)工程技術(shù)[J].施工技術(shù)，2006 (6)

[5] 黃強(qiáng).建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999

Structure of Foundation Pit Support Design Principle and Analysis of Structure Model Selection

Qian FengLong
(Wuhu Geotechnical and Survey Design Institute，Wuhu 241000，China)

Pit excavation is modern construction construction very key of engineering，especially in modern city building construction in the，must ensure near structure property，and pipeline，and pipeline of security，again ensure pit itself of construction security，therefore pit excavation support nursing structure design is particularly important；also，also should under different of geological conditions，and security level selection different of support nursing form，to reached security，and stability，and easy construction，and economic of purpose.Article on commonly used several forms of Foundation pit support structure of suitable conditions，and the structure of Foundation pit support design principles was discussed，for the majority of the Builders Exchange.

Foundation pit support Design principles Structural type selection

1672－8262(2010)03－174－03

TU753

B

2011—04—18

錢逢龍(1977—)，男，工程師，主要從事巖土工程勘察、基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工等工作。