俞海林等

摘 要：隨著城市建設(shè)的日新月異，城市基坑工程越來越復(fù)雜，結(jié)合近年來一些基坑支護技術(shù)，概述了較成熟的基坑支護類型及計算方法，對深基坑支護工程今后的技術(shù)應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞：軟土地區(qū)；深基坑；支護

1 前 言

城市地下空間開發(fā)利用成為我國城市建設(shè)中的重點，城市地下空間的安全建設(shè)成為關(guān)系國計民生的重大工程問題。軟土地基中進行基坑開挖不僅造價高、投資大，而且具有較高的風險性，一旦發(fā)生事故，會導(dǎo)致工程建設(shè)成本增加和工期延后，更為嚴重的是會危及周圍建筑和人民生命財產(chǎn)安全?；庸こ痰难芯恳呀?jīng)取得了很多重要的成果，實際工程中也形成了適合各種條件的基坑支護方式：放坡開挖、土釘支護、復(fù)合土釘墻支護、重力式擋墻支護、排樁或地連墻支護。我國建設(shè)部、冶金部相繼頒布了建筑基坑工程的行業(yè)標準，各地也先后頒布了地方性的建筑基坑技術(shù)規(guī)程，眾多學(xué)者根據(jù)自身研究成果與工程實踐經(jīng)驗相結(jié)合，出版了很多手冊，為基坑工程技術(shù)施工提供指導(dǎo)。

2 深基坑支護結(jié)構(gòu)類型

2.1 鋼板樁支護

鋼板樁（如SMW法）應(yīng)用于建筑深基坑的支護，是一種施工簡單、投資經(jīng)濟的支護方法。在軟土地區(qū)過去應(yīng)用較多，但由于鋼板樁本身柔性大，如支撐或錨拉系統(tǒng)設(shè)置不當，其變形會很大。因此對基坑支護深度達7m以上軟土地層，基坑支護不宜采用鋼板支護，除非設(shè)置多層支撐或錨拉桿，但應(yīng)考慮到地下室施工結(jié)束后鋼板樁拔除時對周圍地基和地表變形的影響。

2.2 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是在泥漿護壁的條件下分槽段構(gòu)筑的鋼筋混凝土墻體，地下連續(xù)墻最早于1950年開始應(yīng)用于巴黎的地下建筑工程，我國在20世紀60年代初開始應(yīng)用于水壩的防滲墻，后來國內(nèi)將地下連續(xù)墻用于城市深基坑的圍護結(jié)構(gòu)最早是廣州白天鵝賓館。現(xiàn)今，國內(nèi)地下連續(xù)墻的施工深度已有超過80m，厚度達1.4m。由于地下連續(xù)墻具有整體剛度大和防滲性好，適用于地下水位以下的軟粘土和砂土等多種地層條件和復(fù)雜的施工環(huán)境，尤其是基坑底面以下有深層軟土需將墻體插入很深的情況，因此，在國內(nèi)外的地下工程中得到廣泛應(yīng)用，并且隨著技術(shù)的發(fā)展和施工方法及機械的改進，地下連續(xù)墻發(fā)展到既是基坑施工時的擋墻圍護結(jié)構(gòu)，又能作為擬建主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻。施工工藝上也可采用逆作法施工，減少對環(huán)境和地面交通的影響。

2.3 柱列式灌注樁、排樁支護

柱列式間隔布置包括：樁與樁之間有一定凈距的疏排布置形式和樁與樁相切的密排布置形式。為減低工程造價和施工方便，柱列式灌注樁作為擋土圍護結(jié)構(gòu)有很好的剛度，但各樁之間，必須在樁頂澆注較大截面的鋼筋混凝土帽梁（冠梁）加以可靠連結(jié)。為防止地下水并夾帶土體顆粒從樁間空隙流入坑內(nèi)，應(yīng)同時在樁間或樁背采用高壓注漿，設(shè)置深層攪拌樁或在樁后專門構(gòu)筑防水帷幕。灌注樁施工時無振動，對周圍鄰近建筑物、道路和地下管線影響危害比較少。

2.4 內(nèi)支撐和錨桿支護

作為基坑圍護結(jié)構(gòu)墻體（如鋼板樁、灌注樁等維護結(jié)構(gòu)）的支承，內(nèi)支撐（水平橫撐、角撐、斜撐）和錨桿（斜錨桿、錨定板拉桿等）的作用對保證基坑穩(wěn)定和控制周圍地層變形極為重要。目前支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐，常用的有鋼結(jié)構(gòu)支撐和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支撐兩類，鋼結(jié)構(gòu)支撐多用圓鋼管和大規(guī)格的型鋼。為減少擋墻的變形，用鋼結(jié)構(gòu)支撐時可用液壓千斤頂施加預(yù)應(yīng)力。鋼筋混凝土支撐是近幾年在上海地區(qū)等深基坑施工中發(fā)展起來的一種支撐形式，它多用土模或模板隨著挖土逐層現(xiàn)澆，截面尺寸和配筋根據(jù)支撐布置和桿件內(nèi)力大小而定，它剛度大、變形小，能有力的控制擋墻變形和周圍地面的變形，宜用于較深基坑或周圍環(huán)境要求較高的地區(qū)。

3 深基坑支護結(jié)構(gòu)主要計算方法

近年來，隨著巖土力學(xué)理論的發(fā)展和各國專家學(xué)者的努力，提出了多種計算理論和方法，歸納起來，其基本方法大致可分為三類：①極限平衡法；②彈性抗力法；③有限元法。

3.1 極限平衡法

極限平衡法建立在經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上，但通常采用的朗肯和庫侖理論所得到的結(jié)果實際上和土體單元本身的真實應(yīng)力是有差別的。按地基強度理論，庫侖理論是把土體看作為一承載體，達到極限狀態(tài)時滑動面的形式采用直線滑動面的結(jié)果，而在朗肯理論中則為一點的應(yīng)力狀態(tài)，由于庫侖理論在一定條件下與朗肯理論是一致的，朗肯理論實質(zhì)上也屬一種直線滑動面理論。對于地基強度而言，直線滑動面理論的極限承載力是偏小的，采用曲線滑動面理論更為合理。

簡單地講，朗肯理論在一般情況下的主動土壓力都會偏大，被動土壓力偏小，而庫侖理論中被動土壓力在土體內(nèi)摩擦角為較大值時結(jié)果也會偏大。用經(jīng)典土力學(xué)理論計算主動土壓力和被動土壓力，計算柔性擋墻（懸臂式或有支錨結(jié)構(gòu)）的內(nèi)力，對墻身和支錨結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，這種方法對于普通擋土墻或開挖深度不深的鋼板樁是比較成熟的；但對深基坑，特別是軟土中的深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，該法就難以考慮更為復(fù)雜的條件，難以分析支護結(jié)構(gòu)的整體性狀。例如支護結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的相互作用，墻體變形對側(cè)壓力的影響，支錨結(jié)構(gòu)設(shè)置過程中墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的變化，內(nèi)側(cè)坑底土加固或坑內(nèi)、外降水對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響，壓頂圈梁的作用與設(shè)計，復(fù)合式結(jié)構(gòu)的受力分析等等，這些問題往往成為控制支護結(jié)構(gòu)性狀的主要因素。

3.2 彈性抗力法

彈性抗力法針對常規(guī)方法中擋墻內(nèi)側(cè)被動土壓力計算中的問題提出了改進。其概念是由于擋墻位移有控制要求，內(nèi)側(cè)不可能達到完全的被動狀態(tài)，實際上仍處在彈性抗力階段，因此，引用承受水平荷載樁的橫向抗力概念，將外側(cè)主動土壓力作為施加在墻體上的水平荷載，用彈性地基梁的方法計算擋墻的變形與內(nèi)力，土對墻體的水平向支撐用彈性抗力系數(shù)來模擬，支錨結(jié)構(gòu)也用彈簧模擬。

這種方法可以視為對常規(guī)方法的改進，但它仍沒有解決前一種方法的其余問題。計算與實際符合與否取決于基床系數(shù)的選取，通常用m法計算，即基床系數(shù)隨深度比例增長，比例系數(shù)為m。土抗力法在基坑支護設(shè)計計算中，常將支護結(jié)構(gòu)前后土體視為由水平向的彈簧組成的計算模型，通過撓曲線的近似方程來計算擋土結(jié)構(gòu)墻體的彎矩、剪力和變形。按Winkler假定，每一點的水平向的反力與這點的彈性變形成正比。一般適用于錨拉式平面結(jié)構(gòu)或受力對稱的內(nèi)支撐式平面結(jié)構(gòu)。

3.3 有限元和數(shù)值分析法

隨著計算機技術(shù)的提高，有限元和數(shù)值分析法在支護結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛地應(yīng)用，提供了一種理論上更為合理的設(shè)計計算方法。它將土體和支護結(jié)構(gòu)分別劃分為有限單元進行計算，其優(yōu)點是可以考慮土體與支護結(jié)構(gòu)的相互作用，可以從整體上分析支護結(jié)構(gòu)及周圍土體的應(yīng)力和位移，而且還可求得基坑的隆起量、地表的沉降量和土中的塑性區(qū)范圍及發(fā)展過程，還可以與土流變學(xué)相結(jié)合求得各參數(shù)的時間效應(yīng)。最重要的一點，它適用于動態(tài)模擬計算，通過動態(tài)計算模型，按照施工過程對支護結(jié)構(gòu)進行逐次分析，預(yù)測支護結(jié)構(gòu)在施工過程中的性狀。

總的來說，常規(guī)設(shè)計方法仍然是目前工程中支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方法，但需對它存在的問題加以研究改進，發(fā)展有限元方法使之實用化、系統(tǒng)化，成為支護結(jié)構(gòu)計算機輔助設(shè)計軟件，供設(shè)計與施工管理采用。從原理上說，常規(guī)方法存在的問題在有限元方法中都可不同程度地得到解決。除了數(shù)值分析方法本身的問題以外，用有限元方法的關(guān)鍵是正確選用計算模型和設(shè)計參數(shù)；另一個需要研究的問題是安全系數(shù)的定義及如何與常規(guī)設(shè)計的安全系數(shù)相匹配。如果后一個問題不解決，有限元方法仍然只停留在輔助手段的水平上而不能成為一種可供應(yīng)用的工程設(shè)計方法。

4 結(jié)束語

基坑工程穩(wěn)定和變形的因素很多，很復(fù)雜；具有很強的工程個性。從場地分析、土壓力的選用，圍護形式的合理選用，到圍護結(jié)構(gòu)的變形控制的每一環(huán)節(jié)，都需要設(shè)計人員的仔細分析比較判斷才能做到設(shè)計的經(jīng)濟合理安全，作為設(shè)計人員也只有做好這些分析比較，不斷從摸索中積累經(jīng)驗，從實踐中不斷學(xué)習，才能不斷提高認識，提高設(shè)計水平。