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【摘要】：随着我国城市建设规模的不断扩张，高层以及超高层建筑日益增多，高层建筑深基础的设计与施工成为基础工程的研究重点。高层建筑深基础支护的设计与施工质量直接关系到建筑物基础施工的安全稳定，因此，合理的确定基坑支护验算重点设计参数，科学的选择支护结构并制定施工方案，对于确保深基础基坑作业安全，保证建筑物基础的施工质量具有重要的意义。
【关键词】：深基础；支护结构；设计；理论方法
中图分类号： S611文献标识码： A
围护墙体主要承受基坑开挖卸荷所产生的水土压力，并将此压力传递到支撑上，以确保基坑及周围建（构）筑物的安全。围护墙体结构内力分析的古典方法有：极限平衡法，包括静力平衡法和等值梁法；考虑施工过程的增量法；再就是用有限元计算的数值解法，如线弹性平面有限元在一定程度上能模拟深基坑的开挖过程，把开挖掉的土体作为“空气单元”，并能考虑土体和围护墙体的相互作用，把土体和围护墙体均假定为线弹性本构关系，土体单元采用精度较高的平面四边形八节点等参单元，围护墙体采用梁单元来模拟，支撑杆件采用弹簧单元来拟合后，计算出围护墙体的内力、变形、地面沉降、基坑隆起等。但基坑开挖涉及因素往往非常复杂，如开挖的时空效应、基坑内外土体的加固效应、支撑系统的选择及实际发生的土体蠕变、弹塑性地基土体的本构关系模拟效果等等，所以在基坑开挖过程中常采用非线性弹性或弹塑性平面有限元反馈分析是比较可靠的。
1极限平衡法
极限平衡法用于基坑计算的有静力平衡法和等值梁法。当支护桩入土深度较浅时，或者桩底处土较软时，桩墙底部可能有少许位移或者有稍许转动，从而使桩底的土压力为零，从而可将桩下端简化为自由端，计算时采用静力平衡法；当支护桩入土深度较大时，或者桩底处土较硬时，墙前和墙后都出现被动土压力，支护桩在土中处于嵌固状态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。其弯矩大大减小而出现正负二个方向的弯矩，压力零点和弯矩零点约相吻合，此时需要用等值梁法进行计算。
1.1静力平衡法。
静力平衡法存在以下三个假设：①墙前土压力已经达到被动土压力，墙后土压力已经达到主动土压力，主动和被动土压力均为与支挡结构变形无关的已知量，用朗肯或库仑理论计算；②支挡结构刚度无限大，且不考虑支撑（或拉锚）的压缩或拉伸变形；③支挡结构的横向抗力按照极限平衡条件求得。在静力平衡法中，主动和被动土压力随深度线性变化，随着板桩入土深度的不同，作用在不同深度上各点的净土压力的分布也不同。当单位宽度板桩墙体两侧受到的净土压力相平衡时，板桩强则处于稳定，相应的板桩入土深度即为板桩保证其稳定所需要的最小入土深度，可根据静力平衡条件即水平力平衡方程和对桩低截面的力矩平衡方程联立求解得倒。如果有支撑或者锚杆，测需要考虑支点力的作用，但计算时仍按照静力平衡的方法求解。步骤为：①计算板桩墙前后的土压力分布；②建立求解静力平衡方程，求得板桩入土深度，求解的时候需要迭加墙后主动土压力，支点力和墙前被动土压力或者，从而求出土压力零点；③计算板桩最大弯矩，板桩最大弯矩的作用点，亦即结构段面剪力为零的点。此种方法不能反映支护结构的实际受力特点，比如锚杆受力后将产生变形，支护结构的刚度也变小。但在锚固点变形较小的时计算结果能满足工程需要，且计算较为简单。但是对于较软弱土就不适用。
1.2等值梁法。
等值梁法（亦称假想铰法），计算时将桩墙当作一段弹性嵌固另一端简支的梁来研究。由其简化可知，在计算时将土压力零点位置作为弯矩零点所在的位置，从而在压力零点位置处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。当进行多支撑的支挡结构设计时，一般可当作刚性支撑的连续梁计算，其计算原理和等值梁法相同，此时等值梁法可以分成整体等值梁法和分段等值梁法。所谓整体等值梁法就是把基坑底面下桩底土压力零点与桩顶之间的部分当作多跨连续梁，锚(支撑)点位置为连续梁的支点，采用结构力学中力矩分配法计算连续梁的方法计算支点反力；所谓分段等值梁法，就是基坑逐层开挖过程中支撑或拉锚力不变的等值梁法，这种方法应根据土方开挖和支撑或拉锚的设置顺序分段计算。在每一阶段，可将该阶段开挖面上的支撑(或拉锚)点和开挖面下的土压力零点之间的支挡结构作为简支梁对待，然后把计算出的支点反力保持不变，并作为外力计算下一段梁的支点反力。对于单支点结构，按《建筑基坑支护技术规程》计算出的支点力Tc1所采用的土压力图形是经典法土压力模型。由于人为设定桩身中主、被动土压力强度相等的那一点为转动支点，小于实际的转动支点。与实際转动支点的计算力矩对比，主动侧力矩相对偏小，相应的支点力Tc1必然偏小。从静力平衡角度来说，Tc1偏小，ΣEpc必然要增大，嵌固深度也就相应增大。按《规程》得出的嵌固深度实质上是绕桩底的抗倾覆稳定，但对内撑式支护来说，常见的破坏形式是“踢脚”破坏。采用偏小的Tc1参与计算所得出的嵌固深度必定偏大，安全度更能保证。在没有足够地区经验的情况下，可以采用等值梁法确定嵌固深度，安全度比较高。
2关于全量和增量法
在基坑施工的不同阶段，维护结构、支撑体系和土体形成的结构体系不断变化，土压力也随着开挖的进行而不断变化。增量法有别于传统的全量的方法，可以模拟基坑开挖的全过程。现将全量和增量法进行讨论比较。
2.1全量法。
全量法的计算假定有：①支锚点的侧向位移不可逆转，即每一工况计算的支锚点位移不能小于前一阶段计算结果，也不能出现反向位移；②回填阶段，地下室楼层位置作为支点，其位移保持不变。知外荷载是各施工阶段实际作用在墙体上的有效土压力或其他荷载，支承由支撑弹性作用和地层弹性作用组成。在支承处应输入设置支承前该点墙体已产生的水平位移，由此可以直接求得当前施工阶段完成后围护结构的实际位移和内力。适用于整个受力过程中墙体刚度不发生变化的情况。
2.2增量法。
外荷载相当于前一个施工阶段完成后的荷载增量，支承由支撑弹性作用和地层弹性作用组成。求得的围护结构位移和内力相当于前一个施工阶段完成后的增量，当墙体刚度不发生变化时，与前一个施工阶段完成后的墙体已产生的位移和内力叠加，可得到当前施工阶段完成后体系的实际位移和内力。整个受力过程中墙体刚度发生或不发生变化的情况都适用。每一步工况都只考虑当前工况新增的荷载，新增加的荷载包括：(1)开挖过程：荷载增量为主动侧土压力的增量、被动侧土体弹性作用由于开挖而造成的刚度损失以及主动侧土体弹性作用卸载后的土反力；支撑由支撑弹性作用和开挖面以下的土体弹性作用组成。(2)加撑过程：荷载增量为加在该支撑上的预加力，支承由其他支撑弹性作用、开挖面以下土体弹性作用以及主动侧土体弹性作用组成。(3)拆撑过程：荷载增量为与该支撑受力方向相反，大小相等的力。(4)加楼板（刚性铰）过程：没有荷载增量，但加刚性铰处的位移在以后的工况中将不再变化。实际上，挡土墙的受力过程是一个土、墙、支撑（或锚杆）的共同作用过程，墙体的内力与土性、墙体刚度、支撑（或锚杆）的刚度及开挖与支撑的过程是有关的。
3结束语
在城市高层建筑的深基坑施工工程中，应因地制宜，基坑围护方案应进行方案比较，加强优化设计，根据基坑周边环境特点选择支护方案。
参考文献：
［1］陈忠汉、黄书秩、程丽萍，深基坑工程，北京：机械工业出版社.
［2］金振，软土地区不同深基坑支护结构形式的分析比较［J］.施工技术，2006，35(2).
【关键词】：深基础；支护结构；设计；理论方法
中图分类号： S611文献标识码： A
围护墙体主要承受基坑开挖卸荷所产生的水土压力，并将此压力传递到支撑上，以确保基坑及周围建（构）筑物的安全。围护墙体结构内力分析的古典方法有：极限平衡法，包括静力平衡法和等值梁法；考虑施工过程的增量法；再就是用有限元计算的数值解法，如线弹性平面有限元在一定程度上能模拟深基坑的开挖过程，把开挖掉的土体作为“空气单元”，并能考虑土体和围护墙体的相互作用，把土体和围护墙体均假定为线弹性本构关系，土体单元采用精度较高的平面四边形八节点等参单元，围护墙体采用梁单元来模拟，支撑杆件采用弹簧单元来拟合后，计算出围护墙体的内力、变形、地面沉降、基坑隆起等。但基坑开挖涉及因素往往非常复杂，如开挖的时空效应、基坑内外土体的加固效应、支撑系统的选择及实际发生的土体蠕变、弹塑性地基土体的本构关系模拟效果等等，所以在基坑开挖过程中常采用非线性弹性或弹塑性平面有限元反馈分析是比较可靠的。
1极限平衡法
极限平衡法用于基坑计算的有静力平衡法和等值梁法。当支护桩入土深度较浅时，或者桩底处土较软时，桩墙底部可能有少许位移或者有稍许转动，从而使桩底的土压力为零，从而可将桩下端简化为自由端，计算时采用静力平衡法；当支护桩入土深度较大时，或者桩底处土较硬时，墙前和墙后都出现被动土压力，支护桩在土中处于嵌固状态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。其弯矩大大减小而出现正负二个方向的弯矩，压力零点和弯矩零点约相吻合，此时需要用等值梁法进行计算。
1.1静力平衡法。
静力平衡法存在以下三个假设：①墙前土压力已经达到被动土压力，墙后土压力已经达到主动土压力，主动和被动土压力均为与支挡结构变形无关的已知量，用朗肯或库仑理论计算；②支挡结构刚度无限大，且不考虑支撑（或拉锚）的压缩或拉伸变形；③支挡结构的横向抗力按照极限平衡条件求得。在静力平衡法中，主动和被动土压力随深度线性变化，随着板桩入土深度的不同，作用在不同深度上各点的净土压力的分布也不同。当单位宽度板桩墙体两侧受到的净土压力相平衡时，板桩强则处于稳定，相应的板桩入土深度即为板桩保证其稳定所需要的最小入土深度，可根据静力平衡条件即水平力平衡方程和对桩低截面的力矩平衡方程联立求解得倒。如果有支撑或者锚杆，测需要考虑支点力的作用，但计算时仍按照静力平衡的方法求解。步骤为：①计算板桩墙前后的土压力分布；②建立求解静力平衡方程，求得板桩入土深度，求解的时候需要迭加墙后主动土压力，支点力和墙前被动土压力或者，从而求出土压力零点；③计算板桩最大弯矩，板桩最大弯矩的作用点，亦即结构段面剪力为零的点。此种方法不能反映支护结构的实际受力特点，比如锚杆受力后将产生变形，支护结构的刚度也变小。但在锚固点变形较小的时计算结果能满足工程需要，且计算较为简单。但是对于较软弱土就不适用。
1.2等值梁法。
等值梁法（亦称假想铰法），计算时将桩墙当作一段弹性嵌固另一端简支的梁来研究。由其简化可知，在计算时将土压力零点位置作为弯矩零点所在的位置，从而在压力零点位置处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。当进行多支撑的支挡结构设计时，一般可当作刚性支撑的连续梁计算，其计算原理和等值梁法相同，此时等值梁法可以分成整体等值梁法和分段等值梁法。所谓整体等值梁法就是把基坑底面下桩底土压力零点与桩顶之间的部分当作多跨连续梁，锚(支撑)点位置为连续梁的支点，采用结构力学中力矩分配法计算连续梁的方法计算支点反力；所谓分段等值梁法，就是基坑逐层开挖过程中支撑或拉锚力不变的等值梁法，这种方法应根据土方开挖和支撑或拉锚的设置顺序分段计算。在每一阶段，可将该阶段开挖面上的支撑(或拉锚)点和开挖面下的土压力零点之间的支挡结构作为简支梁对待，然后把计算出的支点反力保持不变，并作为外力计算下一段梁的支点反力。对于单支点结构，按《建筑基坑支护技术规程》计算出的支点力Tc1所采用的土压力图形是经典法土压力模型。由于人为设定桩身中主、被动土压力强度相等的那一点为转动支点，小于实际的转动支点。与实際转动支点的计算力矩对比，主动侧力矩相对偏小，相应的支点力Tc1必然偏小。从静力平衡角度来说，Tc1偏小，ΣEpc必然要增大，嵌固深度也就相应增大。按《规程》得出的嵌固深度实质上是绕桩底的抗倾覆稳定，但对内撑式支护来说，常见的破坏形式是“踢脚”破坏。采用偏小的Tc1参与计算所得出的嵌固深度必定偏大，安全度更能保证。在没有足够地区经验的情况下，可以采用等值梁法确定嵌固深度，安全度比较高。
2关于全量和增量法
在基坑施工的不同阶段，维护结构、支撑体系和土体形成的结构体系不断变化，土压力也随着开挖的进行而不断变化。增量法有别于传统的全量的方法，可以模拟基坑开挖的全过程。现将全量和增量法进行讨论比较。
2.1全量法。
全量法的计算假定有：①支锚点的侧向位移不可逆转，即每一工况计算的支锚点位移不能小于前一阶段计算结果，也不能出现反向位移；②回填阶段，地下室楼层位置作为支点，其位移保持不变。知外荷载是各施工阶段实际作用在墙体上的有效土压力或其他荷载，支承由支撑弹性作用和地层弹性作用组成。在支承处应输入设置支承前该点墙体已产生的水平位移，由此可以直接求得当前施工阶段完成后围护结构的实际位移和内力。适用于整个受力过程中墙体刚度不发生变化的情况。
2.2增量法。
外荷载相当于前一个施工阶段完成后的荷载增量，支承由支撑弹性作用和地层弹性作用组成。求得的围护结构位移和内力相当于前一个施工阶段完成后的增量，当墙体刚度不发生变化时，与前一个施工阶段完成后的墙体已产生的位移和内力叠加，可得到当前施工阶段完成后体系的实际位移和内力。整个受力过程中墙体刚度发生或不发生变化的情况都适用。每一步工况都只考虑当前工况新增的荷载，新增加的荷载包括：(1)开挖过程：荷载增量为主动侧土压力的增量、被动侧土体弹性作用由于开挖而造成的刚度损失以及主动侧土体弹性作用卸载后的土反力；支撑由支撑弹性作用和开挖面以下的土体弹性作用组成。(2)加撑过程：荷载增量为加在该支撑上的预加力，支承由其他支撑弹性作用、开挖面以下土体弹性作用以及主动侧土体弹性作用组成。(3)拆撑过程：荷载增量为与该支撑受力方向相反，大小相等的力。(4)加楼板（刚性铰）过程：没有荷载增量，但加刚性铰处的位移在以后的工况中将不再变化。实际上，挡土墙的受力过程是一个土、墙、支撑（或锚杆）的共同作用过程，墙体的内力与土性、墙体刚度、支撑（或锚杆）的刚度及开挖与支撑的过程是有关的。
3结束语
在城市高层建筑的深基坑施工工程中，应因地制宜，基坑围护方案应进行方案比较，加强优化设计，根据基坑周边环境特点选择支护方案。
参考文献：
［1］陈忠汉、黄书秩、程丽萍，深基坑工程，北京：机械工业出版社.
［2］金振，软土地区不同深基坑支护结构形式的分析比较［J］.施工技术，2006，35(2).