论文部分内容阅读
摘要：本文根据建筑深基坑工程的发展现状，着重介绍了目前我国主要采用的深基坑支护结构体系及其设计、施工等方面的特点。
关健词：深基坑支护；结构设计；施工
建筑深基坑工程不仅在造价上约占整个工程总造价的1/4一1/8，而且其重要性也是显而易见的，因此选择合理的支护型式，对保证建筑工程的安全及实现经济指标都是极其重要的。深基坑支护不仅要求确保边坡的稳定，而且要满足变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物、道路、地下管线等的安全。随着建筑工程的高速发展，深基坑支护结构日臻完善，出现了许多新的支护结构型式和稳定边坡的方法。
一、深基坑工程支护结构型式
根据不同地质条件、基坑深度及经济合理性等因素考虑，目前我国主要采用有以下深基坑支护结构体系。
1.水泥土搅拌桩
水泥土搅拌桩一般认为是我国目前5米以内深基坑的首选支护型式。该技术既能挡土又能挡水，适用于多种地质条件。它有多种布置型式:实体式、空腹式、格构式、拱型或拱型加钻孔灌注桩，既可以粉喷也可以浆喷。
2.钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩
对于5～10米深软土基坑，常采用钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩等技术。如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕，有时也用H型钢桩或钢板桩。
1.土打墙
土钉墙一般10米以内的深基坑采用比较多。该技术既可以单独使用，也可以与其它支护型式联合使用。土钉是一种原位土加筋和强化技术，是在20世纪50年代的土层锚杆技术和60年代的加筋土挡墙技术的基础上发展起来的。1980年我国在山西柳弯煤矿的边坡稳定工程中首次应用了土钉墙技术，经过大量的工程实践和研究，取得了丰富经验。
主要缺点有:施工时会对地下管道等设施产生干扰;对于软土、无粘结松散砂土以及在地下水丰富的情况下采用，有一定难度;在软土中造价较高;作为永久性结构时，需专门考虑锈蚀等耐久性问题。
2.描杆技术
锚杆技术以其能为基坑开挖提供较广阔的空间优势，在我国应用广泛。通过对其施工工艺、材料选用，乃至拔除方法等的深入研究，先后采取了二次注浆、干成孔注浆等技术，促进了该技术在饱和软土中推广应用。近年施工有许多成功的实例。
3.地下连续墙
基坑深度大于10米时，较多地采用。国外及港台地区常倾向于采用地下连续墙技术，该技术在大深度基坑和复杂的工程环境下有优良表现，但造价较高，经济性不佳。
以地下连续墙为挡土墙兼作地下室外墙，采用逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间，改善支护结构受力性能，使其刚度大为增强，节省支撑或锚杆的费用，使支护结构的变形及对相邻建筑物的影响大为减少，从而使总造价降低，一举多得，是一种先进的施工作业方法。
4.目前较新的支护结构
主要有“闭合(或非闭合)挡土拱圈”、“拱形水泥土槽壁结构”、“连拱式支护结构”、“桩一一拱围护体系”等。
“闭合挡土拱圈”用钢筋混凝土就地灌筑，适合于基坑周边场地允许挡墙在水平向起拱之处。拱圈可由几条二次曲线组成(曲线不连续)，也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈(曲线连续)。作用在拱圈上的土压力大部分在拱圈内自身平衡。
当基坑周边局部因场地限制而不能采用闭合拱圈时，可采用“非闭合拱圈”，而局部采用排桩或其他支护结构，组成混合型支护体系。
二、深墓坑工程支护结构设计
1.支护结构强度和变形分析与计算的基本方法
深基坑工程支护结构强度和变形的分析计算基本方法可总结为三类，即极限平衡法、土抗力法和有限元分析法。
1)极限平衡法
极限平衡法在基坑支护设计发展早期一直被广泛应用，且仍是目前我国相关设计人员最熟悉的基坑支护设计计算方法之一。由于它具有计算简便，可以手算，且在目前情况下即使应用弹性地基反力法计算支护结构内力，其嵌固深度还是要用极限平衡法确定;
2)土抗力法
土抗力法又称为基床系数法或地基反力法。
土抗力法在横向受荷桩的分析中被广泛应用。按地基反力的不同假设，主要有极限地基反力法、弹性地基反力法(包括线性弹性地基反力法和非线性弹性地基反力法)和复合地基反力法(P-Y曲线法)三种。它们不同程度地考虑了桩与土之间的共同作用。目前应用最多的是假定地基反力系数为深度的线性函数的线性弹性地基反力法。
基坑支护设计土抗力法是在横向受荷桩分析方法的基础上改进发展而来的。早期由于受计算技术的限制，对实际情况作了很大的简化，以便可以用解析方法求解。例如日本的“山肩邦南法”、“弹性法”和“弹塑性法”等，它们都假定围护墙后作用己知的主动土压力“山肩邦南法”和“弹塑性法”将开挖面以下墙前的土体分成塑性区和弹性区;“弹性法”则假定开挖面以下的土体均为弹性区。
3)有限元分析法
采用的土体本构模型有线性弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型等有二维和三维有限元两种分析方法。
二维有限元分析法是把空间形式的基坑结构体系用竖直面和水平面来代替，分别采用弹性杆系有限元分析求解这两个平面，将分析结果加以综合，便得到关于基坑支护结构体系的整体认识和分析结果。
三维有限元分析法取一定范围为求解域，土体和围护墙一般采用六面体八节点等参元;空间接触单元可取由四根线段组成的固体单元;支撑(或锚杆)构件取为空间杆单元，对基坑空间结构体系进行整体分析求解。
2.深基坑稳定性验算
对深基坑进行全面稳定性的分析，是基坑工程设计的重要环节之一。目前，对深基坑稳定性主要作如下验算:
1)围护墙踢脚稳定性验算
主要验算最下道支撑(或锚杆)以下作用在围护墙上的主、被动水土压力绕最下道支撑支点的转动力矩是否平衡。一般采用极限平衡法计算。入土深度较大时，在反弯点至围护墙底端可考虑反弯点以下土的约束作用。
2)坑底和四周渗流穗定性验算
在饱和土中开挖基坑常用排桩式围护墙(加设止水帷幕)或地下连续墙等封闭式支护。由于地下水位很高，在围护墙周围流网的流线和等势线非常集中，可能会造成基坑侧壁和底部的渗流破坏，需进行渗流稳定性验算.渗流验算按平面渗流计算图式，坑底常按平面底板渗流计算，侧壁可按闸坝地基渗流计算。
3.深基坑开挖中的变形验算
基坑支护在过去往往是作为地下结构施筑的一种施工措施，设计常常由施工单位来做，通常按强度和稳定性进行验算，以不倒、不漏能满足地下结构施工要求为目的。下面仅就与基坑开挖有关的变形验算作简要介绍。
1)回弹和抗隆起验算
深基坑开挖工程几乎都会有不同程度的回弹，有的工程在施工中基坑失去稳定，在失稳前会发生较大的隆起。因此，研究由于基坑开挖而引起的回弹和隆起，及其与基坑最后失稳的内在联系已成为基坑工程重要的研究课题之一。通过实验提出了确定割线膨胀模量及割线压缩模量的方法，进而提出了计算回弹和隆起的三种方法，即实用计算法、经验公式法和有限单元法。它们较适合沿海软土地区不同的工程类型。
2)基坑周围变形预估
严格的计算应采用有限元等数值方法对基坑周围地基土的应力应变和强度进行分析，但这种分析十分困难。目前一般是根据围护墙的变形来预估基坑周围的地基变形。这是建立在对基坑周围地基变形观测资料统计归纳基础上的经验性方法。
三、深基坑工程支护结构施工
1.对地质勘察提出了更高的要求
深基坑工程的内容扩展到了必须考虑基坑变形影响所及的周边范围，而不仅足局限于支护基坑本身。为此，在设计、施上前做好对基坑以外周边地区的地质勘察尤其关键。对于深大基坑，应按预估基坑周围下卧层位移的需要而确定勘察深度。
2、对开挖施工工艺的组织与管理要求更为严格
研究发现，在基坑开挖施上(包括支撑设置过程)同支护结构及坑周土体位移之间，存在着一定的相关性。科學地安排土方开挖施上顺序和控制施上进度，将有助于控制挡端和坑周土体的位移。
3.对基坑工程的综合监测有待完善
对深人基坑监测手段常采用水准仪、经纬仪、测斜仪、分层沉降仪、土扭力盒、孔隙水扭力仪、水位观测仪、钢筋应力计等。在实际上作中，以水准仪量端顶和地面位移以及以测斜仪量测端体和土体深层位移较为可行而且特别重要。其他监测手段常被用来进行综合分析。
关健词：深基坑支护；结构设计；施工
建筑深基坑工程不仅在造价上约占整个工程总造价的1/4一1/8，而且其重要性也是显而易见的，因此选择合理的支护型式，对保证建筑工程的安全及实现经济指标都是极其重要的。深基坑支护不仅要求确保边坡的稳定，而且要满足变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物、道路、地下管线等的安全。随着建筑工程的高速发展，深基坑支护结构日臻完善，出现了许多新的支护结构型式和稳定边坡的方法。
一、深基坑工程支护结构型式
根据不同地质条件、基坑深度及经济合理性等因素考虑，目前我国主要采用有以下深基坑支护结构体系。
1.水泥土搅拌桩
水泥土搅拌桩一般认为是我国目前5米以内深基坑的首选支护型式。该技术既能挡土又能挡水，适用于多种地质条件。它有多种布置型式:实体式、空腹式、格构式、拱型或拱型加钻孔灌注桩，既可以粉喷也可以浆喷。
2.钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩
对于5～10米深软土基坑，常采用钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩等技术。如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕，有时也用H型钢桩或钢板桩。
1.土打墙
土钉墙一般10米以内的深基坑采用比较多。该技术既可以单独使用，也可以与其它支护型式联合使用。土钉是一种原位土加筋和强化技术，是在20世纪50年代的土层锚杆技术和60年代的加筋土挡墙技术的基础上发展起来的。1980年我国在山西柳弯煤矿的边坡稳定工程中首次应用了土钉墙技术，经过大量的工程实践和研究，取得了丰富经验。
主要缺点有:施工时会对地下管道等设施产生干扰;对于软土、无粘结松散砂土以及在地下水丰富的情况下采用，有一定难度;在软土中造价较高;作为永久性结构时，需专门考虑锈蚀等耐久性问题。
2.描杆技术
锚杆技术以其能为基坑开挖提供较广阔的空间优势，在我国应用广泛。通过对其施工工艺、材料选用，乃至拔除方法等的深入研究，先后采取了二次注浆、干成孔注浆等技术，促进了该技术在饱和软土中推广应用。近年施工有许多成功的实例。
3.地下连续墙
基坑深度大于10米时，较多地采用。国外及港台地区常倾向于采用地下连续墙技术，该技术在大深度基坑和复杂的工程环境下有优良表现，但造价较高，经济性不佳。
以地下连续墙为挡土墙兼作地下室外墙，采用逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间，改善支护结构受力性能，使其刚度大为增强，节省支撑或锚杆的费用，使支护结构的变形及对相邻建筑物的影响大为减少，从而使总造价降低，一举多得，是一种先进的施工作业方法。
4.目前较新的支护结构
主要有“闭合(或非闭合)挡土拱圈”、“拱形水泥土槽壁结构”、“连拱式支护结构”、“桩一一拱围护体系”等。
“闭合挡土拱圈”用钢筋混凝土就地灌筑，适合于基坑周边场地允许挡墙在水平向起拱之处。拱圈可由几条二次曲线组成(曲线不连续)，也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈(曲线连续)。作用在拱圈上的土压力大部分在拱圈内自身平衡。
当基坑周边局部因场地限制而不能采用闭合拱圈时，可采用“非闭合拱圈”，而局部采用排桩或其他支护结构，组成混合型支护体系。
二、深墓坑工程支护结构设计
1.支护结构强度和变形分析与计算的基本方法
深基坑工程支护结构强度和变形的分析计算基本方法可总结为三类，即极限平衡法、土抗力法和有限元分析法。
1)极限平衡法
极限平衡法在基坑支护设计发展早期一直被广泛应用，且仍是目前我国相关设计人员最熟悉的基坑支护设计计算方法之一。由于它具有计算简便，可以手算，且在目前情况下即使应用弹性地基反力法计算支护结构内力，其嵌固深度还是要用极限平衡法确定;
2)土抗力法
土抗力法又称为基床系数法或地基反力法。
土抗力法在横向受荷桩的分析中被广泛应用。按地基反力的不同假设，主要有极限地基反力法、弹性地基反力法(包括线性弹性地基反力法和非线性弹性地基反力法)和复合地基反力法(P-Y曲线法)三种。它们不同程度地考虑了桩与土之间的共同作用。目前应用最多的是假定地基反力系数为深度的线性函数的线性弹性地基反力法。
基坑支护设计土抗力法是在横向受荷桩分析方法的基础上改进发展而来的。早期由于受计算技术的限制，对实际情况作了很大的简化，以便可以用解析方法求解。例如日本的“山肩邦南法”、“弹性法”和“弹塑性法”等，它们都假定围护墙后作用己知的主动土压力“山肩邦南法”和“弹塑性法”将开挖面以下墙前的土体分成塑性区和弹性区;“弹性法”则假定开挖面以下的土体均为弹性区。
3)有限元分析法
采用的土体本构模型有线性弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型等有二维和三维有限元两种分析方法。
二维有限元分析法是把空间形式的基坑结构体系用竖直面和水平面来代替，分别采用弹性杆系有限元分析求解这两个平面，将分析结果加以综合，便得到关于基坑支护结构体系的整体认识和分析结果。
三维有限元分析法取一定范围为求解域，土体和围护墙一般采用六面体八节点等参元;空间接触单元可取由四根线段组成的固体单元;支撑(或锚杆)构件取为空间杆单元，对基坑空间结构体系进行整体分析求解。
2.深基坑稳定性验算
对深基坑进行全面稳定性的分析，是基坑工程设计的重要环节之一。目前，对深基坑稳定性主要作如下验算:
1)围护墙踢脚稳定性验算
主要验算最下道支撑(或锚杆)以下作用在围护墙上的主、被动水土压力绕最下道支撑支点的转动力矩是否平衡。一般采用极限平衡法计算。入土深度较大时，在反弯点至围护墙底端可考虑反弯点以下土的约束作用。
2)坑底和四周渗流穗定性验算
在饱和土中开挖基坑常用排桩式围护墙(加设止水帷幕)或地下连续墙等封闭式支护。由于地下水位很高，在围护墙周围流网的流线和等势线非常集中，可能会造成基坑侧壁和底部的渗流破坏，需进行渗流稳定性验算.渗流验算按平面渗流计算图式，坑底常按平面底板渗流计算，侧壁可按闸坝地基渗流计算。
3.深基坑开挖中的变形验算
基坑支护在过去往往是作为地下结构施筑的一种施工措施，设计常常由施工单位来做，通常按强度和稳定性进行验算，以不倒、不漏能满足地下结构施工要求为目的。下面仅就与基坑开挖有关的变形验算作简要介绍。
1)回弹和抗隆起验算
深基坑开挖工程几乎都会有不同程度的回弹，有的工程在施工中基坑失去稳定，在失稳前会发生较大的隆起。因此，研究由于基坑开挖而引起的回弹和隆起，及其与基坑最后失稳的内在联系已成为基坑工程重要的研究课题之一。通过实验提出了确定割线膨胀模量及割线压缩模量的方法，进而提出了计算回弹和隆起的三种方法，即实用计算法、经验公式法和有限单元法。它们较适合沿海软土地区不同的工程类型。
2)基坑周围变形预估
严格的计算应采用有限元等数值方法对基坑周围地基土的应力应变和强度进行分析，但这种分析十分困难。目前一般是根据围护墙的变形来预估基坑周围的地基变形。这是建立在对基坑周围地基变形观测资料统计归纳基础上的经验性方法。
三、深基坑工程支护结构施工
1.对地质勘察提出了更高的要求
深基坑工程的内容扩展到了必须考虑基坑变形影响所及的周边范围，而不仅足局限于支护基坑本身。为此，在设计、施上前做好对基坑以外周边地区的地质勘察尤其关键。对于深大基坑，应按预估基坑周围下卧层位移的需要而确定勘察深度。
2、对开挖施工工艺的组织与管理要求更为严格
研究发现，在基坑开挖施上(包括支撑设置过程)同支护结构及坑周土体位移之间，存在着一定的相关性。科學地安排土方开挖施上顺序和控制施上进度，将有助于控制挡端和坑周土体的位移。
3.对基坑工程的综合监测有待完善
对深人基坑监测手段常采用水准仪、经纬仪、测斜仪、分层沉降仪、土扭力盒、孔隙水扭力仪、水位观测仪、钢筋应力计等。在实际上作中，以水准仪量端顶和地面位移以及以测斜仪量测端体和土体深层位移较为可行而且特别重要。其他监测手段常被用来进行综合分析。