深基坑支护结构设计的优化方法分析

深基坑支护结构设计的优化方法分析

潘旸张贵江陆春雷

潘旸张贵江陆春雷

浙江省二建建设集团有限公司浙江宁波315200

摘要：高层建筑已成我国建筑行业的最新发展趋势，与此同时地下空间的利用也已逐步成为建筑行业的关注热点，深基坑工程在此种背景下日益活跃。随着地下空间开发力度的加大，基坑的深度也越来越深，大大增加了支护结构的设计难度。为提升深基坑的支护效果，本文以深基坑支护在我国的发展现状入手，分析当前深基坑支护结构存在的问题与发展趋势，以此为切入点提出深基坑支护结构的优化设计法。

关键词：深基坑；支护结构；优化

深基坑工程主要为地下工程，随着基坑深度的加大，设计出科学高效的支护结构就显得尤为必要。科学的支护结构不但要满足支护要求，还需在此基础上尽量降低造价，实现经济性、稳固性、可行性【1】。以下本文就从深基坑支护在我国的发展现状出发，分析当前深基坑支护结构存在的问题与发展趋势，在此基础上提出深基坑支护结构的优化设计法，具体如下。

一、深基坑支护结构工程在我国的现状

支护结构的设计与施工都需要建立在长期的施工经验基础上进行不断完善，在改革开放的带动下，建筑业实现了飞速发展。建筑密度增大，用地趋于紧张，建筑高度升高的同时，地下空间的开发力度不断加大【2】。此种背景也为设计与施工带来了更大难度，为确保建筑的稳固性，深基坑支护的设计难度也随之相应增加，使得深基坑支护已成为当前建筑行业不得不面对的全新课题。

二.影响深基坑支护结构支护质量的问题

（一）地质条件问题

城市中的大型建筑工程虽然工程难度并不小于核电站及水电站等基础设施，但这些基础设置必须保证在优越的地形地质中开展工程，但城市大型建筑却只能以城市规划为选址的主要标准，因此导致很多城市大型建筑工程的地质情况不够理想，加大深基坑支护结构的设计难度。

（二）深基坑支护结构易受周围来自环境的影响

城市加快发展，用地面积趋于紧张，使得中大型建筑的周围环境较为复杂，具有较大的不确定性与多样性。经常会出现如深基坑施工周边有正建或刚建的重要城市建筑等情况【3】。这些不确定性都会对支护结构的可靠性造成影响，且深基坑施工也会对周边的建筑带来安全隐患。

（三）深基坑支护结构的计算复杂

深基坑支护工程是一项大型且复杂的工程，主要在地下进行施工，而土壤性质对支护结构的稳定性有着重要影响，而地下土壤的性质无法以地上的常规方式进行准确测定，使得工程设计在地下实际操作过程中，可能存在各类突发问题。同时当前支护结构的相关理论也不够完善，使得不同地质条件下进行施工时所采用的计算方法也存在差异，而这些计算问题都很大程度会影响支护结构的设计效果。

三.深基坑支护结构的优化设计法

（一）深基坑结构优化方案的设计原则

为保证支护结构的稳定性，优化方案需要确保支护结构在施工过程中不会出现极限状态，因此优化设计原则必须以控制施工中的极限状态为主要方向，常见的深基坑支护结构的极限状态主要有以下几种：

1.支护结构的承载能力升至最大值，或是深基坑的支护结构失稳，从而造成土壤地或支护结构的变形及破坏【4】。此种极限状态属于承载能力所致。

2.支护结构在极限状态下会对基坑周边环境造成破坏，如果不及时采取措施，可能会造成严重后果。因此支护结构的设计在保证结构稳定性的同时，还要确保不会周边环境以及建筑设施造成影响。

（二）深基坑支护结构的优化设计流程

在支护结构设计前，先要对建筑的总平面设计规划、基坑范围、深度、工程质量、施工要求、操作技术规范等进行收集【5】。并根据资料分析建筑概况、周边交通环境、管线及交通等情况，根据施工经验，制定符合主体结构要求的施工方案，并结合当地的岩土参数、压力参数等进行科学计算，并备选多个设计方案，经综合评价，选取最佳设计方案。

（三）支护结构的侧向土压力计算

土压力是支护结构设计中的重要计算参数，当前我国普遍采用朗肯土压力理论，且假定支护结构是竖直的，土压力的作用方向水平，墙背光滑，不计土体对支护体的摩阻力。朗肯土压力理论用到支护结构计算上时，由于该理论的主动土压力和被动力土压力是建立在极限平衡状态概念的基础上。在实际工程中，由于支护结构常常不允许产生达到被动极限平衡状态时所需要的位移，实际的被动土压力一般均低于被动极限值【6】。因此，在进行支护结构计算时，用朗肯土压力理论计算所得到的被动土压力是偏大的，使用时需要折减。折减系数的取值与被动区上体的土质和支护结构的型式密切相关，应根据被动区土体的土质和支护结构型式，以及对支护结构位移限制的程度，采用不同的折减系数。

（四）以H.Blum理论计算悬臂式板桩墙支护结构

悬臂式板桩墙支护结构的内力计算，目前多用H.Blum理论来求解。此理论假定坑底出现的被动土压力近似地发生在弯点下面，并在这部分阻力的中心处（C点）用一个反力Rc来代替，支护桩插入深度t0用X来表示，它必须满足围绕C点使∑Hc=0的条件。由于土的阻力是向板桩方向逐渐增加，使用∑Hc=0的等式时会得到一个较小的插入深度，H.Blum建议计算所得的X增加20%，即插入深度t0=u+1.2X。

（五）土水压力的计算

长期以来，在对深基坑侧上压力进行计算时，都是以朗肯理论和库仑理论为基础，但这两种理论在使用过程中都存在着一些缺陷，如围护墙达不到理论中的假设条件，同时还围护墙的变形也缺乏考虑，理论中的计算依据缺乏科学性。实际开挖的深入越大，则会导致围护墙的变形和上压力也会随着发生变化。而且理论计算方法中，对于深基坑周围存在的水位差和渗流效应缺乏考虑，这就导致计算出来的土水压力值的准确性会与实际值之间存在着一定的差距。所以在进行土水压力时，需要考虑周全，不仅要对土体的应力状况和路径进行考虑，同时还要对孔隙水压力和边界条件等进行充分的考虑。确保理论计算值与实际值之间相符合。

【结束语】

当前我国处在发展建设的关键阶段，建筑密度增大，用地趋于紧张，建筑高度升高的同时，地下空间的开发力度不断加大。此种背景也为设计与施工带来了更大难度，为确保建筑的稳固性，深基坑支护的设计难度也随之相应增加，综上所述，首先从深基坑支护在我国的发展现状出发，分别从地质条件问题、环境影响问题、计算问题等方面分析了影响深基坑支护结构支护质量的主要因素，最后从以上因素出发，从设计原则、设计流程以及相关的计算方法等方面提出了支护结构的优化设计方法，希望能为相关人士提供些许参考。

参考文献：

[1]田娇，王晓艳，蔡永昌.无锡地铁深基坑支护结构受力变形特性研究[J].地下空间与工程学报，2011，06：1065-1071.

[2]陈希，徐伟，段朝静.双圆环形超深基坑支护结构的数值模拟与监测分析[J].同济大学学报（自然科学版），2012，02：179-185.

[3]周传波，蒋楠，刘文进.武汉地铁站深基坑支护结构参数优化系统研究[J].地下空间与工程学报，2012，06：1267-1275.

[4]帅红岩，陈少平，曾执.深基坑支护结构变形特征的数值模拟分析[J].岩土工程学报，2014，S2：374-380.

[5]郑杰明，谢玖琪，杨平，张中.深基坑开挖支护结构水平变形对地表沉降影响的数值模拟[J].现代隧道技术，2013，02：102-108.

[6]朱占国，赵文，李慎刚，纪新博，唐志扬.地铁深基坑支护结构计算方法研究[J].地下空间与工程学报，2013，05：1109-1114.