深基坑支护设计分析

随着经济的飞速发展，城市的土地资源越来越有限，人们纷纷把目光投向地下空间。高层、超高层建筑以及地下工程层出不穷，伴随而来的深基坑稳定性也成了需要重视的问题。近些年来，由基坑失稳引起的工程事故屡见不鲜，支护结构的设计与施工有待进一步发展。鉴于深基坑工程自身的复杂性，加上没有一套科学完备的基坑支护设计理论体系来指导，现如今工程上普遍采用的仍是半理论半经验的计算模式，这也必然会导致设计与实际情况往往出入较大。科学合理的支护设计无疑会对基坑工程的安全起到有效的控制，这也是当前学术界和工程界迫切需要解决的课题。
1土压力计算方法
1．1经典土压力理论
朗肯土压力法和库伦土压力法是经典土压力算法。1857年，朗肯提出了朗肯土压力理论，他在挡土墙周围土中取一点，假设其处于极限平衡状态，并对其进行应力分析，从而计算出作用在挡土墙上的主、被动土压力的分布与大小［1］。朗肯土压力理论假设墙顶土面水平、墙背竖直，且墙与土体之间的接触面光滑。而实际上挡土墙背与土体之间是存在摩擦的，这就会导致剪应力的出现，这种情况下会导致得出较大的主动土压力和较小的被动土压力，总的来说是偏于安全的。库伦从挡土墙后一滑动楔形体入手，假设其处于极限平衡状态并加以研究，从而提出了库伦土压力理论。库伦土压力假设土体均质且各向同性，土体的破坏滑动面为一平面，楔形体为刚体，只发生平移或转动，而实际上破坏面是曲面，破坏的土楔形也会发生变形等。大量实测资料表明，经典土压力理论所计算出的土压力与实际土压力存在着一定偏差。
1．2经典土压力上的改进
朗肯土压力计算方法和库伦土压力计算方法都是在极限平衡条件下得出的，但实际上，由于深基坑周围的高层建筑对支护位移有着严格的要求，现实中的位移往往达不到经典土压力理论所需的位移，这时就需要考虑支护位移对土压力计算的影响。针对位移对土压力计算的影响，也有研究者进行了监测与研究，姚国圣［2］基于现场监测的数据，在原有的土压力计算模型上，引入了支护上某点和土中某点的两个位移量，并在工程实例中印证了新的计算模型的可靠性;杨永新等［3］引入主动土压力折减系数来考虑土体位移对土压力计算的影响，并与基坑实例对比分析;曹净等［4］充分考虑到支护变形与土的变形协调条件，针对支撑式挡土支护结构提出了新的土压力计算方法;王文杰等［5］从有限土体的土压力计算入手，研究相邻基坑之间土的土压力，简单地推导出计算方式并进行了分析论证;吴刚等［6］认为坑壁之间的夹角对土压力的计算会产生一定影响，但具体的影响机理还需要进一步研究。由于土这种材料的特殊性，已经有很多学者从时空效应的角度来考虑土压力的计算。张燕凯等［7］考虑到土的蠕变性和次固结，在原本的土压力计算方法上做出了改善，并能有效地运用到实际工程中。邾祝融等［8］分别考虑时间和空间对土压力计算的影响模式，然后进行耦合，得出新的土压力计算模型，并和实际工程对比分析。陈子文［9］主要研究了土压力计算受时空效应影响的主要区域以及地下连续墙结构的水平变形。高文华等［10］编写了一个简单程序来修正时空效应对土压力的影响，为土的流变模型相关参数的选取提供了指导意义。
2支护结构设计
2．1支护结构计算方法
对于基坑支护结构设计，目前常用的有三类计算方法:极限平衡法、弹性抗力法及有限元法。极限平衡法虽然存在着诸多局限，但目前仍是我国基坑支护设计人员最熟悉的计算方法。极限平衡法假设支撑点为不动点，通过一些假设将超静定问题简化成静定问题，这无疑会使计算变得简单很多，但却与实际情况存在着明显差异。弹性抗力法把支护周边的土体看成是水平向的弹簧体，通过挠曲线近似方程来算出支护的剪力、弯矩及变形等［11］。其与实际情况是否相符通常由基床系数的选取有关，目前常用的是m法来计算，m为基床系数随深度增长的比例系数。近些年来，有限元法也被广泛应用，它能考虑一些较为复杂的问题，如土的分层分布、分层开挖及支护的逐次架设等，甚至连支护两侧土体对称与否也能模拟。从原理上来看，前两种方法存在的问题用有限元法可以得到解决，但土的本构模型及相关系数不易准确确定，所以现在有限元法一般用来辅助常规设计。
2．2支护结构的选择
支护体系由挡土结构和支撑拉结结构两部分组成，其中挡土结构又可以分为止水结构和透水结构［12］，止水挡土墙在基坑内设降水井，透水挡土墙则在基坑内外都设排水降水井，支撑拉结结构包括各式锚杆、钢管钢板水平撑以及斜撑等。支护结构类型的选择要考虑很多因素，主要受基坑的开挖深度、地下水位高度、边坡的设计坡度以及支护允许变形的影响，当然还需要考虑到周边环境和施工因素。不同类型的支护有着各自的作用，钢板桩适宜在开挖不是很深的软土、淤泥质土，具有一定挡水，且可重复使用，但钢板本身是柔性材料，在复杂的地下条件下容易变形，支护结构位移难以控制。H型钢适用于开挖深度在25m内的黏土、砂土，其施工简单，型钢可重复使用，但其止水性较差，且价格较高。地下连续墙具有众多优点，如止水性好，变形小，可作为永久结构，在目前基坑支护中被广泛使用，但其也具有造价高，遇到岩层施工困难等缺点［13］。还有很多其他类型的支护，比如灌注桩排桩支护、内撑式桩墙支护、组合式支护结构等。支护结构的种类很多，要在满足施工要求的前提下，尽量从保护环境、节约成本、方便施工等方面考虑，选择最优的支护类型［14］。赵寿刚等［15］把各种影响支护选择的因素按工程要求赋予不同的权，然后经过横向比对之后得分最高的即为最佳方案。何满潮等［16］通过神经元处理函数来对影响因素进行映射分析，通过大量的训练样本，来寻找到最优的支护方案。肖武权等［17］利用Matlab软件求得各影响因素所赋的最小值，然后根据优化算法找寻到最经济合理的方案。王翠英等［18］提出了信息化施工监测，实时监控各项数据并反复计各参数，不断调整，以达到优化的目的。
3展望
目前国内深基坑支护的设计计算和选取仍没有较为科学完善的指导，如何在满足工程需要的前提下尽量节约成本也是实际工程中所关注的重点，避免偏于保守设计而造成的浪费等都是我们现在需要解决的问题。随着计算机技术的发展，PLAXIS、ANASYS、MATLAB等有限元软件也被更多地运用到如今的基坑设计当中，但有限元软件分析也同样存在着参数不准确、土并非严格分层分布、土的本构模型难以选取等诸多问题。希望广大学者与工程实践人员总结经验、开拓创新，建立一套完备的基坑支护设计体系。
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