■刘冀

（中化地质矿山总局湖南地质勘查院 湖南长沙 410004）

基坑支护设计计算及方案探讨

■刘冀

（中化地质矿山总局湖南地质勘查院 湖南长沙 410004）

随着我国经济建设的飞速发展和人们生活水平不断的提高，多层建筑及高层建筑等工程的施工都要进行深基坑工程。基坑工程具有难度大、投资大、风险大等特点，深基坑支护结构的优化设计关系到支护工程的安全和投资这两方面的根本问题。本文主要对深基坑支护设计原则和计算方法进行了相关探讨，并最后对几种常用的基坑支护体系做了简单论述。

基坑支护设计计算方法方案

1 深基坑支护的设计要求

基坑工程设计和施工总的要求就是要做到设计先进、经济合理、施工方便、安全可靠。基坑支护作为一个结构体系，应满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护产生失稳，而在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。

2 基坑支护设计计算方法

计算板桩墙的常用方法，主要有自由端支撑法（静力平衡法）、弹性线法、等值梁法，后来又提出1/2分割法，矩形荷载经验法，太沙基法，均适用于基坑围护结构计算。下面将详细介绍静力平衡法、等值梁法以及土压力的计算理论。

2.1 静力平衡法

假定支护结构是刚性的，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不同。当单位宽度板（桩）墙处于稳定，相应的板（桩）入土深度即为板桩保证其稳定性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（∑H=0）和对桩底截面的力矩平衡方程（∑M=0）联解求得。图1为单撑（锚）支护结构的内力计算简图。整个支护结构是稳定的，故作用在挡土结构上的Ra、Ea、Ep三力必须平衡。图中Ra为支撑（锚）力；Ea为主动土压力；Ep为被动土压力；q。为地面均布荷载。

图1 底部自由支承单撑（锚）支护结构计算

根据力的平衡条件可以得到：

根据对支撑（锚）位置的力矩平衡条件可以得到：

由以上两个方程可以得到关于入土深度t的三次方程，当主、被动土压力都确定后，入土深度只随撑（锚）位置ho而改变，调整ho可以调整入土深度，关系是：ho增大，t减小；反之增大。从而可以达到调整桩长的目的。同时桩中的最大弯矩也是ho的函数，当ho从小到大增大时，桩中的最大弯矩是先小后增大，它有一个最小值，取此值进行桩径设计可以使桩径最小。

2.2 等值梁法

桩入坑底土内有弹性嵌固（铰结）与固定两种，当作一端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被动土压力，如图2所示。在计算过程中所要求得出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。

单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩如图2所示，若在得出此弯矩图前己知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将梁（即桩）断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整体梁计算时一样，此段梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算，这种简化计算就称为等值梁法。

2.3 深基坑支护的土压力计算

2.3.1 土压力计算理论及方法

在深入分析研究大量实测土压力试验结果后，总结出以下几个方面：

①根据实测结果，在变形低于5%H（H为开挖深度）时，仍然可以充分发挥被动土压力，因此，对于深基坑工程的实际变形情况来讲，借助一些经验的位移指标来对墙前土体是否达到被动极限状态加以判断，是有局限性的；

②试验结果证明了太沙基理论的定性结论，土压力大小由位移的大小和位移方向决定；

③许多在粘性土上的基坑支护工程，没有完全发挥护坡桩钢筋强度，与钢筋的设计强度相比实际钢筋应力较低，产生浪费，而导致钢筋应力低的主要原因是计算土压力大于实际土压力。

2.3.2 水土压力的合算与分算

根据有效应力原理，就饱和土而言，有效应力与孔隙水压力组成总应力。土中孔隙水无强度，土颗粒骨架有一定强度，承受并传递有效应力，故被动土压力系数必大于1.0，主动土压力系数必小于1.0。基于这个概念，在进行水土压力计算时，可知相较于“土、水压力合算”，“土、水压力分算”概念要清楚。但因为要测得有效应力强度指标，难以做好一般试验，并且水、土压合算法在一些软粘土地区

的临时性开挖工程中土压力计算值较为符合实测值。

3 深基坑支护的设计思路

对于一个深基坑支护结构的设计，要根据拟建工程水文地质条件、设计经验及技术条件，综合考虑国家的经济及法律规定、工期要去、造价要求等来选择最佳设计方案。设计首先应是概念设计，重点在于可行性方案的筛选与优化，对支护结构方案的选择和优化可按以下步骤进行：

（1）对于深基坑不是特别大时，应首先考虑悬臂式支护结构，该结构主要利用基坑地面以下土体提供的土压力来维持支护体系平衡，主要结构形式为桩排支护结构和地下连续墙两类。但深基坑的设计时，一般不考虑悬臂式板桩支挡。如果考虑采用也应当对悬臂式支护结构增加内支撑的方法，使之形成混合式支护结构，支撑形式常采用锚杆拉接或内支撑形式。

（2）设计时应充分考虑地下水的影响，它直接关系到设计方案的成败，如基坑土层为渗透系数较高的粉砂、圆砾等土层时，井点降水法是一种经济有效的方法。采用该法不仅可使基坑处于干燥状态而便于施工，还可显著改善土层的物理力学性质，有效减少支护结构的内力和变形，从而可达到节约和安全的目的。有时为了减小降水引起的地面附加沉降或对邻近建（构）筑物造成影响，还可采用井点回灌技术。当底层为渗透系数较小的粘性土、淤泥等土层时，可采用深层搅拌桩和高压旋喷注浆形成止水帷幕。总之，不同的支护结构适应于不同的水文地质条件，因此，应因地制宜选择经济适用的方案。

4 常用基坑支护体系

在基坑支护中，根据工程水文地质及工程安全等级、周围环境等各方面的要求，通常会对以下几种支护方式进行具体的分析，从而选出最适合于本工程施工的一种支护方式。

4.1 悬臂式围护结构

悬臂式围护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构安全。悬臂结构所受土压力分布是开挖深度的一次函数，其剪力是深度的二次函数，弯矩是深度的三次函数，水平位移是深度的五次函数。悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大变形，对相邻的建筑物产生不良的影响。悬臂式围护结构适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。

4.2 水泥土重力式围护结构

水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定，深层搅拌水泥土桩重力式围护结构，常用于软粘土地区开挖深度约在6.0m以内的基坑工程，水泥土的抗拉强度低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程。

4.3 土钉墙围护结构

土钉墙围护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙，起到挡土作用。土钉墙围护适用于地下水位以上或者人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等；不适用于淤泥质及未经降水处理地下水以下的土层地基中基坑围护。土钉墙围护基坑深度一般不超过18m，使用期限不超过18月。

4.4 内撑式围护结构

内撑式围护由围护体系和内撑体系两部分组成，围护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。当基坑开挖平面面积很大而开挖深度不太大时，宜采用单层支撑。内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管（或型钢）支撑两种。内撑式围护结构适用范围广，可适用于各种土层和基坑深度。

4.5 槽钢钢板桩

槽钢钢板桩是一种简易的钢板校园护墙，由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6—8m，型号由计算确定。打人地下后顶部近地面处设一道拉锚或支撑。由于搭接处不严密，一般不能完全止水。如地下水位高，需要时可用轻型井点降低地下水位。一般只用于一些小型工程。钢板桩的优点是材料质量可靠，在软土地区打设方便，施工速度快而且简便；有一定的挡水能力，可多次重复使用；一般费用较低。其缺点是一般的钢板桩刚度不够大，用于较深的基坑时支撑（或拉锚）工作量大，否则变形较大；在透水性较好的土层中不能完全挡水；拔除时易带土，如处理不当会引起土层移动，可能危害周围的环境。由于其截面抗弯能力弱，一般用于深度不超过4m的基坑。

4.6 地下连续墙

地下连续墙是于基坑开挖之前，用特殊挖槽设备、在泥浆护壁之下开挖深槽，然后下钢筋笼浇筑混凝土形成的地下土中的混凝土墙。地下连续墙用作围护墙有下述优点：①施工时振动少、噪声低，可减少对周围环境的影响，能紧邻建筑物和地下管线施②地下连续墙刚度大、整体性好、变形相对较小，可用于深基坑；③地下连续墙为连续整体结构，施工时处理好接头部怔，能有较好的抗渗止水作用；地下连续墙有如下的缺点：如单独用作围护堵成本较高；施工时需泥浆护壁，泥浆要妥善处理，否则影响环境。当基坑深度大，周围环境复杂井要求严格时，往往首先考虑采用。

5 深基坑支护设计注意问题分析

（1）充分利用新技术、新理念，具体事物具体分析，不要生搬硬套传统的设计理念。在现今的深基坑支护结构的设计领域，还没有公认的、权威的的计算公式，基本上都是摸着石头过河。深基坑支护结构的设计要区别其他设计领域，要改变传统观念，利用施工监测反馈动的态信息指引设计体系。

（2）重视支护结构理论和材料的试验研究。实践是检验真理的唯一标准。正确的理论必须建立在大量试验研究的基础之上。在深基坑支护结构的实验方面，我国与发达国家有较大距离，还有大量的路要走。不过，我国由于经济的飞速发展，大量高层超高层建筑拔地而起，所以积累了拥有大量的第一手施工数据，但缺少科学的测试数据，无法形成理论，我们以后一定要重视。

（3）勇于创新，设计支护结构时，开拓思路，多进行新的尝试。在施工中深基坑支护结构各元素往往是相互结合的，各结构相互结合，这就要求我们从全局出发，寻求新的设计思路，探索更好的计算方法。

6 结语

大型基坑、形状不规则的深基坑，最好采用钢筋混凝土支撑体系；通常第一道支撑是钢筋混凝土支撑，为了加快施工进度，可以考虑第一道支撑采用钢结构支撑。在可选方案较多的情况下，基坑支护方案的优选对于周边环境的安全以及施工中技术和经济投入的影响都是非常巨大的，这就要求工程人员根据实际条件、结合工程经验，有的放矢地选择不同的基坑支护方案，对各种可能的支护方案进行比较和优化，寻求安全可靠和经济效益的最佳交点。

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TV551.4[文献码]B

1000-405X（2015）-10-363-2