基坑支护结构理论小结

摘要：随着基坑支护技术的发展，基坑支护的要求日益增高越来越多的新型支护形式开始应用在基坑工程中。本文对基坑支护理论形式进行小结，以促进其在工程中的应用。

关键词：基坑支护；联合支护；计算方法

1引言

房屋建筑、市政工程或地下建筑物在施工时需开挖的地坑，即为基坑。为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水和土方开挖与回填，包括勘察、设计、施工和检测等，称为基坑工程。

随着我国城市人口的急剧增长，高层建筑、地铁项目的建设越来越多，基坑规模也越来越大，加上多数工程集中在城市的繁华核心地带，各种地下管线布置错综复杂，这样就给基坑工程的隔水、降水和开挖带来了很多问题。影响深基坑开挖的主要因素有岩土性质、地下水位和场地周边环境[1]。在基坑开挖过程中一要保证基坑的安全稳定，二要基坑的开挖不能影响周边建筑的安全和人民的生活和交通。

所以在基坑施工过程中要综合考虑整个工程的安全性、合理性、经济性，选用最合适的支护形式。同时还要施行信息化施工，通过监测技术，研究土体与支护结构的受力变形特点，通过信息反馈，及时修正施工方案中的不足，采取必要的措施，使整个工程顺利完成。

2基坑工程分类

基坑支护方法比较多，分类方法也有多种。从结构的受力特点划分，可分为以下三类[2]：

（1）被动受力支护结构

支护结构主要依靠结构自身被动的承受水土压力。常见的形式有：人工挖孔桩、预制钢筋混凝土桩、机械钻孔桩、钢管桩、钢板桩、内支撑围护结构和地下连续墙等。

（2）主动受力支护结构

其特点为通过不同的途径主动的提高土体的强度，使支护结构体系形成整体共同作用，从而达到支护的目的。常用的方法主要有树根桩技术、土钉支护技术和搅拌桩技术等。

（3）被动与主动支护结构组合形式

将前两种支护形式组合应用于同一个基坑工程中，合理利用各自的优点，有效避开各自缺点，扩大各自应用范围，满足经济、安全、合理的要求。

对于被动支护结构来说，应用时间较久，在设计和施工中都积累了一定的经验，通常变形较小，在工程中使用较多。但是这种支护方法缺点是施工难度大、工期长、造价高，其局限性日益突出。

而主动支护结构是当前国内外应用较多的支护方法，在基坑支护工程中占有主导地位，其最大的优点在于施工简单方便、噪音污染小、工期较短、安全度较高、造价低，从而弥补了传统方法的许多缺点，因此大受岩土工程界的欢迎。

3常见的支护结构类型

目前深基坑工程中主要应用的支护结构有以下几种：

钢板桩支护结构：既可挡土又可挡水，可重复使用，打设方便，承载力高。坑壁土体位移小，沉陷也小。但施工噪音大，振动大，对土体的扰动大，施工时产生较大的变形，对环境的影响较大。适用于软弱地基及地下水位较高、水量较多的深基坑支护，不适于市区施工。

灌注桩支护：布置灵活、施工简便、成桩快、机械化程度高、节省钢材、价格低、适应性强。钻孔灌注桩噪音小、无振动、无挤土、无废气排放、对周围建筑物、地下管线及居民生活无影响。适用于一般的钻孔灌注桩适用于硬的、半硬的、硬塑的和软塑的粘性土。尤其适宜于在建筑物密集的市区施工。

深层搅拌桩支护：造价低廉，挡水性较好，对环境的影响较小，对周边建筑物及地下管线的影響小。施工噪音小、振动小、对土体的扰动小，无排污。适用于加固各种成因的饱和软粘土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土。不适用于土质较硬或含有大量砖、瓦的填土、厚度较大的碎石类土、硬塑以上的粘性土和中密以上的砂性土。

除上述最常用的支护结构外，工程中也常应用如下的支护结构：门架式支护结构、拱式组合型围护结构、喷锚网支护结构、冻结法支护等。此外，通过对基坑支护体系被动区土质改良、降低地下水位等措施可有效改善支护结构的受力性状。被动区土质情况对支护结构的稳定影响较大，若被动区土质很软弱，可采用被动区土质改良来加固，以增大被动区土压力。被动区土质改良常采用深层搅拌法、高压喷射注浆法和压力注浆法。

4联合支护的概念

联合支护就是当一种支护形式不满足支护要求或者不太合理时，在同一基坑中利用两种或者多种支护机理不同的基坑支护形式。有效利用这两种或者多种支护形式的优点，合理避开各自的缺陷和不足。常见的联合形式主要有：

4.1桩锚与土钉联合支护结构

将桩锚与土钉支护结构联合使用[3]，使它们构成一个整体共同受力。土钉支护结构部分土体在产生水平侧压力的同时，改变作用于桩锚结构上的水平侧压力的分布，土钉底部水平摩擦阻力的存在还可有效地降低桩锚结构中桩体嵌入深度和锚杆预应力水平；另外，桩锚结构强度的预先形成，可提高土钉支护结构的施工进度，并有效提高土钉结构的内部稳定性。

4.2水泥土搅拌桩组合支护

水泥土搅拌桩具有水稳性、整体性和足够强度，连续搭接的水泥土搅拌桩可形成止水帐幕。工程师发明了新型的水泥搅拌桩组合支护结构[4]，如水泥搅拌桩与预应力锚杆相结合、水泥搅拌桩与土钉相结合台等形式，这些形式扩大了水泥搅拌桩支护结构的应用范围。

5基坑支护结构设计计算方法

基坑支护结构的设计需要满足在承载力极限状态和使用极限状态下支护结构的安全，为此基坑支护结构的计算必须选用合理的计算方法，考虑基坑各种条件和计算内容。长期以来，国内外学者对挡土支护结构的计算方法进行了大量的研究，也做过大量的实验，目前相对成熟的计算方法主要有以下几种：塑性极限平衡法、弹性抗力法和有限元数值模拟法

5.1塑性极限平衡法

这种方法假设支护结构在土压力的作用下处于极限平衡状态，将梁视为简支梁，分别计算作用在支护上的土压力，进一步计算其内力和变形等。最常见的塑性极限平衡法有自由端法和等值梁法。自由端法是由水平力平衡和力对支点、支护底端力矩之和为零的条件求出锚固力；等值梁法是由被动土压力和主动土压力相等点处力矩平衡求出锚固力。

5.2弹性支点法

弹性支点法，在实际工程当中也叫弹性抗力法、地基反力法。把土压力作为水平荷载作用在支护结构上，将支护结构全部或者部分当做竖直于土中的弹性地基梁，将嵌固部分的土抗力抽象为连续分布的弹簧。目前作用在支护结构上土压力分布模式、作用机理尚无成熟的理论，但在众多讨论中主动土压力的计算结果相对接近实际工程，具有一定的参考价值。墙后荷载可直接按朗肯主动土压力理论计算，也可以按矩形分布的经验土压力模式计算。土抗力抽象成连续分布的弹簧之后，弹簧反力参数的取法常用的有K法、M法、C法或者弹性反力系数法，在多数的实际工程中常用的是M法。

5.3有限元数值模拟法

随着计算机技术的发展，有限元数值模拟法越来越多的应用在一些复杂的工程问题上，这种方法可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力和位移状态，适用于动态模拟，可以用于事前设计和事后信息反馈，经常用到的有限元数值模拟法有：有限单元法FEM、无网络伽辽金法（EFGM）以及数值流形法（MM）、有限差分法FDM等。在此基础上人们也开发了大量的有限元软件，如ANSYS、FLAC、ADINA、ABAQUS、MIDAS、FINAL等。

6小结

深基坑工程的开挖深度增加、巨大的开挖面积、苛刻的周边环境、高地下水位等给基坑的开挖带了诸多的问题，也给传统单一的支护结构提出了挑战。面对此种状况，深基坑工程的设计施工人员需要在实践中总结经验，提出更好的支护方式，以促进工程建设。

参考文献

[1] 刘晓丽. 浅议影响深基坑支护的因素及支护类型选择[J]. 山西建筑，2007，33(11)：135~136.

[2] 阎莫明，徐祯祥，苏自约．岩土锚固技术手册[M]．北京：人民交通出版社，2004．

[3] 郭院成，杨庆等．桩锚与土钉联合支护结构的优化选型[J]．河南科学，2004，22（3）：363～365．

[4] 张洁．组合支护结构在基坑工程中的应用研究[D]．吉林：吉林大学，2006：11～14．

[5] 周勇，朱彦鹏．土钉-预应力锚杆复合支护在深基坑的应用[J]．路基工程，2008（6）：31～33．

作者简介：陈环宇（1977—）男，河南固始县，工程师、现任县住房和城乡建设局建筑业管理股股长，研究方向：工业与民用建筑的施工的合理化研究工作