关于深基坑支护结构设计技术的研究

李雁鸣

（广东省地质局第三地质大队，广东 韶关 512029）

摘要：本文结合笔者理论学习与实践经验的应用，以有限元计算模式为论点实施了深基坑支护体系计算，以实际案例论述了具体应用过程，意于设计出安全可靠、经济合理、便于施工的深基坑支护体系，具有一定的应用价值，盼为行业间形成技术交流。

关键词：深基坑支护；结构设计；体系计算

1.深基坑支护体系计算理论分析（有限元分析原理）

深基坑支护体系常用的设计理论有极限平衡、弹性抗力以及有限元分析等方法，且支护形式多样，基于现实的考虑，本文以有限元分析法为重点实施理论分析与计算。

1.1本构关系。土工计算一般以非线性弹性模型与弹塑性模型最为常用，二者在具体应用上各有优缺点，但均可反映出土的非线性应力与应变关系的特征。相比而言，非线性弹性模型更加简单，易于初始应力状态的考虑和确定计算参数，并可直接参考与使用现场试验规程，因此，本文以非线性弹性模型为论述对象。

以该模型理论分析，土的弹性模量（E）与泊松比（V）在不同应力阶段具有不同的数值，其应力函数表示如下式1-1。

（1-1）

其中：Et→切线模量；Ei→初始切线模量；Rf→破坏比，一般土为0.75～0.95；C→土的内聚力；h→土的内摩擦角；e1、e3→分别为最大、最小主应力；Pa→参考大气压力；Kt→切线体积模量；Ki、Kb、n、m→常数，通过试验获取。

上述Et是为加载情况下，当卸载二次加荷时，弹性模量可表示为下式1-2：

（1-2）

其中，Kur、n→常数，通过试验获取。

1.2接觸面性状模拟。接触面单元主要包含接触摩擦型单元与层状材料单元两种材料模型，其中以Goodman接触摩擦型单元应用最为广泛，其不仅概念清楚，而且对于接触面的张裂与滑动可以实施很好的模拟，但为避免受压时两种材料重叠，计算时需对法向刚度系数取值很大，同时也就会给计算结果（尤其是应力）造成不可避免的误差。而Desai对于薄四边形单元的提出，则对这一缺陷做到了很好的避免，其不仅实现了切向与法向变形的良好反映，而且有效传递了应力。与普通单元一样，Desai单元对于接触面变形的数学模型平面问题分析中分别涉及三个应变分量与应力分量。对于在有厚度接触单元范围内的接触面与其附近土体而言，其变形可分为土体基本变形{Δε1}（类同于一般土体单元变形）与破坏变形（接触破坏{Δε2}与滑动破坏），二者向量叠加即为总变形，表示于下式1-3。

（1-3）

与土体其它单元一样，基本变形所采用的本构关系不再重复应变与应力关系，破坏变形在接触面一点处呈刚塑性变形，无相对位移发生于破坏前，但是一旦发生破坏（错动或张裂），相对位移则会持续发展，由下式1-4表示。

（1-4）

在支护结构的约束与保护下，接触面上的正应变量实际不会破坏（=0），因此取矩阵相应元素为零。

2.深基坑支护结构设计应用

2.1个案介绍。某地下室工程3层结构，基坑开挖长312m，宽95m，深12m，其地质情况主要为人工填土（埋深1～4m）、残积层（埋深4～13m）以及基岩（埋深14～21m），其以内夹方解石脉粉质泥岩岩性为主，地下水埋深1.0～1.4m。

2.2方案的选择。本工程基坑由于开挖深度较深，支护墙体水平位移较大，且地下水位较高，因此其结构设计关键除为支撑类型与支撑形式的选择外，还需考虑止水问题，故此需加设一道止水帷幕。

2.2.1方案初选。一般情况下，钢筋混凝土支撑体系为深基坑支护常用形式，其应用优势明显，主要表现在：不仅可将混凝土变形小与刚度大等特征充分表现，而且因挖运速度的促进而降低施工成本，同时对于周边场地要求较小。因此，本工程以加设二道钢筋混凝土内支撑为深基坑支护的初选方案。

方案一：采用钢筋混凝土内支撑。 第一道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面均为500×700（mm），联系梁及八字撑均为 400×600（mm）。第二道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面为600×800（mm），联系梁及八字撑均为400×600（mm）， 第一、二道钢筋混凝土内支撑形式。

方案二：采用钢筋混凝土支撑。 第一道内支撑与第二、三道内支撑均为钢筋混凝土内支撑。第一、二道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面均为 500×700（mm），联系梁及八字撑均为400×600（mm）。第三道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面为600×800（mm），内支撑联系梁、八字撑均为400×600（mm）。

设置二道支撑，支护桩内力与变形较大，因而局部设置三道支撑，既可满足该基坑支护的要求，又能保证支护桩变形在控制范围之内，防止靠近基坑房屋因基坑开挖而开裂或沉降。

2.2.2方案优化选择。本工程基坑开挖较深，周围环境复杂，安全可靠度是首要设计因素，同时，必须考虑施工工期。相比之下，钢支撑具有缩短施工工期的特点，为了加快施工进度，考虑第一道支撑采用钢结构支撑。

方案三如下：局部采用钢管支撑，其余采用钢筋混凝土支撑，第一道内支撑为钢支撑，第二、三道为钢筋混凝土内支撑。第一道钢结构对撑梁截面为2～610×12，联系梁、八字撑均为单根工字钢I25b。第二道钢筋混凝土支撑的对撑梁以及角撑梁截面均为500×700（mm），联系梁及八字撑均为400×600（mm）。第三道钢筋混凝土支撑的对撑梁和角撑梁均采用钢筋混凝土截面600×800（mm），内支撑联系梁、八字撑均为400×600（mm）。

结语：基于以上论述，二、三号支撑方案在整体性能上优越于一号支撑方案，但在相比之下，三号支撑方案对能于支护结构的位移与施工工期更好控制，其实施效果更优，施工效率更快，是为最优选择。

参考文献

[1]单虹，深基坑支护结构设计探讨[J].城市建设理论研究，2012，12.

[2]顾翔.深基坑工程监测工作及支护施工的常见问题[J].科技风，2011（02）.