基于变形控制的深基坑支护结构设计

2024-05-23彭丽

科技创新与生产力 2024年3期

彭丽

（甘肃建投土木工程建设集团有限责任公司，甘肃兰州 730070）

随着我国城市化率的不断提升，建筑深基坑面对的地质复杂程度与形变敏感程度与日俱增。与此同时，在设计与施工标准化的当下，采用传统经验判断方式对深基坑支护结构的设计很难满足特定的工程需求。基于此，大型工程或敏感型工程往往需要通过严格的地质检测，并进行变形因素与风险测算后，对深基坑支护结构提供设计辅助与依据。

1 深基坑变形的危害及其影响因素分析

1.1 深基坑变形的危害

当深基坑变形时，可能会引发以下3 个方面的具体危害：一是建筑物不均匀沉降：深基坑变形可能会导致周围建筑物的不均匀沉降，进而引发结构裂缝、甚至倒塌。这是因为深基坑开挖会导致周围土体变形，从而影响周边建筑物的地基稳定性。如果建筑物的基础不够稳定，就会产生不均匀沉降，进而导致结构裂缝的出现，严重时甚至可能导致建筑物倒塌。二是地下管网断裂、道路沉陷破坏：深基坑变形还可能导致地下管网断裂、道路沉陷破坏。在城市中，地下管网密布，包括水、电、燃气等各类管道，而深基坑开挖可能会对这些管道造成影响，导致管道断裂。同时，道路沉陷也会对城市交通和行人安全造成威胁。三是周围地面沉降：深基坑变形还可能会导致周围地面沉降。在深基坑开挖过程中，维护结构的位移和坑底土体的隆起会导致周围地面沉降、地表破坏。如果沉降超过一定范围，就会对周边的建筑物、管道、道路等造成危害。此外，当深基坑形变超过一定限度时，甚至会产生塌方等安全生产事故，不仅影响了深基坑土方作业的施工周期，而且容易造成人员及施工设备的损失，造成极大的施工风险[1-2]。

1.2 深基坑变形的主要影响因素

深基坑变形的影响因素较为复杂，从现有的施工经验来看，其至少包括了地质条件、支护条件、施工条件、环境条件等4 个大类。在地质条件中，土体的物理力学参数，如土的变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度等均会通过对土体自身变形的影响而带来深基坑变形；在施工条件中，围护墙体和支撑的刚度、开挖顺序与方法、挖撑次序等同样会造成深基坑变形；在环境条件中，降水等影响因素会显著提高深基坑形变，甚至诱发塌方等安全生产事故[3-4]。

从上述的分析中不难发现，对于地质条件的检测以及对施工条件及环境条件的控制，是实现深基坑支护结构设计的主要影响因素，也是工程中实现变形控制的有力手段。在地质条件中，土的变形模量与深基坑变形具有直接的相关关系，一般判定下，多采用模量公式进行表征，模量公式为

式中：Eo为变形模量；u为土的泊松比；Es为岩土的变性模量。式（1）表明，变形模量与岩土的变性模量是有关联的，且土的泊松比越大，变形模量越小。

除了上述直接关系变量的影响之外，土壤含水率变化、土壤地质特征对其同样具有显著影响。含水率与深基坑形变关系的公式为

式中：ΔL为含水率变化时的深基坑形变量；L为深基坑长度；w和w0分别为当前含水率和原始含水率；ΔL0为含水率变化时的基础形变量。式（2）表明，深基坑形变量与深基坑长度和基础形变量成正比，与含水率变化成反比。

土壤地质特征与深基坑形变关系的公式为

式中：Δu表示土体的变形量；c表示土体的粘聚力；σ 表示土体的平均正应力；φ 表示土体的内摩擦角；ρ 表示土体的重度。η 和σ 为正值，c、σ、φ 和ρ 的值越大，土体越不容易发生形变。需要注意的是，式（3）仅适用于土体处于线弹性状态的情况，对于软化型或硬化型土体不适用。

2 变形控制下深基坑支护结构设计要点

2.1 充分考虑土体物理力学指标影响

在深基坑支护结构设计中，需要充分考虑土体物理力学指标的影响，具体可以从如下4 个方面加以考量：一是土体物理力学指标的测量和观测：在设计深基坑支护结构之前，需要先对土体物理力学指标进行测量和观测。可以使用原位测试和室内试验等方法来确定土体的变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度等指标，以及土体的含水率和渗透性等参数。这些数据可以帮助设计人员更好地了解土体的性质和特点，从而更好地设计深基坑支护结构。二是土体性质的计算和分析：在设计深基坑支护结构时，需要对土体性质进行计算和分析。可以使用数值模拟的方法，将土体物理力学指标输入到计算机中，进行数值模拟计算，以预测深基坑支护结构的变形和应力情况，以及土体的移动和变形趋势。这些数据可以帮助设计人员更好地了解土体对深基坑支护结构的影响，从而更好地设计支护结构。三是支护结构的类型和强度设计：在设计深基坑支护结构时，需要根据土体物理力学指标来选择合适的支护结构类型和强度。例如，对于低应变模量的软土地区，适合采用桩撑支护或喷锚支护等结构形式；对于高应变模量的硬土地区，适合采用地下连续墙或钢板桩等结构形式。同时，需要根据土体的承载力和变形要求来设计支护结构的强度和刚度，以确保支护结构能够承受土体的压力和变形。四是支撑位置和支撑方式的选择：在设计深基坑支护结构时，需要根据土体的物理力学指标来选择合适的支撑位置和支撑方式。例如，对于低应变模量的软土地区，适合采用多点支撑或斜向支撑等形式；对于高应变模量的硬土地区，适合采用单点支撑或垂直支撑等形式。同时，需要根据土体的承载力和变形要求来确定支撑的位置和数量，以确保支撑能够有效地控制深基坑的变形。

2.2 科学确定深基坑支护结构参数

在设计深基坑支护结构时，深基坑结构参数至关重要。一般情况下，其包括了深基坑的形状、深度及大小，是考虑了工程实际需求以及周边环境要素与地质条件后的综合结果。在实际设计中，一般需要遵循如下3 个方面原则：一是安全性：深基坑的形状、深度及大小的设计应满足深基坑支护结构的安全性要求。这意味着需要确保深基坑在施工过程中及完工后不会出现变形、沉降及坍塌等安全隐患。二是经济性：在满足安全性的前提下，应尽量减少深基坑的开挖面积和开挖深度，以降低工程造价和施工难度。同时，应选择经济适用的深基坑支护结构形式和材料，以降低工程成本。三是可行性：设计应符合工程场地地质条件、周边环境和施工条件的限制。例如，对于软土地基，需要采用特殊的支护结构形式和技术措施，以确保深基坑的稳定性和安全性。

同时，在设计开展的过程中需要经过初步设计、计算分析与修订以及现场试验等3 个基本过程。在初步设计中，根据工程要求和场地条件，结合设计经验，初步确定深基坑的形状、深度及大小。这一阶段主要依赖于设计人员的主观经验和技术水平。在计算分析与优化过程中，使用数值模拟软件对初步设计进行计算分析，预测深基坑支护结构的变形和应力情况，以及土体的移动和变形趋势。根据计算分析结果，对初步设计进行调整和优化。在现场试验阶段，对深基坑的形状、深度及大小的实际情况进行监测和分析。根据监测结果，进一步优化深基坑支护结构的设计，确保工程安全和施工质量。

2.3 有效选定深基坑支护应力节点

应力节点主要是指深基坑支护结构与深基坑土体之间的互动关系。在设计深基坑支护结构时，需要考虑支护结构刚度、类型、入土深度，支撑位置、类型、刚度、预应力与排列方式等因素。在实际设计中，具体的考量包括如下5 个方面：一是支护结构刚度决定了深基坑支护结构的变形和受力性能。在设计中，需要根据深基坑深度、周边环境和地质条件等因素，综合考虑确定支护结构刚度。常用的方法是通过计算分析和现场试验，确定合适的支护结构刚度。二是支护结构类型：深基坑支护结构类型需要根据深基坑的形状、深度及大小、地质条件和周边环境等因素进行选择。例如，对于长条形深基坑，适合采用桩撑支护或喷锚支护等结构形式；对于方形深基坑或圆形深基坑，适合采用地下连续墙或钢板桩等结构形式。同时，还需要考虑支护结构的承载力和变形要求，选择合适的材料和构造形式。三是支护结构入土深度：在设计时，需要根据深基坑的形状、深度及大小、地质条件和周边环境等因素综合考虑确定，常用的方法是通过计算分析和现场试验，确定合适的入土深度。四是支撑位置、类型与刚度：在设计时，需要根据深基坑的形状、深度及大小、地质条件和周边环境等因素，综合考虑确定支撑位置。常用的方法是通过计算分析和现场试验，确定合适的支撑位置和数量，并以此为基础选择支撑类型与所需刚度。五是预应力与排列方式：在设计时，需要根据深基坑的形状、深度及大小、地质条件和周边环境等因素，综合考虑确定是否需要施加预应力并进行排列方式的优化。也可以通过计算或仿真的方式予以确定，一般情况常用的预应力计算方法包括两种，一种是按照弹性地基梁理论进行计算，将深基坑支护结构视为在弹性地基上布置的连续梁，根据深基坑周边地质条件、支撑体系和梁的几何尺寸等因素，按照弹性地基梁理论进行计算；另一种则是假定深基坑土体为各向同性、均质、弹塑性体，根据土压力分布情况，按照朗肯理论进行计算。

3 变形控制的深基坑支护施工保障

除了通过深基坑支护结构设计对可能出现的变形进行控制外，施工管理同样是控制变形的重要手段。基于此，在完成设计后，需要配套进行深基坑支护施工的高标准管理体系建设。在深基坑支护施工中，可以采取加强支撑杆件的强度和刚度、控制开挖速度、优化开挖工序、加固软弱土层等方式实现对变形的控制。

这些措施可以在深基坑支护施工的过程中有效地控制支护结构的变形，从而保障深基坑的安全和稳定。例如，加强支撑杆件的强度和刚度可以加强支护结构的承载能力和变形性能，从而减小变形和沉降；合理控制开挖速度和工序可以避免因开挖速度过快或工序不当引起的变形和沉降；对软弱土层进行加固处理可以提高土体的承载能力和变形性能，从而减小支护结构的变形和沉降等。

除了以上措施外，还可以采取其他变形控制措施，例如加强监测和预警，及时掌握支护结构的变形情况和周边环境的变化情况，并根据监测结果及时采取相应的措施，保障工程安全和施工质量。