考虑深基坑变形的支护方式研究

【摘要】本文从基坑工程的发展历程入手，深入研究分析了基坑工程中的支护工程，在充分考虑基坑变形的基础上，依托于实际基坑施工，采用有限元数值模拟实验的方法，系统的阐述分析了深基坑施工过程中的支护方式，得出了一种安全而合理的支护方式。

【关键词】深基坑基坑工程支护工程

0引言

土木工程作为解决住行问题的重要方式，是人类进步过程中极为重要的组成部分，土木工程发展以来，都是伴随着科学与技术的进步而不断向前推进。近年来，随着地下建筑、地下设施的增多，土木建筑施工逐渐由地表发展到地下，地下空间慢慢的被开发与利用起来，这同时也就意味着基坑工程在施工过程中，其相应的开挖深度、施工规模、工程量都较之以前增加了许多，而施工的技术性难题越来越多，工程越来越复杂。而基坑工程施工是一项十分复杂的岩土工程问题，在基坑施工过程中，特别是深基坑施工过程中，为了确保坑内作业人员的安全以及周围的建筑及人员等安全，基坑支护就显得尤为重要。但是深基坑支护工程极为复杂，施工工艺与技术要求很高，同时其事故发生的频率最高，从前期准备到施工运行等阶段都具有高风险，一般深基坑支护工程的事故发生次数占整个工程事故发生次数的五分之一左右，而且发生的事故一般都是特重大事故，人员伤亡数量大，后果严重。因此如何设计、使用安全可行的深基坑支护方案，成为国内外基坑工程施工关注的重点问题。

1基坑支护工程概述

基坑支护工程指的是建筑工程或者岩土工程具有地下施工时，在需要开挖基坑的基础上，为了确保基坑四周的人员及基础设施不受影响而实施的一项综合性工程，一般包含勘察设计、施工组织、监测及反馈等多项内容。深基坑支护工程一般属于临时性设施，这也是安全性能低的一个主要原因，一般临时设施的安全隐患比较多，防护措施与手段不够，近年来深基坑工程施呈现如下趋势：①基坑平面尺寸扩大化，开挖深度深入化；②工程难度复杂化，施工环境多样化；③可选条件缩小化，工程事故上升化。

基坑支护工程的特点：①临时工程，是一项复杂的交叉系统工程，缺乏完善的理论技术体系；②工程量大，工程投资多，技术复杂，事故发生率高；③施工条件差，施工控制严格，考虑因素众多；④施工周期长，突发事件频繁。

随着地下设施建设的扩大化，基坑工程应用广泛，基坑支护的类型与方式也逐渐增多，以下是我国常用的几种支护方式：①钢板桩支护，该种支护方式应用少，但是其中施工工艺简单，技术含量低，成本相对较低，但由于钢板本身的特性限制，其自身柔韧性强，容易变形，一般应用于7米以内的基坑支护；②地下连续墙，该支护方式是我国近年使用最为频繁的支护方式，由于其对周围基础设施影响低，所以一般应用于建筑密集区，该种支护方式刚度大，承受的力强，变形小，因而应用广泛；③柱列式灌注桩排挡支护，该种支护方式具有很好的刚性，承受压力比较强，比地下连续墙施工工艺简单，造价成本低；④锚杆支护，是一种岩土主动加固与稳定的技术，锚杆应用广泛，限制因素少，灵活性大，可与其他支护方式灵活组合，具有广泛的应用价值及明显的经济效益；⑤土钉支护，该种支护方式一般是通过钻孔、插筋、注浆来实现的，类似于加筋土挡土墙，与重力式挡土墙挡土机理类似。

2基坑变形理论及支护方式研究

2.1基坑变形理论

深基坑支护受力的分析需要综合考虑到支撑、挡土结构以及土的共同作用，在计算分析支护结构内力及变形分析时，与土和挡土结构都对研究分析起到一定的影响，而支撑以及开挖方式是计算分析的主要方向。在基坑施工过程中，由于外力改变了原有的土体受力及各方面环境条件，在这种条件下，必然会引起支护结构的变化，产生变形甚至破坏。

基坑变形一般包含三种形式：支护结构变形及内力与横向支撑变形及内力以及支护结构后地表沉降，这三种形式具有很很强的联系性，这个三种关系与施工过程中的联系是基坑变形支护过程研究的主要方向。两种基坑变形具体方式如下图。

第一种支护结构的变形和位移包含两种方式，一种是墙体侧向变形另一种是墙件竖向位移。第一种支护结构后地表沉降，软土基坑开挖将引起支护结构后相当范围内地表及地层产生沉降，它是基坑工程的环境的主要危害之一。第二种支护结构变形和位移，基坑开挖引荷载不均衡而导致水平方向变形和唯一，从而引发地层移动。第二种支护结构后地表沉降，开挖过深土体流动大，由于土体流动使得支护结构产生地表沉降。

支护结构后地表沉降的计算，经上述分析，在此本文采用Peck曲线法来进行支护结构后的地步沉降计算，Peck曲线的计算原理是：，Peck曲线如下图所示。

基坑沉降大小的影响因素主要是不同地区条件的差异，具体的地步沉降计算公式如下： ，其中： 为修正的系数（壁式围护墙取 ，柱列式支护结构去 ，板墙取 ）， 为基坑开挖深度（ ）， 为地层沉降量与基坑挖深的比值，具有数据可通过查表得到。

2.2支护方式分析

（1）划分及选取单元，利用有限元划分软件进行单元选取与划分，同时注意结构物形式及施工流程。

（2）边界条件，使用尺寸相对与基坑尺寸足够大的分析模型，此时边界处的变形非常小，据此可认为底面及层面不会出现垂直位移。

（3）初始地应力场，在使用有限元计算时，一般很难获取充分的地应力分布规律，故一般采用如下公式进行计算： 。

（4）施加载荷，无效事情假设土压，所受荷载为体积力及面力。

（5）参数的确定，根据有关标准，全面而合理的考虑参数的选择。

3案例分析

3.1项目背景

成都市拟建某大酒店，，南北向长，宽，周长。场地平坦，其中基坑预备开挖，基坑东侧为在建大厦（开挖，已回填），南侧离街道，管线影响较少，西侧为在建地下商场（开挖），北侧为地铁线（开挖），另外北侧有埋深的电缆，预建的地下室，位置为退东西线，退南北线，其中北侧电缆线离地下室仅。原始场地平整，经水塘回填而成，标高为 ，拟开挖基坑自上而下的地质情况为：素填土层， 、粉土， 、淤泥质细砂， 、含粘土中粗砂， 、含砾粉质粘土， 、砾质粉质粘土， 、中粒花岗岩， ，距基坑底 。

3.2基坑支护方案

该基坑工程在南北向两侧均使用桩锚支护，在其余侧均使用混泥土对撑，所以脚点使用脚撑加固，改基坑工程的安全等级为一级。

（1）东西向方案，基坑东西方向两旁均使用三道混泥土支撑结构，截面 ，由 商品砼浇筑而成，人工挖孔，桩径 ，间距 。

（2）南北向方案，使用桩锚支护，脚点加脚撑。

3.3支护结构模型

根据德鲁克―普拉格屈服准则有， ，同时采用 屈服准则有： ，式中 为应力张量第一变量， 为第二变量，并有 ， 。

长方形基坑采用 平面应变模型，两侧水平固定、垂直自由，底边水平自由、垂直固定，网络划分使用四边形单元，最小允许边长 ，辐射比 ，多区域加密。东西采用围护桩支护，横向支撑采用直粱。

4结论

基坑工程是整个工程中的重要环节，造价成本高，施工工艺复杂，极易发生工程事故，基坑施工是否顺利进行直接影响整个工程的施工进度、施工组织以及对整个施工的整体控制。本文重点分析了基坑施工中的支护方式，在充分考虑基坑变形的基础上，利用有限元数值模拟的方法，结合实际案例对深基坑施工过程中支护工程进行了全面而系统的阐述及分析。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。