基坑工程支护设计理论计算方法研究现状综述

摘要：　随着我国的城市化进程不断推进，基坑开挖面积、深度不断增大，极大地推动深基坑工程的不断发展，基坑支护结构设计理论和计算方法的选择对基坑工程的质量至关重要，浅析极限平衡法、土抗力法、有限元法等几种基坑支护结构设计理论计算方法。

关键词：　基坑支护；设计理论；计算方法；研究现状

0　引言

基坑工程在我国发展的比较晚，20世纪70年代出现了少量的深度可达10m的基坑，但基坑周边环境比较简单，80年代开始，随着我国综合国力的增强，北京、上海、深圳等城市高层建筑不断涌现，使得基坑工程的复杂性呈现出来。90年代以后我国经济飞速发展，越来越多的超高层建筑出现，1994年金茂大厦开工建设，总高420.5ｍ，是当时中国最高的建筑物，世界排名第三，地下三层，基坑开挖深度为19.65ｍ。21世纪以后，我国城市化进程不断推进，越来越拥挤的城市地面空间已不能满足人们日益增长的需求，城市开始立体纵深方向发展，尤其是地下空间的开发和利用，地下商场、地下停车场、城市轨道交通，市政地下设施随处可见，使得深基坑越来越多。基坑工程危险性大、区域性强、综合性强，且涵盖了岩土工程、结构工程等多方面领域，基坑工程较强的时空效应和环境效应等都促进了基坑支护结构的设计理论和计算方法的不断完善和进步。

自20世纪30年代，太沙基和皮克等捷克学者开始投入到基坑工程的研究以来，陆续有更多的专家学者致力于此类工程的研究。现今，国内外的研究人员在基坑支护工程方面的研究，已随着基坑工程的发展壮大，取得了丰硕的成果，涵盖了支护结构设计理论与计算方法研究的诸多方面。在深基坑支护结构内力与变形的计算方面常用方法主要有以下几种。

1　极限平衡法

极限平衡法在基坑设计的早期即开始使用，常采用的等值梁法、太沙基法、静力平衡法、1/2分割法等都属于极限平衡法。由于此方法的假定未考虑多种因素对土压力的影响，无法反应支护结构的变形，是一种静态的设计方法，与实际基坑开挖所需的动态平衡状态不吻合，只在地层较稳定、环境简单、时空效应不明显的基坑工程中有适用性，但土层软、环境复杂时，往往结果与实际情况误差较大，尤其不适用于多层内支撑的支护结构。李峰、郭院成、周同和根据基坑工程的实际检测结果反分析了基坑工程主动土压力时变特性，引入假定，推导出土压力随时间变化的计算公式，并同类工程经试验验证能够满足工程需要[1]。姜晨光、贺勇等人总结土压力计算的统计型经验式和基坑开挖导致的坑壁土体水平主应力损失的统计型经验公式[2]。杨春艳、孙卫东等人对常用土压力理论差异、地下水位的影响、局部超载等常见的影响土压力大小的因素，提出了改进的计算方法[3]。

2　土抗力法

土抗力法根据不同场合又称为基床系数法、地基反力法和弹性地基梁法。土抗力法在一定程度上考虑了支护结构与土体的相互作用，基坑开挖和回填过程中的基本因素对支护结构的影响，是我国规范较推荐的方法，在工程应用中比较广泛。计算参数的取值决定了计算精度。郭玉荣、王兆军、邹银生考虑基坑开挖过程中土体和支护墙的非线性相互作用特性，提出了优于现行的弹性地基梁法土抗力法[4]。黄武、李劭晖通过具体的工程实例，比较了我国相关设计规程对m值取值的差异，并归纳了m法适用范围[5]。应宏伟、聂文峰等人在考虑卸载应力路径的基础上对传统的弹性抗力法进行了改进，改进法更能反映平面尺寸对基坑变形的影响[6]。陈林靖、戴自航通过对实际工程进行数值模拟反分析及试算调整，获得地基抗力双参数，并在工程实践中得到检验[7]。

3　有限元法

1967年有限元法在边坡岩土体稳定性分析中应用，近年来，有限元分析方法逐步成熟，主要有二维有限元和三维有限元，国内专家在此方面做了大量研究，也出现了许多基坑支护的有限元分析软件，如同济启明星深基坑支挡结构分析计算软件FRWS、深基坑支护之星软件，北京理正软件设计研究所开发的深基坑支护结构计算软件具有适用地区广泛、规范依据全面、支护类型多样、计算内容丰富、计算理论先进等特点。ABAQUS、ANSYS等大型三维空间有限元软件也应用与基坑支护设计中。郭印、苏强等人针对具体工程采用Plaxis　3D　Founda

Tion分析了基坑开挖对周边建筑物沉降造成的影响，调整了支护方法和围护结构的刚度[8]。应宏伟等利用有限元分析软件ABAQUS，模拟开挖实际工况，深入分析了隔断墙各设计参数对保护基坑邻近建筑物效果的影响[9]。梁发云、褚峰等对实际工程分别进行离心模型试验、HSS模型数值模拟、实测三种方法对比分析，得出考虑土体小应变特性的HSS模型能够较好地模拟超深基坑的变形特性的结论[10]。伍尚勇等运用Midas/GTS建立三维数值模型，分析广州某深基坑按不同顺序开挖对穿越其间的已运营地铁隧道的影响[11]。朱彦鹏等针对兰州市城关区某基坑工程，采用ADINA有限元分析软件，研究土钉失效对面板水平位移及对周边土钉轴力影响的程度和规律[12]。

4　其他方法

在基坑支护设计分析等方面，可靠性分析、模糊分析、模型方法、灰色系统理论、仿生学方法（人工神经网络算法、遗传算法、蚁群算法）等也已经受到研究关注及应用。潘国荣、王穗辉对上海某基坑施工过程运用灰色系统理论预测施工隐患[13]。袁金荣、赵福勇用灰色系统和神经网络预测地下连续墙的水平位移，证明神经网络方法更加适用有效[14]。王春波研

究基于FLAC正分析的BP神经网络反分析土层参数[15]。张军舰结合工程实际运用GA-transFcn模型预测基坑变形[16]。

地下空间工程的大型化和复杂化使得基坑工程的深度、规模不断加大，作为基坑工程重要组成部分的基坑支护工程也面临越来越严峻的挑战，支护结构的设计施工既要保证施工安全，又要控制支护结构和周围土体变形，同时考虑与周边既有建筑物、城市地下管网、道路的相互影响，由于开挖场地狭小，还可能遇到周边基坑同时或临近施工的现象，如果处理不当，将造成严重后果，基坑支护结构设计理论及计算方法仍需不断发展进步。

参考文献：

[1]李峰、郭院成、周同，基坑工程时变主动土压力研究[J].岩土工程学报，2008（30）：125-128.

[2]姜晨光、贺勇、刘波、朱佑国、吴晓峰，基坑开挖坑壁土压力原位监测与分析，岩土工程学报，2006（28）：1874-1876.

[3]杨春艳、孙卫东、阚卫国、时伟，基坑工程中土压力计算的影响因素分析[J].青岛理工大学学报，2006，27（5）：34-38.

[4]郭玉荣、王兆军、邹银生，基坑支护结构的非线性土抗力分析法[J].建筑结构，2001，31（10）：39-41.

[5]黄武、李劭晖，基坑支护结构土压力与抗力研究[J].山西建筑，2007，33（5）：114-115.