基坑支护结构设计原则及结构选型

基坑开挖是现代建筑工程施工中非常关键的步骤，尤其是在现代城市建筑施工中，必须确保临近结构物、管线、管道的安全，又要确保基坑自身的施工安全。因此基坑开挖支护结构设计尤为重要；此外，也应根据不同的地质条件、安全等级选用不同的支护形式，以达到安全、稳定、便于施工、经济实惠等目的。

 

结构类型

 

（一）钢板桩

 

钢板桩利用震动打桩机械或者插打机械按照设计位置插打就位，并设置内支撑系统，分层开挖逐层支撑，在工程施工完成后便可以回收再次利用。通常我们使用的钢板桩有“拉森”钢板桩与槽钢钢板桩两种。槽钢钢板桩由于刚度较小、容易变形，而且抗渗性能差，容易进水，因此通常只在浅基坑支护结构中。“拉森”钢板桩通过锁口彼此互相咬合连接，具有刚度大、抗渗水能力强，因此经常应用于较深的基坑支护结构中。

 

在周围建筑物比较密集的软土地区不适宜采用钢板桩支护。因为在软土中打入钢板桩时，会对周围的土体产生挤压，可能会引起地面隆起，而当工程结束后，拔出钢板桩时，又会带出大量的泥土，从而形成比较大的空洞，如果不及时采取有效的措施，将非常容易导致周围的地面下沉，而影响周围结构物的稳定。

 

（二）钢筋混凝土板桩

 

事先分块预制好钢筋混凝土板桩，每块间利用企口结合，当混凝土强度达到设计要求后，便利用打桩机械将其打入设计位置。钢筋混凝土板桩具有较大的刚度及抗渗能力，能适用各种基坑的开挖支护，但是钢筋混凝土板桩的投入是一次性的，因此其施工成本较高。

 

（三）地下连续墙

 

地下连续墙是指利用专门的挖槽机械，在地面上按照设计位置，挖出一道狭长的深槽，并将事先加工好的钢筋笼安装于槽内，然后采用导管法灌注水下混凝土，形成一个槽段，依次施工其他槽段，槽段间采用特殊的接头方式连接，从而在地下形成一道钢筋混凝土墙。地下连续墙具有刚度大、截水、抗渗性能相当强，因此，在基坑开挖时，可以抵抗很大的土压力，在以往的工程实例中极少发生坍塌或者地基沉降等事故。另外，地下连续墙施工震动比较小、产生的噪音较低，对周围的地基不产生扰动，因此非常适用于城市建筑基坑开挖支护工程。地下连续墙的适应性特别强，能适应于各种地基条件下的支护结构，经常应用于较深的基坑支护中，比如地铁、车站、多层地下车库等。但是地下连续墙施工成本比较高。

 

（四）钻孔灌注排桩

 

利用钻孔灌注桩作为挡土结构，各桩间采用压力注浆或者旋喷桩来进行防渗水处理，再用钢筋混凝土圈梁将排桩连接成整体结构，从而形成基坑支护结构。该种支护结构可分为锚固式、悬臂式、内支撑式三种结构形式。

 

1、锚固式：钻孔灌注排桩与土层锚杆、锚定板等联合使用，可用于较深的基坑。该结构形式具有挖土效率高、施工方便等优点，但是水泥用量及钢材用量比较大。

 

2、悬臂式结构的特点是施工作业面开阔，基坑开挖施工效率高，相对比较经济。但是其支护深度应该根据不同的地质条件以及不同的桩径而确定。

 

3、内支撑式就是在基坑内设置型钢支撑杆或者钢筋混凝土支撑杆，以抵抗土侧压力，通常支撑可水平设置也可以斜向设置。在支护结构不高、开挖深度不大的情况下通常采用斜向支撑；而基坑深度较大时一般采用水平支撑，并分多层布置。

 

（五）围筒式支护结构

 

围筒式支护结构按照平面布置形式又可以分为拱形、圆形、复合型等结构形式。该种支护结构的结构受力比较合理，使得支护材料的强度得以充分发挥，整体刚度较大，位移量很小。围筒式支护结构一般是利用钻孔灌注桩形成圆形、弧形排桩结构；或者利用水泥搅拌桩、素混凝土桩形成拱形结构，仅在拱脚位置设置一根钢筋混凝土桩，来增墙结构的稳定性。

 

（六）水泥土深层搅拌桩挡墙

 

采用深层搅拌法形成重力式挡墙，通常布置成格栅状，该结构无需设置支撑，不渗水，施工材料仅为水泥，无需钢材，因此造价较低。但是，其稳定性与其截面尺寸有很大关系，若开挖深度较大时，该类结构的宽度也需要增大，因此占地面积较大。

 

设计原则

 

基坑支护结构设计应该根据其破坏后果的严重性分别采用不同的安全等级。若破坏后果相当严重应采用一级安全等级，破坏后果严重的采用二级，破坏后果不严重的采用三级。基坑支护结构通常按照承载力极限状态以及正常使用极限状态来进行设计验算。

 

（一）承载力极限状态

 

通常将承载力极限状态称之为应力极限状态。包括以下情况：

 

1、抗剪切破坏要求满足下式：τp≤[τp]，其中τp为桩所承受的剪应力；[τp]为支护结构的抗剪强度。

 

2、抗倾覆破坏的极限状态要求满足下式：Ep≥Ea，式中：Ep为支护结构承受的被动土压力；Ea为支护结构承受的的主动土压力。

 

3、抗滑动破坏的极限状态要求满足：τs≤[τs]，式中：τs为滑动面上地基土受到的剪应力；[τs]为地基土的抗剪强度。

 

4、抗弯破坏的极限状态要求满足：M≤[M]，式中：M为支护结构截面所受的弯矩；[M]为支护结构的抗弯强度。

 

（二）正常使用极限状态

 

通常将正常使用极限状态称之为变形极限状态。基坑支护结构在土侧压力的作用下若发生较大位移，那么周围的地表势必会出现下沉，有可能导致周围的结构物出现开裂，影响其正常使用。若变形量过大，甚至会造成周围建筑物倾斜、倒塌，地下管线断裂等情况。因此，在进行基坑支护结构设计时必须确保支护结构的位移量控制在允许范围以内。

 

（三）计算方法

 

以前采用的古典法及解析法计算出来的结果与实际情况误差比较大，因为它们均不能有效的反应基坑开挖过程中挡土结构与支撑结构的轴立变化。所以，现在基本上都是采用有限元法来进行计算，该法可以有效的计入施工过程中各种因素的影响，比如被动土压力及主动土压力的变化，随着开挖深度的增加支撑的层数数量的增加，支撑架设前后挡土结构的位移变化，支撑预加力对挡土结构内力的影响等问题。

 

有限元法可以在确保支护结构的安全情况下，较大限度的优化支护结构，让其结构更为合理，更经济。有限元分析法主要有“连续介质有限元法”与“弹性杆系有限元法”两种。

 

有限元法是将土体、支护结构进行单元划分，通过数值模拟，从而得到支护结构的内力、位移，也可以算出整个土体的位移场和应力场。它的优点在于能充分的考虑土体的性质，采用不同的模型、边界条件，从而更加真实的反映实际情况;对于分步施工过程可以采用动态模拟计算，可对每一步开挖的应力和位移作出分析。采用空间三维有限元分析还可以较好的对基坑的整体形状作出模拟，对一些角撑、圈梁和围檩模拟。

 

（四）支护结构选型

 

基坑支护的目的是确保基坑开挖自身坑壁的稳定及施工安全；保证周围临近结构物、地下管线的安全；便于基坑开挖施工及地下工程建设；支护结构受力明确、施工方便、节约成本。因此，支护结构选型应该本着安全、经济、合理、因地适宜的原则。

 

1、安全是基坑支护结构的核心问题，不仅仅要考虑支护体系自身的安全，确保基坑开挖施工的顺利进行，又要保证周围结构物、地下管线的正常使用。支护结构的经济性指的也不仅仅是支护结构自身的造价，还应该考虑到施工工期、安全等各方面的综合经济效益。

 

2、一个好的支护体系，应该要做到因地制宜，根据施工现场的实际条件，选用合理的支护结构形式。在地质条件与开挖深度均相同时，允许支护结构位移量不同，采用的支护形式及产生的费用有可能相差很大。

 

3、由于基坑支护结构是一种临时结构，因此在设计时采用的安全系数不宜过大。但必须有一定的安全储备。可以从经济与安全两个方面综合考虑，可采用较低的安全系数下，加强基坑开挖过程中的坚持，并准备相应的应急措施，当发现事故的苗头时，立即处理，确保安全。

 

4、从总体上分析，软粘土地基中基坑工程要侧重处理支护体系围护结构的稳定性问题，或者说处理好挡土问题；地下流水位较高的砂性土地基中基坑工程要侧重处理好水的问题，如何降低地下水位，如何设置好止水帷幕，软粘土地基中基坑工程支护体系失稳往往是支护结构失稳。引起支护结构失稳的原因很多，有设计方面的原因，也有施工方面的原因，也有对地质条件了解不清楚的原因。渗透性较大的地基中基坑工程支护体系失败往往是水的问题未处理好。要根据地基土质情况合理选用支护体系。

 

5、基坑支护结构的选型、设计不但关系到该工程的施工安全，还对周围建筑物的安全有很大的影响。因此，要将安全放在首要位置。另外，就是要因地制宜，选用结构合理、施工方便、经济适用的支护结构形式。