钻孔灌注桩基坑支护结构参数优化设计

钻孔灌注桩基坑支护结构参数优化设计

摘要：深基坑支护结构随着城市化建设大量出现，同时支护选型和设计极为保

守造成浪费，如何选取合理设计基坑同时保障基坑及周围环境安全前提下使工程

造价最低是工程设计最关心的问题，所以深基坑支护结构优化设计具有显著技术

经济意义。深基坑支护优化设计设计参数复杂，目标函数与设计参数之间的关系

是复杂的非线性关系，神经网络遗传算法是具备智能性、全局优化性和内在学习

性等特点一种优化计算方法，可解决深基坑支护优化设计的非线性关系

1 混凝土灌注桩支护设计

1.1 计算理论的选择

深基坑支护最关心的是边坡的崩塌，也就是说支护的目的是阻挡在基础开

挖时由四周向开挖处传来的土层的侧向压力。在计算土层的侧向压力时通常会选

择使用朗肯的土压力理论或者是库伦的土压力理论。无论是朗肯还是库伦，他们

的理论探究的都是在极限平衡状态之下来自周围土层的施加在挡土系统上的压力。朗肯与库伦的不同之处在于朗肯是不论主动压力与被动压力，都从点应力计算压

力强度再求出总土压力，即传统意义上的极限应力法；库伦则将周围的土层视做

一个楔体，整体考虑其静力平衡直接求得总土压力。这两种理论的缺陷是库化理

论的计算结果是一条直线，而实际的压力是一条波浪曲线；朗肯的理论建立在假

定的基础之上，假定墙背与填土之间没有压力，但是实际上这种摩擦力是存在着的。从客观上来说，这两种压力都不可能百分之百吻合每一个施工现场的实际情况，但是这两种方法都有其科学性，实际的压力曲线总是围绕着这两道压力线而

变化的。对于板桩与连续墙等支护方式，上述两种方法较为实用，然而对于混凝

土灌注桩而言，上述两种方法也可以使用，但是不如布路姆（Blum）的传统土压

力理论来得更为切合实际。

1.2 计算原理

布路姆的理论模式为土压力的三角形理论，这种三角形与混凝土灌注桩所

承受的来自土体的主动压力与被动压力形成的剪力形状较为一致，以入土深度求

得静力平衡值，由有效嵌深求出支点锚固力来决定锚杆的工艺，由剪力为零求得

最大弯矩点的深度就可以在适当的点位配以土层锚杆与横撑。比如：悬臂桩由于

不需要锚拉，所以其桩体的下部的入土深度决定了其上部的可悬臂的长度，如果

其下部入土较浅而上部过长，则不能单纯使用悬臂的方法。在使用悬臂桩时就必

须用布路姆理论计算灌注桩的最大弯矩力，以决定其灌注桩的直径、入土深度、

钢筋直径、水泥的强度等参数。

2 逆作法施工中基坑支护结构设计

2.1 基坑降水

（1）在坑外距坑边5米远的地方，沿基坑周圈设16个直径为1米的深井，用水泵进行降水。同时挖一圈0.8米深的排水沟截断地表水，防止因下雨造成地

表水流入基坑。

（2）在基坑内，每层段挖土时先挖排水沟和集水井，用水泵抽至坑外的排

水沟。

2.2 池壁支护结构设计

2.2.1 荷载计算

（ 1）外筒池壁自重：考虑17m以上由池壁外侧摩擦力及措施桩承重。（外筒外直径：31.6m，外筒池厚：1.3m）。

（2）池壁外侧摩擦力：由于场地地质层状复杂，在直径30m、深15-16.5m

范围内，土层变化较大，各孔位计算摩擦力相应变化较大，为安全因素考虑，设

计取K9、K10、K12计算摩擦力中的小值（极限标准值）。

（3）池壁承载力计算：根据上述计算，池壁自身侧阻力容计值fa>G，即仅

靠池壁侧阻力即能满足施工需要，但考虑周边建构筑物、地下水及施工、地下石

方爆破作业等不确定因素，为确保池壁不产生不均匀沉降而偏移，同时考虑场地

地质层状变化多产生的侧阻力不均匀影响，设计考虑沿池壁均匀布置20根直径800人工挖孔桩作为池壁支撑桩，桩长24.5m，桩头嵌入中风化岩层5.5m。

2.2.2 防止池壁结构在自重的作用下下沉的支护结构设计

（1）依据荷载计算结果，采用人工挖孔灌注桩作为支承的措施桩。措施桩

的设计和施工必须控制在外筒池壁的中心上，桩径必须小于外筒池壁的厚度，同

时要满足外筒池壁内外层钢筋的位置。桩基采取人工挖孔桩，尽量嵌入岩石层，

护壁采用红砖护壁，施工时要严格控制桩径和垂直度。在结构施工时，要破除桩

基的护壁并清理干净，以便与外筒池壁紧密结合。具体要求如下：（1）在池壁

顶部设一圈钢筋混凝土外跳板梁，宽度1.00米，厚度0.5米。（2）在护壁结构

中设16根直径为0.9米的钢筋混凝土人工挖孔灌注桩支承护壁结构的重量（护壁结构与土体之间的磨察力不计）。桩的底部嵌入岩层1.500米。在浇灌混凝土前

向桩身外预留插筋（垂直方向间隔0.8米，水平方向间隔0.3米），以便与护壁

结构有效的连接。（3）在基岩顶面，池壁外侧设一道环形梁，以保证支承失去

作用后托住池壁。

2.3 施工缝的留设及防渗漏设计

由于从上往下分节施工，共有5道施工缝，新老混凝土间将产生约束应力，增大了产生裂缝的可能性，产生漏水及渗水现象，需常期进修补处理。其次施工

缝的防水处理是本工程逆作法施工的难点和重点所在，常规的施工缝处理：采取

施工缝内侧接头修补或堵漏处理方法，每节砼在内侧形成了一道环形疤块，要后

期处理，直接影响内侧砼的外观质量，留下施工痕迹，且易脱落。具体措施如下：（1）池外壁内侧与池内壁结构之间留垂直施工缝。（2）池底板与池壁之间留设

一道水平施工缝。（3）池壁±0.000～-18.400米之间每2.3米留一道水平施工缝。-18.400米（池壁底部）～-25.00米之间留设一道水平施工缝。池壁浇灌混凝土前

支设模板时留设外斜模板，使混凝土浇灌面高出池壁浇灌层150mm，以保证接缝处混凝土浇灌密实。即在施工缝的内环部位增设一道砼环形“牛腿”，作为结构的

组成部份，与结构一起浇灌完成，将施工缝封堵不留痕迹，作为设计造型永久保留。或者施工完后将壁外多余的混凝土凿除。（4）施工缝留设企口缝，并且内

高外低，以保证在混凝土浇灌时接缝易灌饱满。（5）在每节池壁下部填30～

50mm的砂子，防止混凝土结合面不沾泥土。接缝处钢筋必须清理干净。（6）每节第一层混凝土要减石子接浆，混凝土中参加适量微膨胀剂，保证施工缝处的混

凝土结合紧密。此外混凝土中参加适量的早强减水剂，以增加混凝土的和易性和

早期强度。（7）对接缝薄弱部分采用防水砂浆抹缝.

结语：

基坑支护形式的选择应在仔细针对周边环境、工程造价以及施工技术等的

各方面考察的前提下，通过综合对比进行选择。具体来说就是应当在确保基坑稳

定以及引起的周围环境变形在可接受范围内，应当尽可能的选取工程造价较低的

基坑支护形式，不能够通过提高基坑变形控制标准，而选择造价昂贵的支护型式，造成不必要的浪费。