深基坑支护体系研究

深基坑支护结构研究现状摘要：分析了国内外基坑工程的发展和研究现状，详细介绍了我国基坑工程的主要支护类型，包括水泥土墙、土钉墙、锚杆、排桩与地下连续墙等。

最后分析了我国基坑工程存在的主要问题，并展望了今后的发展趋势。

关键词：基坑工程；综述；水泥土墙；土钉墙；锚杆；排桩与地下连续墙0引言随着我国国民经济的飞速发展，城市化进程不断加快，土地资源紧张的矛盾也日益突出，城市建设向高空、地下争取建筑物空间已然成为了一种发展趋势，越来越多的高层建筑物、地下工程大规模兴建。

这些工程的共同特点是都要进行大规模地下开挖，必然导致大量的基坑工程产生[1]。

基坑工程是一个古老而具有划时代特点的综合性的岩土工程课题，既涉及土力学中典型的强度和变形问题，又涉及到土体与支护结构的相互作用问题。

对于这些问题的认识及其对策的研究，将随着土力学理论、计算技术、测试技术以及施工机械、施工技术的发展而逐步完善。

1国内外研究现状1.1国外研究现状早在20世纪40年代，Terzaghi和Peck等人就已经开始研究基坑工程中的岩土工程问题并提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论一直沿用至今，只不过有了许多改进与修正；50年代Bjeruum和Eide给出了分析深基坑底板隆起的方法；60年代开始在奥斯陆和墨西哥城软黏土深基坑中使用仪器进行监测，此后大量的实测资料提高了预测的准确性，并从70年代起产生了相应的指导开挖的法规。

在以后的时间里，世界各国的许多学着都投入研究，并不断地在这一领域取得丰硕成果。

90年代以来，随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多，同时密集的建筑物、复杂的深坑形式，使得基坑开挖的条件越来越复杂。

因此，对基坑开挖与支护的计算与设计理论、施工技术等的要求也越来越高[2]。

1.2国内研究现状基坑工程在我国出现较晚，20世纪70年代，国内只在少数大工程项目中有开挖深度达10 m以上的基坑工程，而且是在较少或者没有相邻建筑物和地下结构物的地区。

80年代以来，我国首先在北京、上海、广州、深圳等大型城市大量兴建高层建筑，而高层建筑多数带有地下室，基坑支护工程随之剧增，基坑支护设计、施工与监测成为基础工程中的新热点。

90年代以后，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计计算方法，众多新的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功的工程实例。

但由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当，工程事故的概率仍然很高[3-4]。

基坑支护技术在我国相对较年轻，无论是设计计算，还是施工、监控等方面都处在不断进步和发展的过程中。

我国基坑工程的特点可以概括为“深、差、密、多、低”五个字，亦即我国的基坑越挖越深，工程地质条件越来越差，四周已建或在建建筑物密集或紧靠市政公路，基坑支护方法多，但是支护的成功率低。

因此对于基坑工程还应进行精心设计与施工，提高对支护结构的要求，而且在建筑物稠密地区更应注意对于环境的保护，这样一来，虽然工期和施工费用均要提升，但是工程质量与安全性却可以得到相当的保证。

2基坑工程设计理念和方法的演进2.1基坑工程设计理念的演变我国基坑工程发展的重要方向是设计理念的演变。

早期的设计出发点往往以考虑地下工程施工、为施工创造条件为主，设计中一般考虑承载能力极限状态，而较少关注周边环境保护，又由于缺乏设计规范指导，工程设计与施工或以经验为主，或以理论为主。

如今基坑工程的设计首先考虑环境保护，设计不仅满足承载能力极限状态，而且满足正常使用极限状态，即满足环境保护要求。

作为经验科学的基坑工程在设计和施工中必须坚持“理论和经验相结合”。

2.2基坑工程设计方法的发展早期的基坑支护结构设计主要依据古典的土力学原理，采用静力平衡的解析法，古典方法主要有:卜鲁姆(H. Blum)的极限平衡法、求解入土深度的盾恩法、考虑板桩或支撑合理受力的等弯矩法及等反力法等，这些古典方法解决了一些基坑的基本问题，但计算仅限于力的平衡，较少考虑实际施工工况，采用这些计算方法所得到的计算结果用于基坑支护结构分析时，内力与实际情况的误差较大，难以反映复杂地下工程的施工工况，一般只适用于小型的简单基坑。

之后提出了一种近似计算方法—等值梁法，它与实际吻合度较好，计算方法简单，在工程中逐渐广泛运用，并在单支点等值梁计算法的基础上，通过适当假定，形成了多支点板桩墙的计算模式，使之成为当时基坑设计常用的方法。

在基坑支护结构日趋复杂的情况下，需要进行不同工况的分析，于是就提出了考虑施工工况的设计方法，但至此为比，基坑设计仍是以力平衡的解析法为主，无法进行变形分析。

进一步的发展则是弹性基床系数法。

在水平基础梁的弹性地基梁分析方法解决地基、基础梁两者的力健变形关系的基础上，提出将支护结构看作一竖向放置的梁，采用与水平基础梁分析相同的方法，形成了竖向弹性地基梁法(竖向弹性支点法)，以后被我国有关基坑设计的规范采纳，它较好地解决了力和变形的计算问题，成为目前设计的主要方法之一，也是我国基坑工程现行规范推荐的主要计算方法。

武亚军等在对基坑开挖的有限元模拟中，土体刚度矩阵、外荷载和开挖荷载等都随开挖深度的变化而变化[5-6]，得到由开挖和支护引起的力学效应为：11111([K][K][K]){u}{F}([K][K]){u}sr pr p sr pr i i i i i i i i -----++=-+图1 有限元计算模型随着计算机技术、有限元分析方法以及商用软件的推广，考虑基坑开挖过程中的多种因素，例如作用在支护结构上水土压力的变化、模拟开挖过程、土体和结构共同作用等成为可能。

继而在基坑中开始采用平而弹性地基杆系有限元法、空间有限元法等，这些方法都能较好地解决上述工程实际问题，使分析更为精细化，并可考虑土的弹塑性分析。

此外，从经典的太沙基(Terzaghi )、普朗特尔(Prandtl)等理论至今，在基坑整体稳定性等方而的分析和计算也在实践中得到不断发展。

包括整体稳定性、抗倾覆稳定、坑底隆起稳定以及抗承压水稳定等，计算方法不断完善。

基坑工程的“时空效应”是中国工程院院士刘建航提出的基坑设计施工基本原理，对指导基坑设计与施工具有很强的实际意义。

简言之，基坑工程的“时空效应”就是基坑支护结构的变形和周边地层的变形随时间推移而发展，也因开挖的空间尺度、开挖后的坑底暴露而积而不同，它在软土地基的条件下尤为突出，是一个典型的施工力学问题。

根据“时空效应”的原理，工程界总结出土方开挖的“分层、分块、对称、平衡、限时”原则己在大量工程中得到贯彻，理论和工程实践都证明了它的科学性和有效性。

除了计算方法的发展，近年来，信息化设计和施工也运用于基坑工程，在基坑工程进行实时监测和反分析以及基坑工程的风险分析和设计，实现了基坑的预测和预控。

3基坑工程施工技术的发展20世纪80年代前，由于基坑规模小、工程量少，支护形式多为放坡、钢板桩支护等简单形式，而今，土钉墙、水泥土墙、排桩和地下连续墙等支挡式结构都己广泛应用[7]。

3.1水泥土墙工程水泥土墙是重力式支护结构的主要形式，主要包括水泥土搅拌桩和高压喷射注浆法两种。

水泥土搅拌桩是以水泥作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械边钻边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，由固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学作用，形成抗压强度比天然土强度高得多，并具有整体性、水稳性的水泥加固土桩柱体，由若干根这类加固土桩柱体和桩间土构成复合地基。

水泥搅拌桩适用于加固各种成因的软黏土，能够增加软土地基的承载能力，同时减少沉降量，提高边坡的稳定性。

高压喷射注浆法是把注浆管放入预定深度后，通过地面的高压设备使装置在注浆管上的喷嘴喷出20- 40 MPa的高压射流冲击切割地基土体，与此同时，注入浆液使之与冲下的土强制混合，待凝结后，在土中形成具有一定强度的固结体，以达到加固改良土体的目的，增强地基强度。

主要适用于软弱土层，如第四纪的冲积层、残积层以及人工填土等，这些正是建筑物地基常出现病害，需要进行地基处理的地层。

图2 高压喷射注浆法3.2土钉墙土钉墙技术是在基坑边壁土体中放置一定长度和分布密集的土钉，土钉与周围土体紧密结合共同工作，形成复合土体，提高了土体的整体刚度，弥补了土体自身强度的不足，从而显著提高基坑边坡的整体稳定性。

土钉墙由土钉、混凝土面层和防水系统组成。

主要适用于土质较好地区，我国华北和华东北部一带应用较多，目前我国南方地区亦有应用，有的已用于坑深10 m以上的基坑，稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。

图3 土钉墙3.3锚杆工程锚杆支护是一种较新的深基坑支护技术，是挡土结构与外拉系统相结合的一种深基坑组合式支护结构。

锚杆是一种受拉杆件，它的一端与工程结构物或挡土桩墙联结，另一端锚固于地基的土层或岩层中，以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力，它利用地层的锚固力维持结构物的稳定，锚杆主要由锚头、锚拉杆、锚固体3部分组成。

目前锚杆的施工长度可达50 m以上，在黏性土中抗拔力可达1000 kN，被锚固的挡土墙可达40 m 以上。

锚杆作为一项新技术，它是施工走在前头，设计理论落在后面，即施工工艺领先于其设计理论，目前在很多方面主要凭经验取得成功，因此它还有待于理论上的完善。

3.4排桩与地下连续墙排桩墙支护体系，是由桩排式围护墙或地下连续墙组成的围护墙、支撑体系、防渗结构所构成的防水挡土体系。

支护墙体的主要形式有:钢板桩、钢筋混凝土板桩、H型钢木挡板、钻孔灌注桩、SMW支护结构和地下连续墙[8-9]。

图4多级梯次联合支护体系典型剖面图钢板桩是一种施工简单，投资经济的支护方法，它由钢板桩、锚拉杆(或内支撑、锚旋结构、腰梁等)组成。

由于钢板桩本身柔性较大，如支撑或锚拉系统设置不当，其变形会增大。

基坑深度7m以上的软土地层，基坑不宜采用钢板桩支护，除非设置多层支撑或锚拉杆。

钢板桩适用于柔软地基及地下水位较高的深基坑支护，施工简便，其优点是止水性能好，可以重复使用。

钢筋混凝土板桩是一种传统的支护结构，截面带企口有一定挡水作用。

钢筋混凝土板桩施工方便，速度快，打桩后可立即开挖，工期短，与地下连续墙相比较造价低，经济效果显著。

其支护强度高、刚度较大、变形小，打桩时的振动，挤土及噪声对周围环境影响较大，因此不适合在建筑物及地下管线密集的区域使用。

接头外企口具有一定的防水效果，但在高水位软土地区，仍需注意防止接头处漏水所引起的水土流失，在硬土层中打设施工困难，不适合使用。

H型钢木挡板是国内外常见的基坑支护结构，能充分发挥H型钢抗弯能力强的特点，减少所需支撑或拉锚道数。

适用于土质较好、不需抗渗止水或是地下水位较低的基坑，如果在含水地层中使用时，需要采用人工降低地下水位或配合明沟排水，保证施工作业面的干燥环境，对水土流失的封闭作用差，需采取隔水降水措施。