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