摘要：市政工程中基坑支护体系是保障工程施工安全的重要体系，实际施工中应综合考察现场的周边环境、道路及岩土组合等条件，尽可能避免基坑开挖对周围建筑物、道路的影响。经过细致分析、计算和方案比较，支护方案选用应符合工程设计、现场实际情况和相关规范的规定。本文通过支护系统各种参数的计算和相关参数的验算，从而选择安全、合理、经济的支护系统方案，减少支护系统对周围环境保影响，保障支护系统安全。
关键词：排桩支护；钻孔灌注桩；桩顶内支撑；稳定性验算
1.施工基坑的概况
[1]某工程按河道底部开挖深基坑，基坑计算开挖深度5.6米，属三级级基坑工程。
2.拟采用施工方案基本情况
要合理选择基坑支护的型式，一方面要深刻了解各种支护型式的特点，包括其合理性、优点和缺点，另一方面要结合地质条件和周边的环境和工程造价进行综合考虑，因此，大的原则应主要考虑三个方面：不同基坑支护型式的特点、地质条件和周边的环境、工程造价。
以上述支护选型原则为提前，并根据本工程提供的地质资料及场地周边的环境情况，结合目前工程中常用到的支护方式。现给出以下几种支护方式做参考，从安全性、合理性、经济性等方面综合考虑，最后决定出一种适合本工程的支护方式。
2.1放坡开挖
适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制无严格要求，价钱最便宜，但回填土方大。
分析：由此可见主楼区的场地十分的狭窄，一旦放坡，就会影响到路基，而且放坡也会影响到地下管线。所以不宜采用放坡开挖的形式。
2.2水泥土重力式挡墙
用于软弱土层基坑开挖，深度一般小于6~7m为宜。平面布置有密排式和格构式。
分析：水泥土重力式挡墙的宽度一般较大，挡墙受到限制，再考虑到施工时噪音较大，对附近居民生活有较大的影响，故不予以采用。
2.3钢板桩
钢板桩一般其抗弯刚度小，变形大。施工快，一般需要加支撑。钢板桩一般较适用于小规模、对变形要求不高或土质较松软的基坑工程，如市政的管沟等。
分析：考虑到钢板的回收利用比较困难，目前的回收技术还达不到要求，从节约材料方面考虑，不予以采用。
2.4地下连续墙
地下连续墙很大优点是止水好、刚度大。特别适用于软土、砂层等要求高的场地，特点是造价高，止水好，也可与地下室侧墙结合；逆作法一般用地下连续墙。
分析：地下连续墙地造价太高，非特殊情况下不建议采用。
2.5排桩支护
排桩是采用密排或一定间距排列的桩组成的挡土结构、当基坑不太深时可采用悬臂式，当基坑较深时可与支撑、锚杆等配合组成挡土结构。
分析：排桩是目前工程是最常用的一种支护方式。由工程地质资料可见，基坑预开挖土层多为粉质粘土、淤泥质粘土。排桩的刚度大，可以满足开挖过程中基坑较大的变形要求。
从工程技术方面来看，目前的钻孔技术，混凝土浇注技术都日趋成熟，施工单位都配备机械化的施工机具；从工程经济性方面看，该支护方式造价较低，机械化程度较高，对环境的影响较小；而且排桩对周边环境，特别是对基坑周围地下管线的影响十分小，能达到要求。
综合以上调研分析，本工程基坑支护体系采用排桩支护形式。
3.方案确定
本工程基坑的特点是基坑开挖范围较大，地基土层以粉质粘土、粘土为主，必须确保周围道路、管线的正常安全使用，要求围护结构的稳定性好、沉降位移小，并能有效地止水。
综合考察现场的周边环境、道路及岩土组合等条件，为尽可能避免基坑开挖对周围建筑物、道路的影响，经过细致分析、计算和方案比较，本工程初步支护方案选用下列形式：整个基坑采用钻孔灌注桩+搅拌桩为支护结构。
钻孔灌注桩支护，桩上端用压顶梁联系，形成一个整体结构，考虑到止水要求，灌注桩桩间用搅拌桩，以达到止水的目的。从以往的工程实例来看，这种混合支护方式能达到预期的效果，挡土和止水效果很理想。
考虑到基坑开挖深度较大，为防止开挖过程中产生较大的变形，故在桩顶处设一道混凝土内支撑体系。（示意图见下图3.1所示）
4.土压力计算理论简介
一般情况下，作用在基坑支护结构上的外荷载有[2]：土压力、水压力、地面超载、施工荷载、结构自重、支撑预压力和温度应力等。
不论哪种形式的支护结构，都要承受来自围护墙体后侧填土的侧向压力——土压力，它是围护墙体断面和验算其稳定性的主要荷载。土压力大小和分布，对支护结构体系的内力、变形和稳定性验算有着重要的影响。
从工程实践来看，选择合理的土压力计算理论，不论以后的对工程质量，还是对工程经济性都有十分重要的作用。
图3.1支护结构简图
4.1土压力理论
故确定基坑支护如下：钻孔灌注桩+搅拌桩+桩顶内支撑。
目前常用的土压力计算理论主要是朗肯、库仑土压力理论。这二种理论都是研究土压力问题的简化方法，均属于极限状态土压力理论。
朗肯土压力理论基本假定为：（1）墙背竖直；（2）光滑，即墙背和土体之间没有摩擦力；（3）墙后土体为半无限体。
库仑土压力理论基本假定为：（1）墙后土为无粘性土；（2）墙体是刚性的；（3）滑动楔体处于极限平衡状态；（4）滑动楔体为刚体；（5）滑动面为通过墙踵的平面。
根据这二种理论各自的假定条件，本工程采用朗肯土压力理论计算。
4.2土压力模式
（1）矩形土压力图4.1土压力计算三模式图（2）三角形土压力
土压力选用以下三种模式：矩形土压力、三角形土压力和经验土压力，其中矩形和三角形土压力模式（见4.1图）采用土层c、值按朗肯土压力理论求得：
其中（1）为我国部分地区和《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）采用的模式，（2）又称为古典式（传统式）。
传统土压力模式则是：土压力＝土压力系数土体竖向应力。
据实测数据，最接近实测数据的土压力模式便是三角形土压力，根据规范要求，本工程中按三角形式计算。
4.3邻近荷载的影响
邻近荷载对围护结构的作用反映为围护结构外侧土压力的增加，增加的土压力的大小和分布与围护结构的变位、土性及荷载的大小、分布有关。
本工程中地面超载取15kN/m2。
4.4土压力强度计算
土压力强度计算，因为考虑到地下水的作用，因为地下水位以下的土体，会受上向上的水的浮力的作用，土压力会有所减少。目前常用的算法有二种：一种是水土分算法计算土压力强度，本设计只考虑静止地下水，不涉及渗流对水压力的影响。还有一种是合算法计算土压力强度。
碎石土、砂土等一般采用分算法。
粘性土、粉土、淤泥及淤泥质土一般是采用合算法。
土压力计算简图见下图4.2所示
支护结构外侧的主动土压力强度标准值、支护结构内侧的被动土压力强度标准值宜按下列公式计算：
（1）对地下水位以上或水土合算的土层：
（4-1） 
（4-2）
（4-3） 
（4-4）
（2）对于水土分算的土层：
（4-5）
（4-6）
（4-7）
（4-8）
均布坚向附加荷载作用下的土中附加竖向应力计算可见下图4.3所示
土中竖向应力标准值应按下式计算：
（4-9）
图4.2土压力计算
（4-10）
式中：σac——支护结构外侧计算点，由土的自重产生的竖向总应力（kPa）；
σpc——支护结构内测计算点，由土的自重产生的竖向总应力（kPa）；
q——场地外超载，取均布荷载（kPa）。
4.5土压力及其作用位置计算
（1）三角形分布的土压力
（4-11）
（4-12）
（2）梯形分布的土压力
（4-13）
（4-14）
（3）矩形分布的土压力
（4-15）
（4-16）
说明：ai表示土压力作用点到第i层土底面的距离。
5.基坑支护结构设计
5.1工程地质及水文地质
（1）工程地质条件
根据线路地质调查及钻探揭露，拟建道路沿线岩土层可分为7层（包括亚层）。层序及描述如下：
第1-1层素填土（mlQ43），第1-2层淤填土（mlQ43）；
第2层粉质粘土（al-lQ43）；
第3层淤泥质粉质粘土（mQ43）；第3夹层粘质粉土（al-lQ43）；
第4-1层粉质粘土（al-lQ32）；第4-2层粉质粘土（al-lQ32）；
本基坑设计采用岩土工程勘察报告提供的固快试验有效应力指标，各层土的主要物理力学参数见下表所示据区域地质资料，拟建道路及其附近无全新世活动断裂通过，不必考虑活动断裂的影响。道路沿线及其附近无人为地下工程和大面积开采地下水的活动，不会产生地面塌陷、地裂缝的灾害；沿线及其附近没有滑坡、泥石流、崩塌等不良地质现象。
拟建道路沿线区域稳定性总体较好，另外沿线各岩土层分布较为稳定；场地适宜拟建道路建设。杂填土力学参数为工程经验值，其余土层括号内为地勘报告参数打折后的设计值。
图4.3均布坚向附加荷载作用下的土中附加竖向应力计算
5.2开挖工况安排
基坑合理的开挖过程，对防止基坑产生较大变形有重要的作用，应该从开挖的技术条件、天气状况等方面综合考虑，设计出一套开挖工况。
一般情况下，先开挖较大深度，随着深度的增加，要减慢开挖深度，加快开挖速度，尽量减少基坑坑壁的暴露时间，并增加内支撑，防止产生过大的变形而对基坑稳定性产生影响。
综合考虑各种因素，本工程开挖工况方式是：先悬臂式开挖1.35m，停止开挖，在桩顶处增加钢筋混凝土内支撑。接着继续开挖，但应当减小开挖量。为防止施工期间墙体产生较大的位移量，施工工期要尽可能的短，做到快速开挖。
5.3设计依据
（1）本工程的原招标文件、投标文件、设计图纸及其他有关文件。；
（2）某工程岩土工程勘察报告2018.5；
（3）浙江省标准《建筑基坑工程技术规程》（J10036-2000）。
5.4计算方法
按照《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-2012）的要求，土压力计算采用朗肯土压力理论，矩形分布模式，所有土层采用水土合算。
5.5计算内容
计算的内容主要包括：土压力基本参数确定、土压力强度计算、土压力作用点位置计算、桩的嵌入深度的确定、支撑（或锚拉力）计算、最大弯矩计算、配筋计算、基坑的整体稳定性验算、基坑抗隆起稳定性验算。
5.6土压力c和φ值的讨论
土的粘聚力c和内摩擦角
是反映土的抗剪强度性质的指标，通常称为抗剪强度指标，是基坑支护设计与施工中必须认真考虑的重要参数，其取值的正确与否各合理程度将会在很大程度上影响基坑工程的安全和经济效益。
由于地下水的影响，土的抗剪强度指标c和
值会受到影响，为方便计算，本设计仍按工程地质资料给定的参数，不做修正。当计算水位线以下的土压力，采用水土合算土压力时，应当采用土的饱和重度rsat，一般情况下，仍可以以土的天然重度r来代替，本工程设计计算时，仍采用加权平均重度17.6kN/m3，故做此说明。
5.7区段支护结构设计计算理论
5.7.1结构计算模型
本设计以基于极限平衡理论的极限平衡法为理论依据，它是一种传统的简化算法。
考虑到此基坑开挖深度较大，采用悬臂式支护结构时，桩顶的位移量很大，而且所计算的桩的嵌入深度很大，不论从工程安全性还是工程经济性方面考虑，都不合理，故采用单支点支挡模式计算，即在桩顶以下某深度范围内（或桩顶位置）布置锚杆或加内支撑，给桩施加抗倾覆力，保护支护结构的稳定性。
5.7.2桩的嵌入深度计算
计算简图5.1如下示：假定A点为铰接，支挡结构和A点不发生移动。
对A点取矩，并令=0，则：
（5-1）
式中：
——深度（H+
）内的主动土压力的合力，kN/m；
——深度
内的被动土压力的合力，kN/m。
由式可解得支挡结构插入深度，土质较差时，施工时应乘以1.1~1.2。
图5.1支挡结构顶部支点计算简图
5.7.3基坑的稳定性验算
1.单层锚杆和单层支撑的支挡式结构的嵌固深度（ld）应符合下式嵌固稳定性的要求
（5-2）
实际计算可见图5.2所示。
图5.2支撑式支挡结构的嵌固稳定性验算
2.锚拉式支挡结构和支撑式支挡结构的嵌固深度应符合抗隆起稳定性要求
（5-3）
（5-4）
（5-5）
实际计算可见图5.3所示
图5.3挡土构件底端平面下土的隆起稳定性验算
3.当挡土构件底面以下有软弱下卧层时，坑底隆起稳定性的验算部位尚应包括软弱下卧层。软弱下卧层的隆起稳定性可按公式3-3验算，但式中的γm1，γm2应取软弱下卧层顶面以上土的重度（图5.4），L应以D代替。
注：D为基坑底面至软弱下卧层顶面的土层厚度（m）。
（1）锚拉式、悬臂式支挡结构和双排桩应按下列规定进行整体滑动稳定性验算：
（2）整体滑动稳定性可采用圆弧滑动条分法进行验算；
采用圆弧滑动条分法时，其整体滑动稳定性应符合下列规定（图5.5）：
（5-6）
（5-7）
图5.4软弱下卧层的隆起稳定性验算
图5.5圆弧滑动条分法整体稳定性验算
5.7.4支撑（或拉锚）力计算
对支挡结构底端（C）点取矩，并令=0，
可求得支撑轴力或拉锚的拉力。
5.7.5支护结构的最大弯矩计算
最大弯矩应在剪力为零处，先求剪力为零点的位置（即主动土压力等于被动土压力时），再求最大弯矩。
最大弯矩位置：最大弯矩在剪力为0处，设在某层x处
由
——深度
内的主动土压力的合力，kN/m。
最大弯矩：
——
作用位置距地面的距离，m。
5.7.6桩墙配筋计算
本设计按圆形截面均匀配筋。沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土受弯构件，当纵向钢筋不少于8根时，其受弯承载力可按下式计算：
（5-8）
（5-9）
（5-10）
6.结论
在目前的很多实验研究中，[3]许多专家和学者从不同的方面对基坑变形进行了深入的研究和探讨，得出了许多有用的结论。但是由于土体的复杂性导致影响基坑变形的因素太多，支撑的设置及设置深度、被动区的加固、地下水的下降、基坑的开挖深度、土体的粘聚力和摩擦角都是影响基坑变形的主要因素。在数值模拟过程中为了能够模拟真实的土层情况，土体的本构关系是一项非常重要的选择，支护桩与土体的接触模拟、网格的划分也会影响数值模拟的结果。随着我国经济的继续发展，深度和规模更大的基坑支护工程必将出现，这将对基坑的变形研究提出更高的要求。
经过分析计算和方案比较，支护方案选用应符合工程设计、现场实际情况和相关规范的规定。通过支护系统各种参数的计算和相关参数的验算，不但能够验算支护系统方案安全性、合理性、经济性，而且减少支护系统对周围环境保影响，保障支护系统安全。
参考文献：
[1] 《某工程总体施工组织设计》.
[2] 浙江省建筑基坑工程支护技术规程（DB33/T1008-2000）.
[3] 冯玉宝，李罗刚，秦四清，深基坑支护工程问题与进展[J]，中国地质灾害与防治学.
论文作者:昌禄柱
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：基坑论文; 压力论文; 结构论文; 工程论文; 稳定性论文; 深度论文; 土层论文; 《基层建设》2019年第7期论文;