高層建筑深基坑支護(hù)的技術(shù)探討

王森

摘要：近年來一些深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工，概述了較成熟的深基坑支護(hù)類型及適應(yīng)范圍，簡述了深基坑設(shè)計(jì)理論及其存在的一些問題，對(duì)深基坑支護(hù)工程今后的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了探討，以期進(jìn)一步完善深基坑支護(hù)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；深基坑支護(hù)；技術(shù)探討

一、工程背景資料

某棟商業(yè)大廈地上20層，地下2層，總高度78m，建筑面積約60590m2。該工程的外形為矩形，尺寸為68.5m×40.2m，占地面積約2500m2。該工程的上部結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)大部分采用筏板基礎(chǔ)，同時(shí)配合框架基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)。基礎(chǔ)擬建在天然地基上，根據(jù)工程設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)開挖至地面以下7.2m。該工程以粉質(zhì)枯土為天然地基持力層，場(chǎng)地土類型為中軟場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類別為1類，抗震設(shè)計(jì)類別為丙類，為建筑抗震一般地段。

本次基坑支護(hù)方案比選的原則為首先根據(jù)地層、開挖深度、周邊環(huán)境的不同，詳細(xì)地對(duì)基坑支護(hù)分段，然后對(duì)每一段按由簡單到復(fù)雜、由低價(jià)到高價(jià)的先后順序進(jìn)行試算、比較，同時(shí)兼顧工期及其它工程條件，在經(jīng)過計(jì)算、比較分析后，本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用土釘墻復(fù)合體的支護(hù)體系。

基坑支護(hù)有效深度為4.75m；基坑的支護(hù)型式設(shè)計(jì)一種支護(hù)斷面分四層支護(hù)，坡度為1：0.1：第一層20L=6000mm@1200mm、第二層20L=5000mm@1200mm、第三層20L=4000mm@1200mm、第四層20L=3000mm@1200mm?；炷撩鎸釉O(shè)計(jì)要求為鋼筋網(wǎng)片采用HRB235鋼筋，間距200mm，噴射混凝土面層均為l00mm厚C20細(xì)石混凝土夾鋼筋網(wǎng)片。

二、基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)

基坑支護(hù)體設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際施工需求，結(jié)合基坑側(cè)壁安全等級(jí)及重要性系數(shù)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹贫ㄔO(shè)計(jì)方案，應(yīng)充分做到以下幾點(diǎn)：

（1）充分利用新技術(shù)、新理念，具體事物具體分析，不要生搬硬套傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。在現(xiàn)今的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，還沒有公認(rèn)的、權(quán)威的的計(jì)算公式，基本上都是摸著石頭過河。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要區(qū)別其他設(shè)計(jì)領(lǐng)域，要改變傳統(tǒng)觀念，利用施工監(jiān)測(cè)反饋動(dòng)的態(tài)信息指引設(shè)計(jì)體系。

（2）重視支護(hù)結(jié)構(gòu)理論和材料的試驗(yàn)研究，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。正確的理論必須建立在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上。在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方面，我國與發(fā)達(dá)國家有較大距離，還有大量的路要走。不過，我國由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量高層超高層建筑拔地而起，所以積累了擁有大量的第一手施工數(shù)據(jù)，但缺少科學(xué)的測(cè)試數(shù)據(jù)，無法形成理論，我們以后一定要重視。

（3）勇于創(chuàng)新，設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，開拓思路，多進(jìn)行新的嘗試。在施工中深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各元素往往是相互結(jié)合的，各結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，這就要求我們從全局出發(fā)，尋求新的設(shè)計(jì)思路，探索更好的計(jì)算方法。

三、深基坑支護(hù)工程施工

基坑支護(hù)施工要綜合考慮工程所在地的地理?xiàng)l件、工程類型、基坑開挖規(guī)模、周邊環(huán)境、支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素?；又ёo(hù)施工要注重支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，坑體變形，并根據(jù)周邊環(huán)境條件，控制變形在一定的范圍內(nèi)?？刂频年P(guān)鍵是基坑的穩(wěn)定性、地面變形及地下水的控制，并要根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)地調(diào)整方案。在進(jìn)行深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

3.1隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，支護(hù)體施工時(shí)，要盡量減少支護(hù)工程施工產(chǎn)生的環(huán)境污染

3.2施工場(chǎng)地周圍建筑物和地下管線往往限制了基坑的施工，施工時(shí)要充分考慮工程對(duì)周圍設(shè)施的影響，盡量不要影響這些設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，盡可能把影響降低。

3.3合理安排施工流程，使施工在有限場(chǎng)地和時(shí)間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢。人員、工序調(diào)度要高效。

四、深基坑支護(hù)的土壓力

4.1土強(qiáng)度指標(biāo)的選擇

土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C，與土的固結(jié)度有密切的關(guān)系，土的固結(jié)過程就是土中孔隙水壓力的消散過程，對(duì)于同一種土，在不同排水條件下進(jìn)行試驗(yàn)，可以得出不同的抗剪指標(biāo)C和，故試驗(yàn)條件的選取應(yīng)盡可能反映地基土的實(shí)際工作狀態(tài)。在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用三軸試驗(yàn)的指標(biāo)，才能保證選取參數(shù)值的客觀性和準(zhǔn)確性。對(duì)于黏性土，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后由自重應(yīng)力而產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力采用三軸試驗(yàn)的固結(jié)不排水剪的指標(biāo)與實(shí)際工作狀態(tài)較致，但由地面臨時(shí)荷載而產(chǎn)生的土壓力，通常采用三軸不排水剪指標(biāo)較合理。特別對(duì)于軟黏性土，最好采用現(xiàn)場(chǎng)十字板的原位測(cè)試方法確定c和妒，因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)的擾動(dòng)影響太明顯，強(qiáng)度指標(biāo)偏低，使設(shè)計(jì)過于保守。計(jì)算基坑內(nèi)被動(dòng)土壓力時(shí)，一般宜采用三軸固結(jié)不排水剪。對(duì)于砂土，由于排水固結(jié)迅速，對(duì)于任何情況，均可采用排水剪指標(biāo)，或采用固結(jié)不排水剪經(jīng)孔隙水壓力修正后的c，值來計(jì)算土壓力。

4.2土壓力計(jì)算理論及方法

1）試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了太沙基理論的定性結(jié)論，土壓力大小取決于位移的大小和位移方向；2）實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)變形小于5%H（H為開挖深度）時(shí)，被動(dòng)土壓力仍然能得到充分發(fā)揮，所以說，對(duì)于深基坑工程的實(shí)際變形情況而言，套用一些經(jīng)驗(yàn)的位移指標(biāo)來判斷墻前土體是否達(dá)到被動(dòng)極限狀態(tài)，是有局限性的；3）在黏性土上的許多基坑支護(hù)工程，護(hù)坡樁鋼筋強(qiáng)度未完全發(fā)揮，實(shí)際鋼筋應(yīng)力還低于鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，造成很大浪費(fèi)，而造成鋼筋應(yīng)力低的原因主要是計(jì)算土壓力大于實(shí)際土壓力。實(shí)驗(yàn)還表明，把基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)視為平面不合理，因?yàn)榛庸こ痰摹敖切?yīng)”即土壓力的空間效應(yīng)，對(duì)墻體位移有明顯的抑制作用。利用這種空間效應(yīng)可以在兩邊折減樁數(shù)或減少配筋量。

4.3水土壓力的合算與分算

按照有效應(yīng)力原理，可知“土、水壓力分算”比“土、水壓力合算”概念要清楚。但由于要測(cè)得有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，一般試驗(yàn)難以做好，而且水、土壓力合算法在一些軟黏土地區(qū)的臨時(shí)性開挖工程中土壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為符合。

土在有水作用時(shí)，墻后土壓力主要是水、土壓力共同作用的結(jié)果，在未搞清水、土耦合效應(yīng)的前提下，水、土壓力合算是一個(gè)包含一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的綜合方法，對(duì)工程實(shí)踐來說是有利的。為搞清墻后土體在水、土共同作用下的破壞機(jī)理，進(jìn)行水、土壓力分算，是符合系統(tǒng)科學(xué)原理的方法。

五、支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

5.1靜力平衡法

靜力平衡法亦稱自由端支承法，該法假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)是剛性的，并可繞支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的前側(cè)產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，后側(cè)產(chǎn)生主動(dòng)土壓力。靜力平衡法適用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度不太深即底端非嵌固的情況，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于土壓力的作用而達(dá)到極限平衡狀態(tài)。利用墻前后土壓力的極限平衡條件來求插入深度、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等。

5.2等值梁法

單支撐（錨拉）埋深板樁計(jì)算，將其視為上端簡支、下端固定支承，變形曲線有一反彎點(diǎn)，一般認(rèn)為該點(diǎn)彎矩值為零，于是可把擋土結(jié)構(gòu)劃分為兩段假想梁，上部為簡支，下部為一次超靜定結(jié)構(gòu)，其彎矩圖不變，該法稱為等值梁法。實(shí)踐表明，等值梁法計(jì)算板樁是偏于安全的，實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算常將最大彎矩予以折減，折減經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.6～0.8，一般取0.74。等值梁法基于極限平衡狀態(tài)理論，假定支擋結(jié)構(gòu)前后受極限狀態(tài)的主被動(dòng)土壓力作用，不能反映支擋結(jié)構(gòu)的變形情況，亦即無法預(yù)先估計(jì)開挖對(duì)周圍建筑物的影響，故一般僅作支護(hù)體系內(nèi)力計(jì)算的校核方法之一。

5.3彈性地基梁的m法

基坑工程彈性地基梁法取單位寬度的擋墻作為豎直放置的彈性地基梁，支撐簡化為與截面面積、彈性模量和計(jì)算長度等有關(guān)的二力桿彈簧。彈性地基梁法中土對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的抗力（地基反力）用土彈簧模擬，地基反力的大小與擋墻的變形有關(guān)，即地基反力由水平地基反力系數(shù)同該深度擋墻變形的乘積確定。即f=mzy，其中，.f為土對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的水平地基反力，kN/m2；為比例系數(shù)，kN/m4；為計(jì)算深度，m；為計(jì)算點(diǎn)處擋墻的水平位移m。彈性地基梁的m法優(yōu)點(diǎn)是考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的變形協(xié)調(diào)。工程實(shí)踐表明，在軟土中的懸臂樁支護(hù)計(jì)算采用m法，計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移有很大差異，實(shí)測(cè)位移是計(jì)算值的好幾倍。這說明樁后土體變形已不再屬于彈性范圍。另外，m法無法直接確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度，通常假定試算有很大的隨意性，有時(shí)樁底落在軟弱土層中，還需經(jīng)驗(yàn)來修正。

六、結(jié)語

良好的基坑支護(hù)施工技術(shù)，是整個(gè)工程施工順利的前提與保證，是整個(gè)龐大工程的重要開端。因此，加強(qiáng)對(duì)建筑深基坑施工技術(shù)的認(rèn)識(shí)與研究意義重大。