深基坑工程的设计模型概述

郭慧敏

【摘要】文章总结了深基坑工程的設计方法，介绍了侧向土压力的计算理论，列举了几种常见的支护结构的设计计算模型。

【关键字】深基坑支护；计算模型

1 引 言

基坑是指为建造建筑物基础或地下室所开挖的地面以下空间。松软土中开挖深度大于5m、其他土质中大于8m的称为深基坑。深基坑支护结构设计，应遵循一般程序与原则。具体包括：①依据现场情况选定支护结构体系；②确定各种设定施工工况下，构件的作用力及作用力简化；③选择支护结构体系受力分析模型；④进行受力分析、结构变形计算；⑤验算结构及构件是否满足设计要求。其中分析模型的选择是极其重要的环节。本人对深基坑支护工程的理论模型作简要叙述，不妥之处请批评指正。

2 不同支护结构的设计计算模型

由于现场条件的限制，深基坑不允许其保持天然坡度，故而采用不同支护结构保持其开挖面稳定。本节将对几种常见的支护结构的计算模型做简要介绍。

2.1 悬臂式支护结构

悬臂式支护结够为最为常用的深基础支护结构。该结构利用悬臂作用来挡住基坑内土体，其基本结构为地下连续墙、木桩、钢筋混凝土桩及钢板桩等。该种结构设计理论现阶段比较成熟的方法有静力平衡法、杆系有限元法等。其中最常用的是静力平衡法。

由于填土特性复杂，对于无粘性均质土、粘性均质土、非均质土等不同类型，设计各有不同。以下选取较为简单的无粘性均质土，对于更为复杂的粘性均质土和非均质土，只需在此模型上，做部分改动和参数变化。

该模型假定在填土侧开挖面以上受主动土压力。在主动土压力的影响下，支护结构趋于旋转，从而在支护结构前产生被动压力，在支护结构后产生主动压力。而在旋转分界点的上下土体，所受主、被动土压力正好相反。

图1 非粘性土中悬臂板桩压力图

我们假定开挖面上下土体具有相同的物理力学性质。图1标出了设计所需各项，其中 为填土容重； 为填土内摩擦角； 为主、被动土压力系数； 为挡土墙高度； 为结构所受压力为零点距开挖面距离； 为最大弯矩作用点距开挖面距离； 为板桩入土最小深度。其具体数值可通过实验和规范要求的计算公式得到，此处不赘述。由以上值可解出该类支护结构的入土深度。

（2）杆系有限单元法

这种方法是通过将支护结构离散成若干有限单元来实现的。开挖面以上的支护结构采用梁单元，开挖面以下的支护结构采用弹性地基梁单元，荷载为主动土压力和水压力，支撑为弹性支撑杆单元。通过以上简化后，按照常规杆系有限单元法的方法即可进行结构设计。

2.2锚杆支护结构

锚杆是一种受拉构件，分为锚固段和自由段。锚固段是土层锚杆在土中以摩擦力形式传递荷载部分，它的上部与自由段相接。自由段不与钻孔土壁接触，仅把锚固力传递到锚头处。这种支护方式，可使悬臂式结构厚度减小到最经济范围。在工程应用中，一般采用斜锚杆。 注意：

为防止钻孔时发生坍孔，斜土锚的高度最好在填土层以下。

其自由段长度为：对于预应力锚杆，其长度不小于5m。锚固段应进入到较硬的持力层中，锚固段长度应不小于4m，其长度由锚杆设计拉力值及锚固段土体摩阻力强度决定。

而锚杆直径 应符合下列要求：

（1）

其中： --锚杆直径； --设计锚杆拉力； --锚杆材料容许拉应力； --锚杆钢材年锈蚀量； --锚杆使用年限。

2.3 混合支护结构

混合支护结构是由挡墙和固定于挡墙上的其他支护结构组合而成。挡墙可用板桩、立柱、地下连续墙等，而其他支护解耦股为撑梁和支撑、斜撑或锚杆。混合支护结构的侧向土压力分布经我国工程经验与实测结果证明，在简化条件下，应用简单的悬臂结构侧向土压力分布结果是可行的。有限元法是混合支护结构分析现有的最有效和最合理的方法。该模型实际上是一个旋转了90度的弹性地基上梁的问题，其中仅将开挖面以上的土弹簧予以除去。有限元求解该模型结构的步骤如下：①画出土-墙系统并决定节点位置；②用库伦公式计算从地面到开挖面的侧向土压力；③计算基坑以下土的基床反力模量④在需要读入土弹簧的地方，对土节点进行定位；⑤如需要，可输入计算锚杆力。

2.4 双排桩支护结构

双排桩支护结构由两排平行的钢筋混凝土桩以及在桩顶的帽梁连接而成，其结构类似于嵌入土中的门式框架。该结构前排桩的受力情况类似于单支点混合结构，但其土压力的计算方法又有别于单支点混合结构。

该模型以结构内力分析所采用的门式框架分析方法为基础，考虑了土与结构的共同作用。该模型将双排支护结构分割为前、后排桩及盖梁三部分，前排桩在开挖面以上荷载 、盖梁作用力及开挖面下弹簧支点下工作，而后排桩则在后排土压力 、盖梁作用及开挖面下弹簧支点下工作。这样，只要确定了 ，及地基土刚度系数，则可利用结构力学方法方便的求出结构受力。但该种方法显得较为复杂，一般将该模型假定为开挖面下某一深度为弯矩最大值作用点为固端梁的方法。

2.5 重力式挡墙结构

重力式挡墙结构是依靠其自身自重来起到基坑支护作用。该结构的计算包括：滑动稳定性验算、倾复稳定性验算、地基土容许承载力验算以及结构自身材料应力验算。前两者的确定必须建立在已知结构尺寸的前提下，所以在具体设计中，常常根据经验，先假定结构尺寸，然后再通过试算法，逐步修正假定结果。由于挡墙结构较原有地基土变化不大，所以后两者常常不必验算。

滑动稳定性是以抵抗滑动的力与引起滑动的力的比值 来表示，即：

（2）

倾覆稳定性验算是以稳定力矩与倾覆力矩的比值 来表示。即：

（3）

式中： --抗滑稳定系数； --墙体自重； --主动土压力； --被动土压力； --基底摩擦系数。

参考文献：

[1]黄强. 深基坑支护工程设计技术[M]. 中国建材工业出版社，1998.7.

[2]高大钊主编. 深基坑工程[M] 机械工业出版社，1999.9.

[3]许德慧. 深基坑支护结构优化设计方法研究[D] 中南大学硕士学位论文，2002.3.