深基坑支护结构分析与经济性研究

　　摘要：基坑支护的设计和施工技术日益受到人们的重视，通过计算对比和经济性分析，使土钉墙、悬臂式排桩和单支点桩板支护结构在不同的基坑支护深度下显示出其最大的经济价值，从而为深基坑支护的设计和施工提供有效的参考价值。
　　关键词：深基坑支护；理论分析；经济对比
　　一.前言
　　随着我国经济建设的发展，对城市建筑物的高度和荷载都提出了更高的要术，因此对地基承载能力的要求越来越高，基础的埋置越来越深，使深基坑及其支护技术变得越发重要。本着能够指导工程实践及将成果实用化的目的，采用科学的理论分析方法，揭示在西北地区的黄土或湿陷性黄土的条件下，理论分析土钉和单支点桩板支护结构的受力情况，并结合具体情况，尽可能准确地确定相关参数，使理论计算尽量与实际吻合，从而为土钉墙、悬臂式排桩和单支点桩板支护结构的设计提供参考。
　　二．支护结构的计算理论
　　基坑支护是由支撑、挡墙和土体相互作用而形成的复杂结构体系，而这个结构体系的形成又经历了建立挡墙一逐层开挖土方一逐层安装支撑，这样一个复杂的过程，因此，更精确地分析其受力是比较困难的，随着基坑支护实践的理论的发展，目前其计算理论大致有如下几类。
　　1极限平衡理论
　　该理论基于土体的极限平衡，即“刚塑性理论”，假定破坏的土体是刚体，而滑移面上的正应力和切应力服从莫尔-库伦条件。这种理论在支护上应用，不考虑支护自身的变形，只根据支护移动的趋势，假定作用于基坑面以下支护两侧的作用力为主动土压力或被动土压力，也就是说，开挖面下面支护的受力是已知的，未知数仅仅是支护的人土深度和基坑面以上各层支撑的支反力。
　　2弹性支点法
　　由于深基坑支护结构侧向土压力是基于刚塑体理论，无法计算承载力极限状态以前的变形，该理论对于破坏状态以前应力—应变关系无从解释，因此人们不得不求助于刚塑体理论以外的方法，弹性地基梁法正是这样一种方法弹性地基梁理论基于土体的弹性平衡。由于多层支护挡墙人土部分的位移量较小，难于达到出现被动土压力所产生的位移，该理论把挡墙的人土部分作为弹性地基梁来分析。
　　3弹性有限元方法
　　该理论基于土体、挡墙和支撑的共同变形，把开挖面上下的土体作为弹性介质，对土压力的分布不作假定，把挡墙前后一定范围内的土体化为平面应力单元，挡墙为梁单元，水平支撑为杆单元。由于土体属于半无限平面，对土体的边界条件要作适当处理。
　　4非线性有限元方法
　　对于土体考虑非线性性质，其本构关系可以采用莫尔一库仑理论弹塑性模型、剑桥模型等，以考虑应力历史，为了模拟围护结构与土体的共同作用，在土体与挡墙之间，设置接触单元，而挡墙和支撑，仍按弹性材料考虑。有限元方法的优点是不仅能计算支护变形，也能计算土体本身的变形，能处理复杂的土质条件，加荷历史和边界条件等。但是有限元方法，尤其是非线性有限元方法，由于参数难以准确取值及计算工作量大等原因，目前我国在基坑支护结构设计中尚无直接利用平面有限元方法的计算结果作为设计依据的实例。有时结合重大工程技术问题的处理，把它作一种辅助手段。目前，在基坑支护的计算方面，有限元方法主要用于理论研究。
　　三．三种支护结构选型的经济对比分析
　　通过对三种不同支护结构计算(计算从略)，现将结果对比分析如下。
　　1单支点桩板支护结构计算结果
　　单支点桩板支护结构每米宽度工程造价包括锚杆工程造价、桩身混凝土造价、桩身钢筋造价、面板混凝土造价、面板钢筋造价，按锚杆150米/米、钢材4000元/吨、混凝土300元/吨计算，考虑到成桩工艺较土钉墙面层复杂，故桩板支护结构的工程造价计算中混凝土提高到400元／吨。
　　该计算结果是运用上述的单支点桩板支护计算程序的计算结果，该次计算的输入参数为：填土表面超载q=20kN／m2，填土重度Rt=20kN／m3，填土内摩擦角=20o，土体粘聚力C=10kPa，桩柱间距S1=1.5m。
　　表1不同开挖深度时单支点桩板支护结构的计算结果

　　2悬臂桩支护结构计算结果
　　悬臂桩支护结构每米宽度工程造价包括桩身混凝土造价、桩身钢筋造价，按钢材4000元/吨、混凝土500元/m3计算，考虑到成桩工艺较复杂，故桩板支护结构的工程造价计算中混凝土提高到600元/m3。该计算结果是运用上述的悬臂式板桩支护计算程序的计算结果，该次计算的输人参数为：填土表面超载q=20kN／m2，填土重度Rt=20kN／m3，填土内摩擦角=20o，土体粘聚力C=10kPa。
　　表2不同开挖深度时悬臂桩支护结构的计算结果
　
　　3土钉墙支护结构计算结果
　　土钉墙每米宽度范围工程总造价包括土钉工程造价、面板钢筋造价，面板混凝土造价，土钉钢材4000元／吨、混凝土300元／吨计算。该计算结果是运用上述的土钉墙支护计算程序的计算结果，该次计算的输入参数为：填填土表面超载q=20kN／m2，
　　边坡坡度=80o，土钉与水平面的夹角=10o，填土重度Rt=20kN／m3，填土内摩擦角=20o，土体粘聚力C=10kPa，土钉竖向间距S1=1.5m，土钉横向问距S2=1.5m，=1.0结构重要性系数，可以用来调整圆弧滑移面的稳定性数。
　　表3不同开挖深度时土钉墙支护结构的计算结果

　　4对比分析
　　如表1、2,3和曲线图1所示。

　　图1三种支护结构工程造价对比图
　　从上述计算结果的图和表可以看出当基坑开挖深度超过时，单支点桩板支护的单方工程总造价才超过土钉墙，随后随着基坑开挖深度的逐渐增大。单支点桩板支护的单方工程总造价增长速率逐渐远大于土钉墙支护结构的单方总工程造价。但由于众所周知，土钉墙支护结构的基坑顶部位移要远大于单支点桩板支护结构的顶部位移，因此作者认为在支护结构总工程造价相差不大的情况下，优先选择单支点桩板支护结构。不过究竟具体在基坑开挖深度超过几米时，使用土钉墙比单支点桩板支护结构更具有优越性，这不能仅仅依靠简单的结构本身的材料造价，还要综合两者的施工周期、基坑的重要性等级、基坑周边环境对变形的要求等诸多的因素了，这也是可以进行进一步的深入研究的问题。目前根据上述的对比表格，作者综合多方面的因素，建议基坑开挖深度在6~7m及以下时，采用单支点桩板支护结构较适用而且比较经济，开挖深度在6～7m以上时，采用土钉墙支护结构比较经济(限于与单支点桩板支护结构比较)，但要注意控制土钉墙支护结构的地表变形值。而对于悬臂桩板桩支护结构，由上述图表可看出，存在造价偏高的倾向，基本上到6m以上就很难去计算该结构形式，而且由于悬臂式板桩结构由于结构受力为悬挑式受力结构，结构体受力形式比较不好，因此建议应在支护深度不大(<4m)的情况下使用，另外，在有条件的情况下，尽量使用单支点或多支点支护等结构受力比较好的结构形式。
　　参考文献：
　　[1]GB50007—2002，建筑地基基础设计规范[S]
　　[2]JGJ120—97，建筑基坑支护技术规范[S]