深基坑支护结构设计的优化方法

◎李菁

（作者单位：中化地质江苏岩土工程有限公司）

在建设工程施工过程中，深基坑应用非常广泛，如果方案选择不合理、施工控制不严格，可能会出现流沙、地基隆起，甚至塌方等事故。在实际应用过程中，基坑支护和开挖的方法较多，企业行业对施工方法的选择和应用存在一定缺陷或不足。本文主要针对深基坑支护结构设计的优化方法进行分析和讨论。

一、深基坑支护结构概述

地下连续墙支护结构。这种在软土地区深基坑开挖施工的支护结构，主要是适合深度超过10m的地质环境，特别是建筑物对土地沉降和偏移有较高要求时，用连续墙作为支护，更能保证质量。一方面，地质较为坚硬的土地，不利于连续墙的开挖施工，软土地区地下连续墙的开挖施工更加便捷，另一方面，这种结构能在软土地质条件中发挥较大的作用，工程建设低下连续墙支护结构也利于软土地区深基坑的实施，降低开挖难度的同时，也能更好地控制成本。

钢板桩支护结构，其施工工艺较少，且经济效益比较突出，深基坑施工应用钢板桩支护结构，可灵活地依据深基坑施工要求选择合适的钢板桩类型，常用的有z型、u型及直腹板型。因为，钢板桩支护结构是可以重复使用的，虽然结构上有一定的缺陷，对技术要求较高，但是这种结构十分适合软土地区的深基坑支护，对于深度在7m以上，非住宅区范围内的深基坑支护都会优先考虑此结构。

排桩支护结构，比较适合基坑周边边坡的土质较软的环境，这种环境下很难建设有效的土拱，设置排列支护桩就能有效的形成支护作用。只是这种支护结构的设置，要先对支护桩进行防水和注浆处理，使得钢筋混凝土的板桩钢板的分布紧密。常用的是柱列式的排桩支护，若是周边环境良好，且地下水位比较低，就能打造土拱架构，将一部分的挖孔桩改造成支护结构；若是土地比较软，且地下水位较高，则可以利用水泥搅拌桩构成防渗墙或是灌注桩打造成排桩负责深基坑支护。若是深度不超过6m，难以使用深层搅拌桩，则应该选择600mm的钻孔桩负责深基坑支护。

土钉墙支护结构，这种支护结构，是将一定长度杆件钉进土地结构中，然后在边坡上安装好钢筋制成的网，并进行喷锚，利用了原有的土地结构，借助土钉和喷射的混凝土进行支护，形成复合型土地。借助土地自由的稳定性，使得深基坑施工能顺利开展，土钉墙支护结构也会用在开挖比较大且周边建筑对土地沉降和位移要求不高的条件下。

二、深基坑支护结构设计优化方法

1.优化设计思路。在对设计方案进行确定的过程中，除了要对施工现场的地形地质条件进行充分考虑之外，还要对其有关行业规定和法律法规进行考虑，从根本上保证深基坑支护结构设计方案的经济安全以及科学合理性。在对支护结构设计方案进行优化的过程中，在进行支护方式选择的时候需要与实际情况相结合。主要做法为：在深基坑支护施工当中，支护方式一般有重力式挡土墙支护结构、悬臂式支护结构以及混合式支护结构。所谓的重力式挡土墙支护结构其实就是利用自身重量来确保整体结构的平衡性，避免支护结构由于各方面的压力而出现失稳的情况。悬臂式支护结构则是在基坑底部嵌入岩土，从而来支撑地面重量，确保结构的整体平衡性。主要用于土质状况良好、基坑深度较浅的场地。而对于混合式支护结构来讲，其基础就是悬臂式支护结构，不同之处则在于前者需要增加锚杆来对结构进行支护，如挡土结构和锚杆等。通常情况下将锚杆固定在基坑防滑面的外部，可以稳固土体，所以该方式具有较高的稳定性。一般在规模较大但变形不大的深基坑当中应用的较多。

2.优化设计计算。在计算深基坑支护结构的时候有：（1）弹性地基量m法与弹塑有限单元法；（2）经历平衡法与等值梁法。

第一种计算方法尽管对土体变形以及支护结构进行了考虑，但是其整体仍然不够完善。比如，在计算的时候需要用到参数m，然而在确定m的时候却有一定的难度，这主要是由于：由于不同地址条件的原因，在其取值范围当中并不一致，且差距较大。在具体设计深基坑结构的时候，m只是一项弹性指标，不能直接计算支护结构的插入深度。大量实践表明，在对悬臂桩支护结构进行计算的时候采用弹性地基量m法与实际测量得到的位移数据不符，所产生的误差也较大，也就表示桩后土体变形并不在弹性范围当中。

第二种计算方法在具体计算支护结构的内力以及插入深度的时候，主要是结合墙前后泥土压力极限平衡条件来进行的。而在具体进行设计的时候该方法往往用不到，主要由于技术条件方面的原因，墙前后泥土压力极限值很难准确测算出来，通常都是进行估算。

3.优化主体结构。结构优化设计是一个十分复杂的系统工作。因为一个建构筑物本身就是一个从上到下的结构系统。选择合理的、规则的平立面方案，是一个成功的优化结构设计的开始。越是复杂的建筑造型，越增加结构抵抗地震的建筑成本。选择合理的结构体系，对造价影响较大，如剪力墙含钢量比普通短肢剪力墙低。通过选择合理的基础形式，能实现降低基础造价和增加，上部结构整体稳定性。不同的结构形式，结构优化的重点各不相同，例如，剪力墙结构，剪力墙中所占上部结构钢筋量在60%左右，剪力墙是这种结构优化的重点；框架结构中梁的钢筋用量在整体结构中占比较大，故框架结构上部优化的重点在梁的优化上。

4.规范支护工序。在施工过程中相关工作人员必须充分重视深基坑支护工作，严格按照相关规定实施施工工序，不得私自更改，避免因程序不规范造成的安全隐患。因地质、气候、水文等条件的不同，因此施工单位在不同区域进行基坑支护工程前都应对区域进行详细勘察，并以数据为根据进行合理工序安排，为施工安全性提供保证。深基坑开挖方式也存在不同，相关人员必须对平面布置要求以及具体土地强度进行提前调查，在开挖之前分析具体挖方边界，根据土质条件对分层厚度进行确定。垫层处理在基坑开挖过程中作用也较为明显，可以为基坑提供有效支撑，防止围护变形的出现，提升基坑安全性。

结束语：建设工程结构优化设计是实现结构设计最终目标一适用、安全和经济性的最有效途径，根据实际情况的要求，通过科学、合理和有效的优化设计来构建数据模型。优化结构设计是顺应时代发展潮流的必定选择，在优化过程中，要使用科学的优化应用方法。运用实际有效的方法设计工程结构，对于缺陷的工程设计及时修改处理回收，完善工程体系，提高工程优化性能。