深基坑工程支护结构设计及优化方法研究论.doc

深基坑工程支护结构设计及优化方法研究【摘要】现代城市的建设发展以及技术的进步对深基坑工程设计提出了一个更高的要求:既要安全可靠又要经济一节约,同时还要满足周边环境控制的目的,这就需要研究贯穿整个深基坑工程设计和施工全过程的优化设计理论和方法。本文从系统工程的观点出发在前人研究的基础上,运用最优化设计理论,研究深基坑工程优化设计的基本原理,着重研究并找出一种科学合理的支护方案优选决策方法,并将优化选型和基坑支护设计软件相结合,构成一套完整的支护结构设计系统。本文主要完成了以下工作:总结了目前常用的支护类型及其适用条件。本文对解决当前基坑工程设计、施工中存在的问题,提高企业的经济效益和社会效益都具有十分重要的理论和现实意义。关键词:深基坑工程、基坑支护设计、支护结构类型1、绪论 基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题。基坑是指为进行建筑物(包括构筑物)基础与地下室的施工而开挖的地面以下的空间,而开挖深度大于或等于7m的基坑一般被划归为深基坑。改革开放前,我国的高层建筑较少,基坑深度一般在m5以内,大部分可以采用无支护的放坡开挖或少量钢板支护开挖。自70年代初在北京建成了深2m0的地下铁道区间和东站深基后,80年代在一些大中城市修造的深基坑陆续增加。基坑工程在我国进行广泛的研究始于80代初,那时我国的改.革开放方兴未艾,基础设施建设如火如茶,高层建筑不断涌现,相应地基础埋深不断增加,基坑开挖深度也就不断发展。特别是到了90年代,为了总结我国深基坑支护和施工经验,有关部门开始着手编制深基坑支护与施工的有关法规,大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段,在繁华的城区内进行深基坑开挖给这一古老课题提出了的新的内容和挑战,那就是如何控制深基坑开挖的环境效应问题,从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展,产生了许多先进的设计、计算方法,众多新的施工工艺也不断付诸实施,出现了许多技术先进的成功工程实例。2、研究的目的及意义 由于城市建设用地的局限性、周边环境的严峻性以及深基坑工程在开挖和维护过程中所涉及问题的复杂性和不确定性,深基坑工程仍然是一个极具挑战性、高风险性、高难度的岩土工程技术课题。因此,对深基坑工程的设计计算理论和方法进行更深入的研究也是完全必要的。尽管目前的基坑工程方法的研究己取得了很大进展,但这些研究大多只是将深基坑工程的方方面面割裂开来分别进行的,而很少将整个深基坑工程作为一个系统去研究,实际工程设计也多是追求一个“安全”的深基坑工程,而不是一个“最优”的深基坑工程。现代城市建设和发展以及技术进步对深基坑工程设计提出了一个更高的要求:既要技术安全可靠,又要经济上节约,同时还要满足周边环境控制的目的,这就需要研究贯穿整个深基坑工程设计和施工全过程的优化设计理论和方法,以及将传统的以强度和稳定控制的设计理论转变为以变形和环境控制为主的设计在深基坑工程中,支护方案的选择也是至关重要的。由于支护结构一般是临时支护,如果一味追求安全,就会造成不必要的浪费。因此,对深基坑开挖时,就需寻求一种安全、经济、可行的支护方案,减少费用,达到较高的经济效益。方案选择的盲目和偏见是有害的:有的设计人员为了达到省钱的目的,却造成工程事故;而有的设计人员片面追求安全,却造成了的极大浪费。在目前的诸多工程实践中,为了选择一个较好的支护方案类型,业主往往需要征询专家的意见。专家们的选择往往因其长期从事研究性质的不同而带有偏向性。在过去的几年间,我国在深基坑支护方面相继发生了许多重大的工程事故,对项目工期的延误、经济的浪费和周边环境的破坏均造成了极其严重的影响。我国著名深基坑专家唐业清教授对近年发生的103起深基坑事故进行了统计调查分析,从结果表明由于基坑设计不当造成的事故多达46起,占被调查总数的45%。其中,由于支护方案选择不慎造成的事故也占相当大的比例。例如海口市机场东路“宇海宾馆”基坑工程事故,基坑深m8,采用喷锚支护,当开挖到基底时,南侧一、三层砖混结构的旅行社突然发出断裂的响声,使旅行社楼房全部滑入基坑中。事故发生后,组织专家分析原因主要是:支护方案选择不当,造成了这次严重的工程事故”,l。因此,为了得到安全可行、经济合理、施工便捷、环境保护的支护方案,基于现有理论,找出一套客观合理且可操作性强的设计方法,就显得非常必要。3、基坑支护设计及优化现状 任何一个工程方面的课题发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的成果。基坑工程的发展往往是一种新支护型式的出现带动新的分析方法的产生,并遵循实践、认识、再实践再认识的规律,而走向成熟。在当前的基坑工程设计中,一直有一对矛盾困扰着人们,即经济性和安全性。由于目前尚缺乏可靠的设计理论和支护方案优选方法,实际工程中有时为了安全性,支护选型和设计极为保守,这样就不得不加大投资,造成不必要的浪费;另一方面有时为了片面追求经济性,而降低了基坑的稳定性、变形控制和设计安全方面的要求,而造成工程事故,导致了更大的经济损失。解决这一矛盾的合理途径就是要研究深基坑工程的优化设计。如上文所述己有不少学者提出的优化设计思想,主要是从各种不同方案之间比较来选择较经济合理的基坑开挖支护方案的优化”。在基坑支护设计方面,土压力的计算与分布,支撑的刚度与设置,基坑开挖的时空效应、振动对支护结构的影响等尚待研究与完善。因此,仅依靠理论分析和经验估计难以完全把握在复杂条件下的基坑开挖变形规律。另外,支护系统的变形预报,基坑实时监测与信息化施工对确保基坑支护系统的正常工作状态十分重要。为寻求安全经济地进行基坑工程的施工,建设部等部委组织有关专家完成了基坑工程技术规范与行业标准的制定,各地也根据地方特点组织编写了地方规范。不少专家及学者针对基坑工程理论现状,相继提出了各自的新理论与新方法,如我国较早对土钉支护进行原位试验和分析的是山西太原煤矿设计院的王步云等人,提出了土钉设计王步云法。他们根据黄土类边坡土钉墙试验结果得出了黄土类边坡土钉墙土压力分布规律、墙体破坏形式和设计计算方法等。秦四清提出的土钉支护机理与优化设计理论,他通过理论分析、试验研究和有限元模拟,系统研究了深基坑土钉支护机理,支护结构稳定性以及土钉支护优化设计问题,首次将准粘聚力理论用于土钉支护结构的整体稳定性分析,首次应用剪滞力理论研究了钉土相互作用问题,并首次从理论上对支护结构中的土拱效应进行了初步的研究。从多角度对土钉支护优化设计问题进行了理论研究。利用有限元方法模拟了深基坑无支护分步开挖与十钉支护分步开挖的应力场、位移场等的变化规律,通过分析对比,总结了土钉支护的原理。还有其它学者提出的人工神经网络预测支护系统变形理论,有限元分析理论等。一些传统的设计方法是设计者凭个人经验进行手工设计,因为深基坑工程是一个很复杂的系统,影响因素众多,因素间又相互影响和约束,所以用手工设计很难达到既安全又经济的设计效果。因此,在进行支护结构设计计算之前,找出最优化、最合理的支护结构型式就显得尤为重要。4、深基坑支护设计方法 基坑工程设计,是应用勘察资料,进行支护结构、降水、土方开挖方案、监测和环境保护方案等的设计。基坑工程的设计与施工密切相关,施工工艺、施工顺序、支撑形成与拆除等都会影响计算结果。在进行基坑设计之前,应收集下列资料:)l岩土工程勘察报告;2)邻近建筑物和地下设施的类型及分布图:3)用地界线及红线图、邻近地下管线图、建筑总平面图、地下结构平面和剖面图等。深基坑工程是一个综合性工程,除了以上支护结构必须具备的设计资料外,基坑支护设计必须依据国家及地区现行有关的设计、施工技术规程.如建筑基坑支护技术规程、建筑边坡工程技术规范、钢筋混凝士结构等设计规范。设计前必须调研和汇总有关规程并注意各类规范的统一和协调。另外,在基坑设计前,还应该积极调研和吸取当地相似基坑工程的成功与失败的原因、经验和教训,特别在进行异地设计、施工时,更应当注意。基坑工程的设计内容,一般应包括:1)支护体系和方案比较和选型;2)支护结构的强度和变形计算;3)基坑稳定性验算;4)围护墙的抗渗计算;5)降水方案;6)挖土方案;7)监测方案与环境保护要求。为保证基坑工程的安全,必须具备严谨的科学态度,既要重视工程经验,同时又要注意理论指导,以便防患于未然。基坑工程设计遵循的一般原则为:一、重视基本理论的指导作用尽管土力学理论与计算方法尚远不能解决基坑工程中出现的所有问题,也不能时常提供“精确”的计算结果,唯有结合实际工程经验加以应用才是上策。但是,所有成功的工程与土力学、结构力学所揭示的基本理论是一致的,并可能是对其理论和计算的补充、完善。当前,以研究软土流变性质与工程经验相结合的“时空效应”理论及其对工程的指导作用就是成功的例证之一。相反,一些失败的例子,总是在某些方面违反了基本理论所确定的规则。二、设计中计算分析全面,避免“漏项”,并且应考虑各种不利条件下的“工况”。土质指标及抗力系数的选用要把理论与当地工程经验相结合。对可能遇到的雨季等自然条件变化,尚应考虑强度降低的可能性。对于基坑通过不同加固之后的计算指标,目前只能根据试验和当地经验加以确定。三、做好基坑工程总体方案的选择鉴于基坑工程的复杂性和风险性,要求设计者掌握本地区或类似条件下成功的经验和失败的教训,根据自身工程要求和条件综合考虑,做出安全、可靠、经济的整体方案(包括支护结构、支护体系、土方开挖、降水、地基加固、监测和环保等)。四、做好地下水和地表水的控制在地下水位高和透水性强的地层中,务必确定可靠的隔水或降水方案。在建造隔水帷幕(或墙)时,需要选用与土层相适应的地基加固方法,确保形成连续的隔水帷幕。五、软土地区基坑开挖和支撑工作中,应用“时空效应”的概念,精心安排挖土和支撑方案,对保证基坑安全,减少位移有重要作用。六、认真做好时工期监测,发现异常情况,及时采取措施以防止恶化.而一旦出现大的变形或滑动,应立即分析主要原因,做出可靠的加固设计和施工方案,使加固工作快速而有效,防止变形或滑动继续发展。七、研究和应用己有的基坑工程行业的和地区性规范以及当地的工程经验。对于重大复杂的基坑工程目前国内采用专家论证的形式,对于保证工程安全、降低造价是有效和现实的一种方法。对于基坑支护设计通常按建筑基坑支护技术规程(JGJ12099)规定的设计方法如下:一、基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。二、基坑支护结构极限状态可分为下列两类:1.承载能力极限状态:对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。2.正常使用极限状态:对应于支护结构的变形己妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。三、基坑支护结构设计应根据基坑侧壁安全等级及重要性系数选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。根据基坑的开挖深度H、邻近建(构)筑物及管线至坑口的距离d、工程地质、水文地质条件,按破坏后的严重程度将基坑工程分为三个安全等级,并分别对应于三个级别的重要性系数,因此,根据基坑工程的安全等级,基坑可分为一级基坑、二级基坑和三级基坑。四、支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水变化对周边环境的水平与竖向变形的影响,对于安全等级为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁,应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。五、当场地内有地下水时,应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素,确定地下水控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泄或地下水管渗漏时,应对基坑采取保护措施。六、根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求,基坑支护应按下列规定进行计算和验算:1.基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算,计算内容应包括:1)根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算:2)基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算;3)当有锚杆或支撑时,应对其进行承载力计算和稳定性验算。2.对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁,尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。3.地下水控制计算和演算:)l抗渗透稳定性验算:2)基坑底突涌稳定性验算;3)根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。七、基坑支护设计内容应包括对支护结构计算和验算、质量检测及施工监控的要求。武汉理_!:人学硕十学位论文八、当有条件时,基坑应采用局部或全部放坡开挖,放坡坡度应满足其稳定性要求。5、常见支护结构类型及其适用范围 基坑支护设计中首要任务就是选择合适的支护型式,然后进行支护结构的计算分析,根据计算分析进行支护结构的设计,包括结构截面、支撑或锚杆尺寸、入土深度、护坡桩和土钉墙的配筋等设计。同一基坑,采用不同支护型式,其造价差有时是巨大的,如深圳罗湖车站基坑工程,通过对支护型式的优化,节省一千多万元,其中效益最显著的优化是在强风化岩层中,把桩十锚杆的支护型式优化为土钉墙支护。而有些地方,如软土或砂层较厚而周边居民又近的地方,当采用土钉支护时,又有可能造成危险,合理的选择基坑支护型式是很重要的”,。基坑支护结构选型应考虑结构的空间效应和受力特点,采用有利支护结构材料受力的形式,可根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工季节及基坑侧壁等级条件选用合适的维护结构体系,选用原则是安全、经济、方便施工。因此,本章将着重介绍当前基坑工程中常用的一些支护型式及其适用条件。（1）放坡开挖放坡开挖的特点是造价经济,适用于侧壁安全等级为三级的基坑,是设计时应首先考虑的支护型式,可独立或与以下其他支护结构联合使用。它适用于周围场地开阔、地下水少、基坑土质条件较好的场地,周围无重要建筑物,只要求稳定,位移控制无严格要求。缺点是需要较大的工作空间,雨水多时易发生事故且回填土方大。（2）土钉墙支护结构土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置,传统上称砂浆锚杆(如图2一2所示)。当放坡不满足稳定,或场地不够时,可采用土钉支护,适用于侧壁安全等级为二、三级的基坑;当要控制位移时,也可以加预应力锚杆,或加超前支护,也可以用搅拌桩等止水。土钉支护是近年发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术,由于经济可靠,坡度适应性大,应用较广(除深厚软土层外,大部分土层都可用),且施工快速简便,己在大量工程中得到应用。主要应用于有一定粘性的砂土、粘性土、粉土、黄土及杂填土,当场地同时存在砂、粘土和不同风化程度的岩体时,应用土钉支护特别有利。不足之处是土钉在基坑外,一般会侵占红线外的地下空间,对以后的地下空间开发应用会造成一定的影响。规范一般建议应用于深度不超过1m2的基坑,当地下水位高于基坑底面时,宜采用降水或截水措施,使用期限不超过18个月。当基坑深度超过12m时,位移控制的难度及要求都较高。（3）排桩支护结构排桩是采用密排或一定间距排列的桩组成的挡土结构,适用于侧壁安全等级为一、二、三级的基坑非软土场地.当基坑不太深时可采用悬臂式,悬臂式结构在软土场地中不宜大于sm。当基坑较深时可与支撑、锚杆等配合组成挡土结构(如图2一3)。桩的间距根据土质条件可密排或有一定间距,当桩的间距过大,为保护桩间土不致塌落,可在桩间加土钉支护。对地下水丰富且有止水要求的场地,也可在桩间用旋喷桩或定喷止水。排桩的桩型通常有钻孔桩和人工挖孔桩。列举了几种常用的排列形式的排桩挡土结构,其中:间隔排列式适用于无地下水或地下水较深,土质较好的情况;在地下水位较高时应与其它防水措施结合使用;一字形相切或搭接排列式,往往因在施工中桩的垂直度不能保证及桩体扩径等原因影响桩体搭接施工,从而达不到防水要求。因此除具有自身防水的S翩桩形挡墙(是一种在水泥土搅拌桩中插入型钢或其他芯材形成的同时具有承力与防渗两种功能的支护形式)外,常采用间隔排列与防水措施结合,具有施工方便,防水可靠,成为地下水位较高软土地层中最常用的柱列式挡土墙形式。（4）地下连续墙结构地下连续墙结构(如图2一5),适用于侧壁安全等级为一、二、三级的基坑非软土场地。当基坑不太深时可采用悬臂式地下连续墙,悬臂式地下连续墙在软土场地中不宜大于sm。地下连续墙1950年最早出现在意大利实施的两项工程,即SantaMalia大坝下深达4m0的防渗墙以Venafro附近的贮水池及引水工程中深达35m的防渗墙。自此以后,地下连续墙的建造技术在世界各地获得广泛的推广。我国1958年出现了排桩式地下连续墙,而壁板式地下连续墙1976年才出现。近年来,地下连续墙技术无论在工程实践中,还是在理论研究上都获得了很大发展。地下连续墙具有以下的优点:1、可作为永久结构的全部或一部分使用;2、可减少工程施工时对环境的影响。施工时振动少,噪声低:能够紧邻相近的建筑及地下管线施工,对沉降及变位较易控制;3、地下连续墙的墙体止水好、钢度大、整体性好,因而结构和地基变形都较小。特别适用于软土、砂层等要求高的场地;4、地下连续墙为整体连续结构,加上现浇墙壁厚度一般不少于60mc,钢筋保护层又较大,故耐久性好,抗渗性能亦较好;5、有利于施工安全,并加快施工进度,降低造价。地下连续墙的缺点:1、造价高,施工技术要求高;2、弃土及废泥浆的处理问题。除增加工程费用外,如处理不当,还会造成新的环境污染;3、地质条件和施工的适应性问题。从理论上讲,地下连续墙可适用于各种地层,但最适应的还是软塑、可塑的粘性土层.当地层条件复杂时,还会增加施工难度和影响工程造价:4、槽壁崩塌问题。引起槽壁崩塌的原因,可能是地下水位急剧上升,护壁泥浆液面急剧下降,有软弱疏松或砂性夹层,以及泥浆的性质不当或者己经变质,此外还有施工管理等方面的因素。槽壁崩塌会引起墙体混凝土超方和结构尺寸超出允许的界限,重则引起相邻地面沉降、崩塌,危及邻近建筑和地下管线的安全。（5）拉锚式支护结构拉锚是将一种新型受拉杆件的一端(锚固段)固定在开挖基坑的稳定地层中,另一段与工程构筑物相联结(钢板桩、挖孔桩、灌注桩以及地下连续墙等),用以承受由于土压力、水压力等施加于构筑物的推力,从而利用地层的锚固力以维持构筑物(或土层)的稳定。拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同于内撑式支护结构,常采用钢筋混凝土排桩端和地下连续墙两种。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种.随基坑深度不同,锚杆式也可分为单层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式支护结构和双层锚杆式支护结构示意图分别如图2一8(a)和(b)所示。地面拉锚式支护结构需要有足够的场地设置锚桩,或其它锚固物。锚杆式支护结构则需要地荃上能提供较大的锚固力.锚杆式较适用于砂土地墓或粘土地基。由于软粘土地墓不能提供锚杆较大的锚固力,所以很少使用。用拉杆锚固支护基坑的开挖或用作抗拔桩抵抗水的浮托力等的应用己日益普遗。拉锚最大的优点是在基坑内部施工时,开挖土方与支撑互不干扰,尤其是在不规则的复杂施工场所,以锚杆代替挡土横撑,便于施工。这是人们乐于大t使用的主要原因。随着对锚固法的不断改进和使用了可靠性的检侧手段,使拉锚支护的使用范围更加广泛.（6）复合型支护结构近几年来兴起的复合型支护体系,作为新的深基坑边坡支护方法,摒弃传统单一支护的概念,对于同一个基坑,根据不同的地质条件和环境条件,因地制宜地采用多种支护手段支护深荃坑的边坡土体。这些体系既可以独立采用,自成一体;又可以联合运用,各显神通,达到方案合理化及最优化,施工简便、经济施工速度快,与传统支护法相比,大大节省工程造价。其根本依据是:在其包含的相关的众多确定性因素和非确定性因素中,寻找参数的最佳取值与匹配,以达到以安全可行为基本出发点的最节约造价,解决复杂的技术问题,