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随着我国经济建设的迅猛发展,城市的高层建筑大量涌现。上世纪九十年代以来,由于城市地价日益昂贵,高层建筑和地下空间开发利用的工程项目越来越多。这就对基坑开挖设计理论及施工技术提出了严峻的挑战,推动了我国深基坑支护设计理论及施工技术的日益进步。设计理论不断改进,施工工艺不断完善。另一方面,由于场地勘察调查不细、设计及施工方法不当,我国基坑工程的事故率也较高,尤其是设计不当引发的事故更是高居事故原因之首,据唐业清等对全国的一百多个基坑工程事故原因的调查分析,因设计原因造成的事故占45%,这表明基坑工程围护设计理论及方法的研究应是当前岩土工程实践迫切需要解决的重点问题。
桩墙支护结构是最常用的深基坑支护形式之一,这一结构设计的计算方法也比较多,已从十几年前单一的等值梁方法,发展到现在的弹性地基梁方法,以及将结构与土体一并离散化的有限单元数值分析方法等等。尤以弹性地基梁法因其力学模型比较直观、相对符合实际、计算相对不复杂而在工程上获得广泛应用。
但现阶段的弹性地基梁法,在理论上仍处在不断发展、完善阶段;在工程应用上,无论是近年来各大城市出台的地方规程,还是建设部等颁布的行业标准,设计计算模式基本上都推荐采用“m”法。“m”法最本质的缺陷便是没有考虑作用在支护结构上的土压力与结构变形(位移)的相互影响。
位移对土压力的影响是显而易见的,一般地,相对于不同的位移情况,可以将土压力区分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。基坑支护结构承受的土压力一般是介于主动土压力和静止土压力之间(墙后)或介于被动土压力和静止土压力之间(墙前)。而“m”法在墙后土压力、墙前土抗力的计算方面均未合理考虑这种位移影响,同时亦未充分考虑桩墙结构、锚撑与土体三者之间的共同作用。这种忽略土压力位移效应的设计计算模式,常使其设计计算理论值与实际结果之间存在较大甚至很大差异,给工程带来经济上的损失或安全上的隐患。
本文归纳总结了桩墙支护结构的等值梁法、弹性地基梁法的设计计算方法,并分析各自的优缺点及适用性。以杆系有限元为重点介绍了桩墙支护结构的有限元设计计算方法,认为有限元是一种比较合理但相对繁杂的计算方法。针对上述分析,在弹性地基梁“m”法的基础上,从土压力的基本理论出发,合理考虑支护结构与土体的共同作用,在支护结构两侧同时考虑结构位移对土压(抗)力的影响,据此推导出基于位移土压力模型的桩墙支护结构设计计算方法,并采用该法对“郑州会展中心深基坑支护工程”进行设计计算,计算结果表明本文结论符合实际,理论方法对实践具有一定的指导意义。