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【摘 要】基坑围护体系，是一个土体、支护结构相互共同作用的有机体，由于周围建筑物及地下管道等因素的制约，对支护结构的安全性有了更高的要求。不仅要能保证基坑的稳定性及坑内作业的安全、方便，而且要使坑底和坑外的土体位移控制在一定范围内，确保邻近建筑物及市政设施正常使用。本文对基坑围护体系结构设计的相关理论进行了阐述。
【关键词】基坑；围护体系；结构设计 理论
建筑基坑是指进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下的空间。为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施，这就是基坑支护。
1 支护结构选型
我国幅员辽阔，支护结构的施工工艺各地不一，合理的选择支护结构的类型应根据基坑环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件综合考虑，并因地制宜的选择,常见的有排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙、原状土放坡或采用上述形式的组合，同时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性状的形式。
软土场地可采用深层搅拌、注浆、间隔或全部加固等方法对局部或整个基坑底土进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力。
2 基坑围护中的土压力理论
2.1 土压力的分类
作用在支护结构上的荷载主要有土压力和水压力，而土压力是主要的荷载，它指的是支护结构后填土自重或外荷载对支护结构产生的侧向压力。土压力的计算是个比较复杂的问题，它随着支护结构可能位移的方向、大小及填土所处的状态分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。
如果支护结构在土压力作用下不发生变形和任何位移，墙后填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的土压力称为静止土压力。
若支护结构在土压力作用下向墙前发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐减少，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力称为主动土压力。
若支护结构在外力作用下向墙后发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐增大，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力称为被动土压力。
2.2 朗肯土压力
朗肯土压力理论是 1857 年法国人朗肯提出的，这一理论建立在土的极限平衡理论基础上，朗肯提出了主动和被动土压力的计算公式：
2.2.1 主动土压力
对无粘性土，其土压力强度计算公式：
对粘性土，其土压力强度计算公式：
其中：
——主动土压力强度；
Ka ——主动土压力系数，；
γ ——墙后填土的重度，kN/m3，地下水位以下取有效重度；
c ——填土的粘聚力，kPa；
φ ——填土的内摩擦角，度；
Z ——计算点距填土表面的深度，m。
主动土压力计算公式
无粘性土：（3）
粘性土：
H ——墙后挡土墙高度，m。
2.2.2 被动土压力
对无粘性土，其土压力强度计算公式：
对粘性土，其土压力强度计算公式：
其中：σp ——被动土压力强度；
Kp ——被动土压力系数，。
被动土压力计算公式
无粘性土：（7）
粘性土：（8）
朗肯土压力理论的概念明确，公式简单，计算方便，在工程中得到了广泛的应用，对于粘性土和无粘性土都可以应用该公式计算。朗肯土压力理论的应用条件要求较高，朗肯假定墙后的应力状态符合半空间的应力状态，并假设墙背直立、光滑、墙后填土是水平，忽略了墙背与填土之间的摩擦因素，所以计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小。
2.3 基坑围护中的水压力
计算地下水位以下的水、土压力，有“水土分算”和“水土合算”两种方法，目前许多学者对工程中采用哪种计算方法还没有统一的定论，结合工程实践，通常的原则是：对于砂性土和粉土，可按水土压力分算原则进行，然后将计算结果相加，对于粘性土，可按水土压力合算原则。具体采用何种方式也可以根据工程情况和经验来确定。
2.3.1 水土分算
地下水位以上部分：（9）
地下水位以下部分：
其中： H1 ——地面距地下水位处距离；
Z ——计算点距地面距离；
γ ——土的重度；
γ‘ ——土的浮重度；
φ ——内摩擦角；
Z ——计算点距填土表面的深度。
2.3.2 水土合算
地下水位以上部分：（11）
地下水位以下部分：
（12）
其中：γsat ——土的饱和重度；
Ka ——水位以下土的主动土压力。
3 等值梁法
3.1 等值梁基本原理
等值梁法最早用于挡土结构为钢板桩时的计算，其优点是传力明确，计算简单，其缺点是难于考虑土体的变形及影响。
采用等值梁的关键是确定弯矩为零的位置，也即反弯点的位置。一旦确定，支护结构的支点力、嵌固深度及结构内力（剪力和弯矩）就可以按照弹性结构的连续梁发求解。
规程JGJ 120-99规定，单层支点支护结构的反弯点的位置位于基坑底面以下水平荷载标准值与水平抗力标准值相等的位置，并据此计算支护结构的支点力、嵌固深度，按静力平衡条件计算截面弯矩和剪力。
3.2 基本假定
3.2.1 挡墙底部为固结；
3.2.2 在被动土压力强度与主动土压力相等处即反弯点，弯矩为零达到静力平衡；
3.2.3 各工况之间互不影响，即支撑力不随着开挖而改变。
3.3 利用等值梁法的计算步骤
通常支护结构需要有较大的插入深度，故可假定支护在底端范围内是固定的。超静定结构的内力，光靠力的平衡条件是无法求解的，必须引入变形协调条件。等值梁法假定基坑底面下某点为假想铰，然后按照弹性结构简支梁，求得围护结构的内力。下面以单支点支护为例，说明等值梁法的应用。
3.3.1 先计算支护上各点所受的主动土压力和被动土压力；假定基坑底面以下反弯点的位置取在土压力为零点的某点，并视为等值梁的一个铰支点。
3.3.2 将支护在某点切开，把支护分为上下两段。一段为简支梁，另一段为固定的超静定悬臂梁。假定在切面处弯矩等于零，但存在剪力，剪力的大小和支点水平力可以通过求简支梁的静力平衡方程得到，进而求得支护的最大弯矩。
3.3.3 对于某点以下的悬臂梁，建立对桩底端点的力矩平衡方程，求得。一般情况下，入土深度为Y+Kx，其中K为增大系数，根据实际情况在1.2和1.5之间取值。对于多支撑支护结构也可按上述的等值梁法的原理进行简化计算，计算时假定支护在相邻两支撑之间为简支梁，然后根据分层挖土深度与每层支点设置的施工情况分层计算，并假定下层挖土不影响上层支点的计算水平力，由此即可计算支护的弯矩和支撑作用力。
4 基坑土体稳定性分析
对有支护的基坑全面进行基坑土体稳定性分析，是基坑支护设计的重要一环，基坑土体稳定性分析主要有如下内容：
4.1 整体稳定性分析
一般采用圆弧滑动的简单条分法进行分析，介于支护结构如内支撑、锚杆等的作用，同时支护墙体一般为垂直面，因此它与一般边坡的圆弧滑动法有所区别。有支护时滑动面的圆心一般在某基坑内侧附近，并假定滑动面通过支护结构的底部，可通过试算确定最危险的滑动圆弧及最小安全系数，主要目的是确定拟支护结构的嵌固深度是否满足整体稳定。
4.2 支护结构踢脚稳定性分析
主要验算有支撑支护结构的最下道支撑以下的主、被动压力绕最下道支撑支点的转动力矩是否平衡。
4.3 基坑底部土体抗隆起稳定性分析
开挖将导致基坑开挖面以下土体的原有应力解除，当支护结构嵌固深度不足时，基坑底部将可能产生隆起破坏，因此，基坑底部土体抗隆起稳定性分析主要是验算支护结构嵌固深度是否满足抗隆起稳定要求。
【关键词】基坑；围护体系；结构设计 理论
建筑基坑是指进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下的空间。为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施，这就是基坑支护。
1 支护结构选型
我国幅员辽阔，支护结构的施工工艺各地不一，合理的选择支护结构的类型应根据基坑环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件综合考虑，并因地制宜的选择,常见的有排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙、原状土放坡或采用上述形式的组合，同时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性状的形式。
软土场地可采用深层搅拌、注浆、间隔或全部加固等方法对局部或整个基坑底土进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力。
2 基坑围护中的土压力理论
2.1 土压力的分类
作用在支护结构上的荷载主要有土压力和水压力，而土压力是主要的荷载，它指的是支护结构后填土自重或外荷载对支护结构产生的侧向压力。土压力的计算是个比较复杂的问题，它随着支护结构可能位移的方向、大小及填土所处的状态分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。
如果支护结构在土压力作用下不发生变形和任何位移，墙后填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的土压力称为静止土压力。
若支护结构在土压力作用下向墙前发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐减少，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力称为主动土压力。
若支护结构在外力作用下向墙后发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐增大，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力称为被动土压力。
2.2 朗肯土压力
朗肯土压力理论是 1857 年法国人朗肯提出的，这一理论建立在土的极限平衡理论基础上，朗肯提出了主动和被动土压力的计算公式：
2.2.1 主动土压力
对无粘性土，其土压力强度计算公式：
对粘性土，其土压力强度计算公式：
其中：
——主动土压力强度；
Ka ——主动土压力系数，；
γ ——墙后填土的重度，kN/m3，地下水位以下取有效重度；
c ——填土的粘聚力，kPa；
φ ——填土的内摩擦角，度；
Z ——计算点距填土表面的深度，m。
主动土压力计算公式
无粘性土：（3）
粘性土：
H ——墙后挡土墙高度，m。
2.2.2 被动土压力
对无粘性土，其土压力强度计算公式：
对粘性土，其土压力强度计算公式：
其中：σp ——被动土压力强度；
Kp ——被动土压力系数，。
被动土压力计算公式
无粘性土：（7）
粘性土：（8）
朗肯土压力理论的概念明确，公式简单，计算方便，在工程中得到了广泛的应用，对于粘性土和无粘性土都可以应用该公式计算。朗肯土压力理论的应用条件要求较高，朗肯假定墙后的应力状态符合半空间的应力状态，并假设墙背直立、光滑、墙后填土是水平，忽略了墙背与填土之间的摩擦因素，所以计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小。
2.3 基坑围护中的水压力
计算地下水位以下的水、土压力，有“水土分算”和“水土合算”两种方法，目前许多学者对工程中采用哪种计算方法还没有统一的定论，结合工程实践，通常的原则是：对于砂性土和粉土，可按水土压力分算原则进行，然后将计算结果相加，对于粘性土，可按水土压力合算原则。具体采用何种方式也可以根据工程情况和经验来确定。
2.3.1 水土分算
地下水位以上部分：（9）
地下水位以下部分：
其中： H1 ——地面距地下水位处距离；
Z ——计算点距地面距离；
γ ——土的重度；
γ‘ ——土的浮重度；
φ ——内摩擦角；
Z ——计算点距填土表面的深度。
2.3.2 水土合算
地下水位以上部分：（11）
地下水位以下部分：
（12）
其中：γsat ——土的饱和重度；
Ka ——水位以下土的主动土压力。
3 等值梁法
3.1 等值梁基本原理
等值梁法最早用于挡土结构为钢板桩时的计算，其优点是传力明确，计算简单，其缺点是难于考虑土体的变形及影响。
采用等值梁的关键是确定弯矩为零的位置，也即反弯点的位置。一旦确定，支护结构的支点力、嵌固深度及结构内力（剪力和弯矩）就可以按照弹性结构的连续梁发求解。
规程JGJ 120-99规定，单层支点支护结构的反弯点的位置位于基坑底面以下水平荷载标准值与水平抗力标准值相等的位置，并据此计算支护结构的支点力、嵌固深度，按静力平衡条件计算截面弯矩和剪力。
3.2 基本假定
3.2.1 挡墙底部为固结；
3.2.2 在被动土压力强度与主动土压力相等处即反弯点，弯矩为零达到静力平衡；
3.2.3 各工况之间互不影响，即支撑力不随着开挖而改变。
3.3 利用等值梁法的计算步骤
通常支护结构需要有较大的插入深度，故可假定支护在底端范围内是固定的。超静定结构的内力，光靠力的平衡条件是无法求解的，必须引入变形协调条件。等值梁法假定基坑底面下某点为假想铰，然后按照弹性结构简支梁，求得围护结构的内力。下面以单支点支护为例，说明等值梁法的应用。
3.3.1 先计算支护上各点所受的主动土压力和被动土压力；假定基坑底面以下反弯点的位置取在土压力为零点的某点，并视为等值梁的一个铰支点。
3.3.2 将支护在某点切开，把支护分为上下两段。一段为简支梁，另一段为固定的超静定悬臂梁。假定在切面处弯矩等于零，但存在剪力，剪力的大小和支点水平力可以通过求简支梁的静力平衡方程得到，进而求得支护的最大弯矩。
3.3.3 对于某点以下的悬臂梁，建立对桩底端点的力矩平衡方程，求得。一般情况下，入土深度为Y+Kx，其中K为增大系数，根据实际情况在1.2和1.5之间取值。对于多支撑支护结构也可按上述的等值梁法的原理进行简化计算，计算时假定支护在相邻两支撑之间为简支梁，然后根据分层挖土深度与每层支点设置的施工情况分层计算，并假定下层挖土不影响上层支点的计算水平力，由此即可计算支护的弯矩和支撑作用力。
4 基坑土体稳定性分析
对有支护的基坑全面进行基坑土体稳定性分析，是基坑支护设计的重要一环，基坑土体稳定性分析主要有如下内容：
4.1 整体稳定性分析
一般采用圆弧滑动的简单条分法进行分析，介于支护结构如内支撑、锚杆等的作用，同时支护墙体一般为垂直面，因此它与一般边坡的圆弧滑动法有所区别。有支护时滑动面的圆心一般在某基坑内侧附近，并假定滑动面通过支护结构的底部，可通过试算确定最危险的滑动圆弧及最小安全系数，主要目的是确定拟支护结构的嵌固深度是否满足整体稳定。
4.2 支护结构踢脚稳定性分析
主要验算有支撑支护结构的最下道支撑以下的主、被动压力绕最下道支撑支点的转动力矩是否平衡。
4.3 基坑底部土体抗隆起稳定性分析
开挖将导致基坑开挖面以下土体的原有应力解除，当支护结构嵌固深度不足时，基坑底部将可能产生隆起破坏，因此，基坑底部土体抗隆起稳定性分析主要是验算支护结构嵌固深度是否满足抗隆起稳定要求。