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摘 要：随着城市建设的日新月异，城市基坑工程越来越复杂，结合近年来一些基坑支护技术，概述了较成熟的基坑支护类型及计算方法，对深基坑支护工程今后的技术应用进行了探讨。
关键词：软土地区；深基坑；支护
1 前 言
城市地下空间开发利用成为我国城市建设中的重点，城市地下空间的安全建设成为关系国计民生的重大工程问题。软土地基中进行基坑开挖不仅造价高、投资大，而且具有较高的风险性，一旦发生事故，会导致工程建设成本增加和工期延后，更为严重的是会危及周围建筑和人民生命财产安全。基坑工程的研究已经取得了很多重要的成果，实际工程中也形成了适合各种条件的基坑支护方式：放坡开挖、土钉支护、复合土钉墙支护、重力式挡墙支护、排桩或地连墙支护。我国建设部、冶金部相继颁布了建筑基坑工程的行业标准，各地也先后颁布了地方性的建筑基坑技术规程，众多学者根据自身研究成果与工程实践经验相结合，出版了很多手册，为基坑工程技术施工提供指导。
2 深基坑支护结构类型
2.1 钢板桩支护
钢板桩（如SMW法）应用于建筑深基坑的支护，是一种施工简单、投资经济的支护方法。在软土地区过去应用较多，但由于钢板桩本身柔性大，如支撑或锚拉系统设置不当，其变形会很大。因此对基坑支护深度达7m以上软土地层，基坑支护不宜采用钢板支护，除非设置多层支撑或锚拉杆，但应考虑到地下室施工结束后钢板桩拔除时对周围地基和地表变形的影响。
2.2 地下连续墙
地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体，地下连续墙最早于1950年开始应用于巴黎的地下建筑工程，我国在20世纪60年代初开始应用于水坝的防渗墙，后来国内将地下连续墙用于城市深基坑的围护结构最早是广州白天鹅宾馆。现今，国内地下连续墙的施工深度已有超过80m，厚度达1.4m。由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性好，适用于地下水位以下的软粘土和砂土等多种地层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情况，因此，在国内外的地下工程中得到广泛应用，并且随着技术的发展和施工方法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡墙围护结构，又能作为拟建主体结构的侧墙。施工工艺上也可采用逆作法施工，减少对环境和地面交通的影响。
2.3 柱列式灌注桩、排桩支护
柱列式间隔布置包括：桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。为减低工程造价和施工方便，柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度，但各桩之间，必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁（冠梁）加以可靠连结。为防止地下水并夹带土体颗粒从桩间空隙流入坑内，应同时在桩间或桩背采用高压注浆，设置深层搅拌桩或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩施工时无振动，对周围邻近建筑物、道路和地下管线影响危害比较少。
2.4 内支撑和锚杆支护
作为基坑围护结构墙体（如钢板桩、灌注桩等维护结构）的支承，内支撑（水平横撑、角撑、斜撑）和锚杆（斜锚杆、锚定板拉杆等）的作用对保证基坑稳定和控制周围地层变形极为重要。目前支护结构的内支撑，常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支撑两类，钢结构支撑多用圆钢管和大规格的型钢。为减少挡墙的变形，用钢结构支撑时可用液压千斤顶施加预应力。钢筋混凝土支撑是近几年在上海地区等深基坑施工中发展起来的一种支撑形式，它多用土模或模板随着挖土逐层现浇，截面尺寸和配筋根据支撑布置和杆件内力大小而定，它刚度大、变形小，能有力的控制挡墙变形和周围地面的变形，宜用于较深基坑或周围环境要求较高的地区。
3 深基坑支护结构主要计算方法
近年来，随着岩土力学理论的发展和各国专家学者的努力，提出了多种计算理论和方法，归纳起来，其基本方法大致可分为三类：①极限平衡法；②弹性抗力法；③有限元法。
3.1 极限平衡法
极限平衡法建立在经典理论的基础上，但通常采用的朗肯和库仑理论所得到的结果实际上和土体单元本身的真实应力是有差别的。按地基强度理论，库仑理论是把土体看作为一承载体，达到极限状态时滑动面的形式采用直线滑动面的结果，而在朗肯理论中则为一点的应力状态，由于库仑理论在一定条件下与朗肯理论是一致的，朗肯理论实质上也属一种直线滑动面理论。对于地基强度而言，直线滑动面理论的极限承载力是偏小的，采用曲线滑动面理论更为合理。
简单地讲，朗肯理论在一般情况下的主动土压力都会偏大，被动土压力偏小，而库仑理论中被动土压力在土体内摩擦角为较大值时结果也会偏大。用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力，计算柔性挡墙（悬臂式或有支锚结构）的内力，对墙身和支锚结构进行设计，这种方法对于普通挡土墙或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的；但对深基坑，特别是软土中的深基坑支护结构设计，该法就难以考虑更为复杂的条件，难以分析支护结构的整体性状。例如支护结构与周围环境的相互作用，墙体变形对侧压力的影响，支锚结构设置过程中墙体结构内力和位移的变化，内侧坑底土加固或坑内、外降水对支护结构内力和位移的影响，压顶圈梁的作用与设计，复合式结构的受力分析等等，这些问题往往成为控制支护结构性状的主要因素。
3.2 弹性抗力法
弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进。其概念是由于挡墙位移有控制要求，内侧不可能达到完全的被动状态，实际上仍处在弹性抗力阶段，因此，引用承受水平荷载桩的横向抗力概念，将外侧主动土压力作为施加在墙体上的水平荷载，用弹性地基梁的方法计算挡墙的变形与内力，土对墙体的水平向支撑用弹性抗力系数来模拟，支锚结构也用弹簧模拟。
这种方法可以视为对常规方法的改进，但它仍没有解决前一种方法的其余问题。计算与实际符合与否取决于基床系数的选取，通常用m法计算，即基床系数随深度比例增长，比例系数为m。土抗力法在基坑支护设计计算中，常将支护结构前后土体视为由水平向的弹簧组成的计算模型，通过挠曲线的近似方程来计算挡土结构墙体的弯矩、剪力和变形。按Winkler假定，每一点的水平向的反力与这点的弹性变形成正比。一般适用于锚拉式平面结构或受力对称的内支撑式平面结构。
3.3 有限元和数值分析法
随着计算机技术的提高，有限元和数值分析法在支护结构分析中得到了广泛地应用，提供了一种理论上更为合理的设计计算方法。它将土体和支护结构分别划分为有限单元进行计算，其优点是可以考虑土体与支护结构的相互作用，可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力和位移，而且还可求得基坑的隆起量、地表的沉降量和土中的塑性区范围及发展过程，还可以与土流变学相结合求得各参数的时间效应。最重要的一点，它适用于动态模拟计算，通过动态计算模型，按照施工过程对支护结构进行逐次分析，预测支护结构在施工过程中的性状。
总的来说，常规设计方法仍然是目前工程中支护结构设计的主要方法，但需对它存在的问题加以研究改进，发展有限元方法使之实用化、系统化，成为支护结构计算机辅助设计软件，供设计与施工管理采用。从原理上说，常规方法存在的问题在有限元方法中都可不同程度地得到解决。除了数值分析方法本身的问题以外，用有限元方法的关键是正确选用计算模型和设计参数；另一个需要研究的问题是安全系数的定义及如何与常规设计的安全系数相匹配。如果后一个问题不解决，有限元方法仍然只停留在辅助手段的水平上而不能成为一种可供应用的工程设计方法。
4 结束语
基坑工程稳定和变形的因素很多，很复杂；具有很强的工程个性。从场地分析、土压力的选用，围护形式的合理选用，到围护结构的变形控制的每一环节，都需要设计人员的仔细分析比较判断才能做到设计的经济合理安全，作为设计人员也只有做好这些分析比较，不断从摸索中积累经验，从实践中不断学习，才能不断提高认识，提高设计水平。
关键词：软土地区；深基坑；支护
1 前 言
城市地下空间开发利用成为我国城市建设中的重点，城市地下空间的安全建设成为关系国计民生的重大工程问题。软土地基中进行基坑开挖不仅造价高、投资大，而且具有较高的风险性，一旦发生事故，会导致工程建设成本增加和工期延后，更为严重的是会危及周围建筑和人民生命财产安全。基坑工程的研究已经取得了很多重要的成果，实际工程中也形成了适合各种条件的基坑支护方式：放坡开挖、土钉支护、复合土钉墙支护、重力式挡墙支护、排桩或地连墙支护。我国建设部、冶金部相继颁布了建筑基坑工程的行业标准，各地也先后颁布了地方性的建筑基坑技术规程，众多学者根据自身研究成果与工程实践经验相结合，出版了很多手册，为基坑工程技术施工提供指导。
2 深基坑支护结构类型
2.1 钢板桩支护
钢板桩（如SMW法）应用于建筑深基坑的支护，是一种施工简单、投资经济的支护方法。在软土地区过去应用较多，但由于钢板桩本身柔性大，如支撑或锚拉系统设置不当，其变形会很大。因此对基坑支护深度达7m以上软土地层，基坑支护不宜采用钢板支护，除非设置多层支撑或锚拉杆，但应考虑到地下室施工结束后钢板桩拔除时对周围地基和地表变形的影响。
2.2 地下连续墙
地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体，地下连续墙最早于1950年开始应用于巴黎的地下建筑工程，我国在20世纪60年代初开始应用于水坝的防渗墙，后来国内将地下连续墙用于城市深基坑的围护结构最早是广州白天鹅宾馆。现今，国内地下连续墙的施工深度已有超过80m，厚度达1.4m。由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性好，适用于地下水位以下的软粘土和砂土等多种地层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情况，因此，在国内外的地下工程中得到广泛应用，并且随着技术的发展和施工方法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡墙围护结构，又能作为拟建主体结构的侧墙。施工工艺上也可采用逆作法施工，减少对环境和地面交通的影响。
2.3 柱列式灌注桩、排桩支护
柱列式间隔布置包括：桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。为减低工程造价和施工方便，柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度，但各桩之间，必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁（冠梁）加以可靠连结。为防止地下水并夹带土体颗粒从桩间空隙流入坑内，应同时在桩间或桩背采用高压注浆，设置深层搅拌桩或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩施工时无振动，对周围邻近建筑物、道路和地下管线影响危害比较少。
2.4 内支撑和锚杆支护
作为基坑围护结构墙体（如钢板桩、灌注桩等维护结构）的支承，内支撑（水平横撑、角撑、斜撑）和锚杆（斜锚杆、锚定板拉杆等）的作用对保证基坑稳定和控制周围地层变形极为重要。目前支护结构的内支撑，常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支撑两类，钢结构支撑多用圆钢管和大规格的型钢。为减少挡墙的变形，用钢结构支撑时可用液压千斤顶施加预应力。钢筋混凝土支撑是近几年在上海地区等深基坑施工中发展起来的一种支撑形式，它多用土模或模板随着挖土逐层现浇，截面尺寸和配筋根据支撑布置和杆件内力大小而定，它刚度大、变形小，能有力的控制挡墙变形和周围地面的变形，宜用于较深基坑或周围环境要求较高的地区。
3 深基坑支护结构主要计算方法
近年来，随着岩土力学理论的发展和各国专家学者的努力，提出了多种计算理论和方法，归纳起来，其基本方法大致可分为三类：①极限平衡法；②弹性抗力法；③有限元法。
3.1 极限平衡法
极限平衡法建立在经典理论的基础上，但通常采用的朗肯和库仑理论所得到的结果实际上和土体单元本身的真实应力是有差别的。按地基强度理论，库仑理论是把土体看作为一承载体，达到极限状态时滑动面的形式采用直线滑动面的结果，而在朗肯理论中则为一点的应力状态，由于库仑理论在一定条件下与朗肯理论是一致的，朗肯理论实质上也属一种直线滑动面理论。对于地基强度而言，直线滑动面理论的极限承载力是偏小的，采用曲线滑动面理论更为合理。
简单地讲，朗肯理论在一般情况下的主动土压力都会偏大，被动土压力偏小，而库仑理论中被动土压力在土体内摩擦角为较大值时结果也会偏大。用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力，计算柔性挡墙（悬臂式或有支锚结构）的内力，对墙身和支锚结构进行设计，这种方法对于普通挡土墙或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的；但对深基坑，特别是软土中的深基坑支护结构设计，该法就难以考虑更为复杂的条件，难以分析支护结构的整体性状。例如支护结构与周围环境的相互作用，墙体变形对侧压力的影响，支锚结构设置过程中墙体结构内力和位移的变化，内侧坑底土加固或坑内、外降水对支护结构内力和位移的影响，压顶圈梁的作用与设计，复合式结构的受力分析等等，这些问题往往成为控制支护结构性状的主要因素。
3.2 弹性抗力法
弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进。其概念是由于挡墙位移有控制要求，内侧不可能达到完全的被动状态，实际上仍处在弹性抗力阶段，因此，引用承受水平荷载桩的横向抗力概念，将外侧主动土压力作为施加在墙体上的水平荷载，用弹性地基梁的方法计算挡墙的变形与内力，土对墙体的水平向支撑用弹性抗力系数来模拟，支锚结构也用弹簧模拟。
这种方法可以视为对常规方法的改进，但它仍没有解决前一种方法的其余问题。计算与实际符合与否取决于基床系数的选取，通常用m法计算，即基床系数随深度比例增长，比例系数为m。土抗力法在基坑支护设计计算中，常将支护结构前后土体视为由水平向的弹簧组成的计算模型，通过挠曲线的近似方程来计算挡土结构墙体的弯矩、剪力和变形。按Winkler假定，每一点的水平向的反力与这点的弹性变形成正比。一般适用于锚拉式平面结构或受力对称的内支撑式平面结构。
3.3 有限元和数值分析法
随着计算机技术的提高，有限元和数值分析法在支护结构分析中得到了广泛地应用，提供了一种理论上更为合理的设计计算方法。它将土体和支护结构分别划分为有限单元进行计算，其优点是可以考虑土体与支护结构的相互作用，可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力和位移，而且还可求得基坑的隆起量、地表的沉降量和土中的塑性区范围及发展过程，还可以与土流变学相结合求得各参数的时间效应。最重要的一点，它适用于动态模拟计算，通过动态计算模型，按照施工过程对支护结构进行逐次分析，预测支护结构在施工过程中的性状。
总的来说，常规设计方法仍然是目前工程中支护结构设计的主要方法，但需对它存在的问题加以研究改进，发展有限元方法使之实用化、系统化，成为支护结构计算机辅助设计软件，供设计与施工管理采用。从原理上说，常规方法存在的问题在有限元方法中都可不同程度地得到解决。除了数值分析方法本身的问题以外，用有限元方法的关键是正确选用计算模型和设计参数；另一个需要研究的问题是安全系数的定义及如何与常规设计的安全系数相匹配。如果后一个问题不解决，有限元方法仍然只停留在辅助手段的水平上而不能成为一种可供应用的工程设计方法。
4 结束语
基坑工程稳定和变形的因素很多，很复杂；具有很强的工程个性。从场地分析、土压力的选用，围护形式的合理选用，到围护结构的变形控制的每一环节，都需要设计人员的仔细分析比较判断才能做到设计的经济合理安全，作为设计人员也只有做好这些分析比较，不断从摸索中积累经验，从实践中不断学习，才能不断提高认识，提高设计水平。