深基坑支护结构的实用计算方法及其应用

深基坑支护结构的实用计算方法及其应用杨光华(广东省水利水电科学研究院.广东广州SI0610)摘要:对深基坑支护结构的受力和变形计算提出了一套系统的实用计算方法，较好地解决了基坑支护结构设计、计算的关键问题，并在广州地铁和许多重大基坑工程应用中取得了较好的效果。该方法把支护结构简化为一竖放的弹性地基梁，支撑、锚杆及岩土体用弹簧系统来代替，岩土的弹簧刚度可用岩土的变形模盒来计算，针对基坑工程施工和结构的动态特点，提出了一套系统的计算方法，其中包括考虑施工过程的增量计算法、合理确定支护结构入土深度的计算法、支撑加预应力及支撑拆除的计算方法等，并应用提出的增量法，首次较完整地对国际上著名的支护土压力Terzaghi-Peck表观土压力给出了理论解释，对岩土的变形模量提出采用承载力反算的经验方法，为岩土参数的确定提供了更简便的方法。这一系列的研究成果为深基坑支护结构的设计提供了一套新颖的实用计算方法，较好地解决了墓坑支护结构中的一系列设计计算难题，已在工程实践中成功应用。关键词:深基坑:增量法:共同作用中图分类号:TU473文献坛识码:A1引言基坑支护在国外已有较多的实践，早在20世纪60年代，Terzaghi和Peck根据地铁支护结构的实测资料，提出了著名的Terzaghi-Peck表观土压力理论[1-3]，并为国际上基坑支护设计所广泛采用。在国内，基坑工程从80年代开始兴起，由于地铁和高层建筑地下室的建设需要，出现了大量的基坑工程。但一直未形成较系统的基坑支护结构的受力计算和理论。由于基坑工程涉及岩土和结构工程，在许多情况下，又属临时工程，最初并未受到重视，随着基坑开挖深度的增加，以及工程事故的发生，工程界才开始重视深基坑工程问题，20世纪90年代国内出现了相当规模的基坑工程热潮。相继出版了许多深基坑工程方面的著作，1999年国家建设部颁布了《建筑基坑支护技术规程》[4]，上海、广州、深圳等城市也编制了有关的技术规程，为基坑工程的设计和施工提供了可依据的规定。20世纪80年代的末期，在广州己出现了较大的基坑工程，如广州华侨大厦的地下连续墙基坑工程，开挖深度为11.7m，是广州市第一个地下连续墙基坑工程。1988-1989年设计的珠江隧道黄沙段深基坑支护地下连续墙，基坑深度达17.8m，是广州当时最大深的基坑工程。针对该工程多支撑的情况和这种结构存在先位移后支撑的特点，作者提出了考虑施工过程的增量法，解决了一系列深基坑工程设计中的技术难题。随后，该方法在工程实践中得到了丰富和完善，成为一套较为系统和完整的深基坑支护结构实用计算方法，与此同时，通过对广东地区的岩土变形模量进行大量的现场试验研究，总结出一套参数确定的经验方法等，从而为深基坑支护结构的设计计算提供了一套先进和实用的计算方法。目前，增量法已成为广州地铁基坑的设计计算方法[5-7]，并己在超深基坑工程中(开挖深度约20m)得到了应用[8-10]随着城市建设的发展，高层建筑设置地下室已较为普遍，部分建筑设有4-5层地下室，如何对其基坑支护进行合理和安全的设计，己是一个重要的工程问题。广东省内曾出现过的重大基坑工程事故，如065工程(基坑约深17m)、京光广场(基坑约深15m)、祖国大厦(基坑约深17m)，每个工程仅经济损失就在千万元以上。因此，要使设计做到既安全又合理，就必须要有一套合理的设计理论，提供科学、合理的设计方法。与此同时，城市地铁工程也正在不断发展，北京、上海、广州等地地铁线路不断增加。据报道，“十五”期间，我国将斥资2000亿元用子地铁建设。因此，地铁建设在不久的将来在国内将有一个大的发展，而其中涉及大量的基坑工程，迫切需要合理而实用的设计理论。本文介绍的一套实用计算方法，能较好地解决基坑设计过程中的一些关键性和主要的技术难题，使基坑支护的设计能达到安全、经济、合理的效果。2深基坑支护结构计算理论概述本文研究的深基坑支护是指用于支护垂直岩土坡的桩、墙及支撑或锚杆等组成的支护结构，如图1所示一般情况下，深基坑支护结构可简化为一个受侧向土压力作用的受力结构，目前对这种结构的计算的基本方法主要可分为三类。2.1经典方法经典方法主要是考虑力的平衡方法，取单位宽度受侧向荷载作用的梁系，如经典的1/2分割法、等值梁法以及刚性支承连续梁法等，如图2-4所示。土压力既有Tenaghi-Peck的经验表观土压力，也有经典的理论土压力方法，如朗肯土压力法等。这些方法的优点是可以手算，计算较简单，缺点是不能计算支护结构的位移，同时，计算的支点力与实际的差距也较大，因支点是边挖边撑的，这样，支点力是与施工过程有关的，经典方法不能很好地考虑施工过程的影响。2.2弹性地基梁法弹性地基梁法把支护结构看作为一竖放的弹性地基梁受侧向土压力的作用。土压力一般采用经典的土压力理论，如朗肯土压力理论或库仑土压力理论。基坑面以上的支撑可看作为一弹性支点，基坑以下的土层可用一系列的土弹簧的作用代替，如图5所示。这样，可把支护结构看作为一弹性支承的地基梁。对弹性地基梁的解法通常有解析法、结构力学方法和有限元数值法等。通常的方法，如日本的山肩邦男法，弹性法及弹塑性法等，是把基坑面以上的支撑力作一定的简化，如下道支撑设置后，上道支撑轴力不变等，以便于简化。对入土段也可假定达到极限被动土压力，这样可用力的平衡条件求解。也可以假定入土段的土抗力与变形有关，这样就要分别建立入土段以上以及入土段的弹性地基梁微分方程，根据两段微分方程的解，并考虑两段墙在基坑底面处的连续条件进行求解。这种方法对于入土段是多层土时，还要根据每一层土再分段，因此，对多层土较为复杂。目前，国家基坑规程中的弹性支点法(图6)把支撑作为一个弹性支点，对弹性地基梁的微分方程进行求解，地基土抗力按m法计算，建立的微分方程如下。（1）基坑面以上（2）基坑面以下对于分层土情况，每一层土的m值不同，这样，分段微分方程更加复杂，因此，一般采用杆系有限元数值解法求解。2.3有限元法这种方法把墙、土都划分为单元，土体可以采用相应的本构模型，既可以采用平面有限元，也可以采用空间有限元。该方法在理论上较为完善，但由于本构模型参数不易确定，有限元程序较为复杂，使得计算工作量较大，因此，该方法在工程实践中尚未得到普遍应用。另一种简化的有限元法则是把支护结构体系作为一平面或空间结构，采用有限元法求解，而周围土体则分别用土压力和土弹簧代替。从总的情况来看，目前，支护结构受力计算普遍应用弹性地基梁的数值方法，与经典方法和有限元法相比，其计算简便，结果更为理想。因此，弹性地基梁经过完善后，可望成为一个既简便实用，又能较好地解决工程问题的实用方法。在这一思想指导下，本文基于一种新的弹性地基梁简化计算方法[11]，考虑先开挖、变形后支撑的这种基坑支护结构所特有的施工受力过程，提出了可模拟复杂施工过程的增量计算法，在此基础上，进一步应用增量法，解决了支护结构的入土深度的确定问题，支撑或锚杆施加预应力及支撑拆除过程的计算等一系列的难题，并进一步应用增量法，对著名的Terzaghi-Peck表观土压力和经典的理论土压力的差异问题给出了理论解释，由这些一系列的工作而形成了深基坑支护结构的一个系统的实用计算方法.3支护结构计算的结构力学简化方法目前,基于winkle假设基础上求解弹性地基梁的方法仍较为复杂，对于分层土情况下，一般要求采用杆系有限元法，本文对弹性地基梁的解法采用文献【11]提出的一种新的简化方法。如图7所示，把挡土结构取单位宽度作为一竖放的弹性地基梁，支撑或锚杆以及土体对地基梁的作用由一系列弹簧ki代替，对地基梁在各弹簧力xi作用下，各弹簧支承点处的位移协调方程为式中sij表示在xj=1作用下ki处地基梁的位移，为柔度系数:△。为o点处梁的水平位移；phio为。点处梁的转角;△ip为梁在外力，如弯矩M，为水平力H作用下ki处梁的位移，各系数可据图7(b)~(d)按结构力学方法计算。其中【此处参照PDF】式中a=yi/c;E为地基梁的弹模;I为其截面惯性矩:EI为地基梁的弯曲刚度。式(3)中有n+2个未知数，但只有n个方程。因此，求解时，还需补充2个力的平衡方程:式（8）（9）可简写为结合变形协调方程，可得求解方程如下:由此可解出x1，x2.…xn，△。及tanrpo，则地基梁任一截面处的弯矩M，剪力Q可由截面法求得。任一弹簧处地基梁的位移为与连杆法不同，对于土弹簧刚度K的确定，简化为Boussinesq解来确定。任一土弹簧的力为x.面积为bXd;b为土弹簧间距:d为地基梁宽度。土弹簧集中力x变成分布力为则近似用Boussinesq求得的土弹簧处土的变形为式中μs，Es分别为该土弹簧处土的泊松比和变形模量。或有:则土弹簧的刚度可根据弹簧刚度的定义为式中w为与b/d有关的形状系数，当b/d=1.0时，w=0.88。这样，土弹簧刚度可近似由土的变形模量Es和泊松比μs来计算;b，w均为几何参数，而Es，μs参数的物理和力学意义明确，其确定可近似通过压板试验等确定，比通常的m法中的地基参数采用桩的水平载荷试验来确定的方法更方便，且对分层土可以由不同土层中的Es，μs来反映，而要对不同土层试验确定m值较为复杂，故对目前土层通常为分层情况的地质条件是较合适的。支撑或锚杆的弹簧刚度以材料力学方法，按受压或受拉杆件的弹簧刚度定义来计算。4考虑施工过程的基坑支护结构的增量计算法在一些较深的基坑支护结构中，对支护结构还要采用支撑或锚杆支承，甚至是多层的，如广州珠江隧道基坑黄沙段基坑开挖17.8m，采用了地下连续墙支护加3层钢支撑;广东亚洲国际大酒店开挖19.2m，采用人工挖孔的密排桩挡土，局部采用了3~4层的预应力锚杆，而有支撑或锚杆的挡土支护结构一般作为刚性支承的连续梁来计算，或作为弹性支承的连续梁结构来计算，但未合理考虑施工过程。由于在实际工程施工中各支撑或锚杆的受力先后是不同的，支撑或锚杆是在基坑开挖到一定深度后才加上的，亦即在支撑或锚杆加上前，墙体已产生了内力和位移，支撑或锚杆是在墙体产生了一定的位移后才加上的，如图8所示。而对多层支撑或多层锚杆的情况，则先加上的支撑或锚杆较早参与了共同作用，而后加上的则较迟产生作用，它们都不是预先加上的，各支撑或锚杆发挥作用的时刻是不同的，为考虑这一种设置支撑和开挖的施工过程，文献[12]提出了一种增量计算法，增量法计算过程如图9所示，把每一施工过程所增加的荷载作为外荷载，称为增量荷载，作用于每一施工过程的支护结构，每一施工过程的结构由于支撑及土弹簧均发生了变化，因而其计算体系是不同的。增量荷载一般包括两部分，土压力增量和在上一过程已受力的土弹簧，本次施工将其挖掉时，应将其所受的力作为本次的荷载增量，反向作用于结构上。每一施工过程支护结构的受力和变形为前面增量计算结果的迭加。增量法计算多撑和多锚式支护结构，与通常把其作为一弹性支承连续梁结构而不考虑施工过程的计算方法的结果有较大的差别，这种方法的计算如图10所示，称其为连续梁法。图11为通常的弹性支承连续梁方法的弯矩及支撑力情况。图12为珠江隧道黄沙段有3层支撑的地下连续墙开挖到最后时增量法计算的弯矩及支撑力情况。无论连续梁的弯矩还是各支撑反力，两者都有较大区别。不考虑施工过程方法计算出的弯矩是偏小的，不安全的，而增量法中下部支撑的受力相应较小，这些都是施工过程的影响，故对多撑或多锚式支护结构的计算，应考虑施工过程的影响，即用增量法来进行计算。5支护结构入土深度的计算如何合理确定支护结构进入基坑底以下的入土深度，是一个较为重要的问题，入土深度过深将增加投资及施工难度，使工期增长;而入土深度过浅，又难以保证安全。过去，主要是采用考虑桩前土体被动土压力的平衡的方法，确定入土深度。而实际上桩前土体未必能达到被动土压力值，因桩前土体抗力是与桩的位移有关的。另一方面，若桩前土体达到被动土压力，可能会出现较大的位移。因此，常用的方法是在主、被动土压力达到平衡后，再加20%的经验值，或者取被动土压力的一个折减值，这些方法缺乏完善的理论依据。文献[13]提出了一个较为完善的解决方法，即应力转移法，主要是根据支