深基坑支護結構分析與經(jīng)濟性研究
關鍵詞：深基坑支護；理論分析；經(jīng)濟對比
一.前言
隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，對城市建筑物的高度和荷載都提出了更高的要術，因此對地基承載能力的要求越來越高，基礎的埋置越來越深，使深基坑及其支護技術變得越發(fā)重要。本著能夠指導工程實踐及將成果實用化的目的，采用科學的理論分析方法，揭示在西北地區(qū)的黃土或濕陷性黃土的條件下，理論分析土釘和單支點樁板支護結構的受力情況，并結合具體情況，盡可能準確地確定相關參數(shù)，使理論計算盡量與實際吻合，從而為土釘墻、懸臂式排樁和單支點樁板支護結構的設計提供參考。
二．支護結構的計算理論
基坑支護是由支撐、擋墻和土體相互作用而形成的復雜結構體系，而這個結構體系的形成又經(jīng)歷了建立擋墻一逐層開挖土方一逐層安裝支撐，這樣一個復雜的過程，因此，更精確地分析其受力是比較困難的，隨著基坑支護實踐的理論的發(fā)展，目前其計算理論大致有如下幾類。
1極限平衡理論
該理論基于土體的極限平衡，即“剛塑性理論”，假定破壞的土體是剛體，而滑移面上的正應力和切應力服從莫爾-庫倫條件。這種理論在支護上應用，不考慮支護自身的變形，只根據(jù)支護移動的趨勢，假定作用于基坑面以下支護兩側的作用力為主動土壓力或被動土壓力，也就是說，開挖面下面支護的受力是已知的，未知數(shù)僅僅是支護的人土深度和基坑面以上各層支撐的支反力。
2彈性支點法
由于深基坑支護結構側向土壓力是基于剛塑體理論，無法計算承載力極限狀態(tài)以前的變形，該理論對于破壞狀態(tài)以前應力—應變關系無從解釋，因此人們不得不求助于剛塑體理論以外的方法，彈性地基梁法正是這樣一種方法彈性地基梁理論基于土體的彈性平衡。由于多層支護擋墻人土部分的位移量較小，難于達到出現(xiàn)被動土壓力所產(chǎn)生的位移，該理論把擋墻的人土部分作為彈性地基梁來分析。
3彈性有限元方法
該理論基于土體、擋墻和支撐的共同變形，把開挖面上下的土體作為彈性介質(zhì)，對土壓力的分布不作假定，把擋墻前后一定范圍內(nèi)的土體化為平面應力單元，擋墻為梁單元，水平支撐為桿單元。由于土體屬于半無限平面，對土體的邊界條件要作適當處理。
4非線性有限元方法
對于土體考慮非線性性質(zhì)，其本構關系可以采用莫爾一庫侖理論彈塑性模型、劍橋模型等，以考慮應力歷史，為了模擬圍護結構與土體的共同作用，在土體與擋墻之間，設置接觸單元，而擋墻和支撐，仍按彈性材料考慮。有限元方法的優(yōu)點是不僅能計算支護變形，也能計算土體本身的變形，能處理復雜的土質(zhì)條件，加荷歷史和邊界條件等。但是有限元方法，尤其是非線性有限元方法，由于參數(shù)難以準確取值及計算工作量大等原因，目前我國在基坑支護結構設計中尚無直接利用平面有限元方法的計算結果作為設計依據(jù)的實例。有時結合重大工程技術問題的處理，把它作一種輔助手段。目前，在基坑支護的計算方面，有限元方法主要用于理論研究。
三．三種支護結構選型的經(jīng)濟對比分析
通過對三種不同支護結構計算(計算從略)，現(xiàn)將結果對比分析如下。
1單支點樁板支護結構計算結果
單支點樁板支護結構每米寬度工程造價包括錨桿工程造價、樁身混凝土造價、樁身鋼筋造價、面板混凝土造價、面板鋼筋造價，按錨桿150米/米、鋼材4000元/噸、混凝土300元/噸計算，考慮到成樁工藝較土釘墻面層復雜，故樁板支護結構的工程造價計算中混凝土提高到400元／噸。
該計算結果是運用上述的單支點樁板支護計算程序的計算結果，該次計算的輸入?yún)?shù)為：填土表面超載q=20kN／m2，填土重度Rt=20kN／m3，填土內(nèi)摩擦角=20o，土體粘聚力C=10kPa，樁柱間距S1=1.5m。
2懸臂樁支護結構計算結果
懸臂樁支護結構每米寬度工程造價包括樁身混凝土造價、樁身鋼筋造價，按鋼材4000元/噸、混凝土500元/m3計算，考慮到成樁工藝較復雜，故樁板支護結構的工程造價計算中混凝土提高到600元/m3。該計算結果是運用上述的懸臂式板樁支護計算程序的計算結果，該次計算的輸人參數(shù)為：填土表面超載q=20kN／m2，填土重度Rt=20kN／m3，填土內(nèi)摩擦角=20o，土體粘聚力C=10kPa。
3土釘墻支護結構計算結果
土釘墻每米寬度范圍工程總造價包括土釘工程造價、面板鋼筋造價，面板混凝土造價，土釘鋼材4000元／噸、混凝土300元／噸計算。該計算結果是運用上述的土釘墻支護計算程序的計算結果，該次計算的輸入?yún)?shù)為：填填土表面超載q=20kN／m2，
邊坡坡度=80o，土釘與水平面的夾角=10o，填土重度Rt=20kN／m3，填土內(nèi)摩擦角=20o，土體粘聚力C=10kPa，土釘豎向間距S1=1.5m，土釘橫向問距S2=1.5m，=1.0結構重要性系數(shù)，可以用來調(diào)整圓弧滑移面的穩(wěn)定性數(shù)。
4對比分析
從上述計算結果的圖和表可以看出當基坑開挖深度超過時，單支點樁板支護的單方工程總造價才超過土釘墻，隨后隨著基坑開挖深度的逐漸增大。單支點樁板支護的單方工程總造價增長速率逐漸遠大于土釘墻支護結構的單方總工程造價。但由于眾所周知，土釘墻支護結構的基坑頂部位移要遠大于單支點樁板支護結構的頂部位移，因此作者認為在支護結構總工程造價相差不大的情況下，優(yōu)先選擇單支點樁板支護結構。不過究竟具體在基坑開挖深度超過幾米時，使用土釘墻比單支點樁板支護結構更具有優(yōu)越性，這不能僅僅依靠簡單的結構本身的材料造價，還要綜合兩者的施工周期、基坑的重要性等級、基坑周邊環(huán)境對變形的要求等諸多的因素了，這也是可以進行進一步的深入研究的問題。目前根據(jù)上述的對比表格，作者綜合多方面的因素，建議基坑開挖深度在6~7m及以下時，采用單支點樁板支護結構較適用而且比較經(jīng)濟，開挖深度在6～7m以上時，采用土釘墻支護結構比較經(jīng)濟(限于與單支點樁板支護結構比較)，但要注意控制土釘墻支護結構的地表變形值。而對于懸臂樁板樁支護結構，由上述圖表可看出，存在造價偏高的傾向，基本上到6m以上就很難去計算該結構形式，而且由于懸臂式板樁結構由于結構受力為懸挑式受力結構，結構體受力形式比較不好，因此建議應在支護深度不大(<4m)的情況下使用，另外，在有條件的情況下，盡量使用單支點或多支點支護等結構受力比較好的結構形式。
參考文獻：
[1]GB50007—2002，建筑地基基礎設計規(guī)范[S]
[2]JGJ120—97，建筑基坑支護技術規(guī)范[S]
