邢獻(xiàn)軍

摘要：地鐵車站深基坑支護(hù)情況比較復(fù)雜，受到的影響因素較多，利用計(jì)算分析的結(jié)果以及變形機(jī)理，能夠預(yù)判施工中可能出現(xiàn)的各種引起事故的因素，利用土壓力公式能夠最大限度的保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文從地鐵車站深基坑支護(hù)土壓力計(jì)算、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、深基坑支護(hù)變形機(jī)理、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體共同變形原理、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的影響因素五個(gè)方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：深基坑 支護(hù)結(jié)構(gòu)

地鐵車站深基坑開挖屬于大規(guī)模利用地下空間開發(fā)范圍，地鐵車站深基坑大多都在繁華的城市中心地段開挖。在地鐵車站深基坑開挖中，由于存在大量的市政管線分布以及道路荷載，如果不加以重視就有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的施工事故，所以在施工設(shè)計(jì)中就要嚴(yán)格的保證施工的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過對地鐵車站深基坑施工過程中支護(hù)內(nèi)力與變形規(guī)律分析，利用計(jì)算分析的結(jié)果，能夠預(yù)判施工中可能出現(xiàn)的各種引起事故的因素，從而對基坑設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)作用。

1深基坑支護(hù)中的土壓力計(jì)算

1.1經(jīng)典土壓力理論在基坑支護(hù)中的運(yùn)用

經(jīng)典的朗肯土壓力理論和庫侖土壓力理論已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力計(jì)算中。由于土性的復(fù)雜、施工方法不同、支撐結(jié)構(gòu)剛度存在差異導(dǎo)致作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力會(huì)發(fā)生很大的變化。朗肯土壓力理論和庫侖土壓力理論計(jì)算方法已經(jīng)被工程中作為基本的計(jì)算方法。

(1) 朗肯土壓力

朗肯土壓力主要是支護(hù)結(jié)構(gòu)的土體處于極限狀態(tài)，是從土中的極限平衡力出發(fā)。求出作用在土中的光滑豎直面上的土壓力強(qiáng)度和土壓力分布，然后再計(jì)算作用墻背上總壓力。

朗肯土壓力在計(jì)算過程中忽略墻背與土體的摩擦以及土體之間的剪切力作用。但是對于大多數(shù)的擋土墻來說，朗肯主動(dòng)土壓力偏大被動(dòng)土壓力偏小。

(2) 庫侖土壓力

庫侖土壓力是在墻后的土楔體整體處于極限狀態(tài)下求出的總土壓力。

庫侖土壓力是將墻后的填土理想化，不將粘性土的粘聚力放進(jìn)考慮范圍內(nèi)，所以此理論實(shí)際只適用無粘性土。而在實(shí)際的工程中，經(jīng)常遇到粘性土，所以在被動(dòng)狀態(tài)的土壓力偏大并與理想假定的平面滑裂情況差異較大。

1.2支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間摩阻力影響

支護(hù)結(jié)構(gòu)的表面往往都是不完全光滑，相對粗糙，因此與土體之間必然會(huì)形成摩擦力。在挖掘的時(shí)候，應(yīng)將摩阻力考慮進(jìn)去。在計(jì)算柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)墻前需要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的摩阻力。將朗肯土壓力和庫侖土壓力有機(jī)的結(jié)合在一起。土壓力的計(jì)算應(yīng)采用朗肯土壓力公式，但土壓力的系數(shù)應(yīng)采用庫侖土壓力的公式。

2深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析

2.1深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算主要有三類：

(1) 傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)方法。選取一定樁體入土深度，利用經(jīng)典土力學(xué)理論計(jì)算作用于樁上的主動(dòng)與被動(dòng)土壓力，根據(jù)計(jì)算內(nèi)力的結(jié)果，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這種方法是設(shè)計(jì)中主要的應(yīng)用方法。

(2) 彈性抗力法。由于對支護(hù)樁墻有嚴(yán)格的位移控制要求，所以坑內(nèi)很難達(dá)到完全的被動(dòng)狀態(tài)，我們就把這種狀態(tài)仍然看作彈性抗力階段，可按彈性抗力來設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

(3) 有限元分析法。這是一種將多種復(fù)雜因素綜合考慮的設(shè)計(jì)方法。采用非彈性土體本構(gòu)模型來解決支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力問題。但是其實(shí)用難度較大，多數(shù)情況仍作為輔助設(shè)計(jì)方法。

2.2內(nèi)支撐內(nèi)力計(jì)算

按照不同情況支撐構(gòu)件的內(nèi)力和變形分為以下計(jì)算方法：

(1) 對于形狀比較規(guī)則的基坑，可采用相互正交的支撐體系

1) 支撐軸向力可以按照支撐中心距與圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿長度方向分布的水平反力乘積來進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)支撐與圍檁斜交時(shí)，應(yīng)該考慮水平力在圍檁長度方向產(chǎn)生的軸向力的作用，其水平反力應(yīng)該取支撐長度方向的投影。

2) 在有垂直荷載作用的條件下，支撐的變形與內(nèi)力可看似單跨梁或者多跨梁來分析計(jì)算，當(dāng)混凝土圍檁在水平作用下，變形和內(nèi)力應(yīng)按照多跨梁計(jì)算分析，鋼圍檁的變形和內(nèi)力應(yīng)該按照簡支梁進(jìn)行計(jì)算，其中計(jì)算跨度應(yīng)該用相鄰立柱的中心距。

3) 立柱的軸向力應(yīng)該取橫向支撐的支座反力之和。

(2) 對于非常復(fù)雜的支撐體系來說，應(yīng)該采用空間桿系模型來計(jì)算

我們將支撐結(jié)構(gòu)可以看作一個(gè)平面的框架，將其從支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中分割出來，在分割處應(yīng)加上相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，以及作用在支撐上的其他荷載，利用空間桿系模型進(jìn)行分析。為了計(jì)算方便，我們將加在分割處的內(nèi)力只考慮由圍護(hù)結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算確定沿圍檁長度方向正交分布的水平力。計(jì)算模型的邊界條件應(yīng)有以下原則：

1) 在圍檁與水平支撐交點(diǎn)處，以及圍檁的轉(zhuǎn)角處分別設(shè)置豎向鉸支座。

2) 基坑四周與圍檁長度方向正交的水平荷載在不均勻分布的情況下，應(yīng)防止模型整體平移或者轉(zhuǎn)動(dòng)的水平約束。

隨著數(shù)值分析技術(shù)不斷發(fā)展，有限元分析法正在逐步的運(yùn)用到基坑設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在不斷地發(fā)展過程中，設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)計(jì)算方法也在不斷發(fā)展與完善。在復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與土體變形場的耦合作用以及基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)影響下，基坑開挖過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力變化在傳統(tǒng)解析方法下難以掌握。隨著基坑開挖的不斷發(fā)展，對引起周圍建筑物與地下管線的影響日益突出，更多的環(huán)境因素決定的地層變形在未來的重要工程中起著主導(dǎo)作用。

3地鐵車站深基坑支護(hù)變形機(jī)理

地鐵車站深基坑開挖過程是一個(gè)不斷卸掉載荷的過程，坑內(nèi)的土體不斷被挖出，使其自重應(yīng)力不斷地被釋放，導(dǎo)致基坑變形?；幼冃畏譃椋夯拥撞客馏w隆起、地表沉降、墻體側(cè)移。

(1) 基坑底部隆起

基坑開挖引起自重應(yīng)力導(dǎo)致基坑坑底向上回彈，支護(hù)結(jié)構(gòu)對土體進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致基坑隆起，改變了原始土體的應(yīng)力狀態(tài)。在開挖基坑的初期。由于開挖深度不是很大，坑底土體在卸荷后發(fā)生垂直隆起，圍護(hù)墻也被抬高，中間隆起高度要大于兩側(cè)，但是不是影響圍護(hù)墻體的側(cè)向變形。隨著開挖深度不斷加大，基坑坑底就會(huì)產(chǎn)生塑性隆起?；又車矔?huì)形成塑性區(qū)，同時(shí)伴隨著沉降。兩側(cè)的隆起高度逐漸超過中間的。

(2) 地表沉降

隨著開挖深度不斷加大，基坑周圍的土體塑性區(qū)也不斷擴(kuò)大，土體不斷向基坑坑底移動(dòng)，導(dǎo)致圍護(hù)墻體后產(chǎn)生地層沉降。地表沉降發(fā)生在墻體入土深度不大的軟弱層時(shí)，強(qiáng)抵觸具有較大的水平位移和地表沉降。地表沉降發(fā)生在墻體入土深度較大的剛性層時(shí)，墻體的變位與梁的變形相似。

(3) 墻體側(cè)移

墻體發(fā)生水平側(cè)移是由基坑隆起引起墻體兩側(cè)產(chǎn)生壓力差導(dǎo)致。圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的變形從水平方向影響基坑外圍土體的應(yīng)力狀態(tài)，從而使地層移動(dòng)。周圍地層移動(dòng)的原因是由墻體變形造成的。墻體外側(cè)發(fā)生地層損失的同時(shí)地表也在沉降，并且周圍塑性區(qū)不斷擴(kuò)張，從而加快了墻外土體向坑內(nèi)移動(dòng)和坑內(nèi)土體的隆起?；娱_挖初期，還沒有設(shè)置支撐的時(shí)候，墻頂位移表現(xiàn)最大，向基坑的水平方向位移，隨著開挖深度的加大，其剛性墻體依舊向水平方向位移，但是柔性墻體的位移就不斷地向基坑外部移動(dòng)。

4地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體共同變形原理

共同變形是墻體在一定的土壓力作用下變形，這種變形同時(shí)反作用于土壓力的分布。

(1) 在計(jì)算的初始狀態(tài)下，假定墻體完全沒有變位，土壓力應(yīng)按照靜止土壓力考慮。

(2) 假設(shè)墻體、地基及水平支撐為彈性體。

(3) 假設(shè)水平支撐只承受壓力，而不承受拉力。

(4) 墻上不同的深度處的水平基床系數(shù) 、墻體剛度 及水平支撐的彈簧系數(shù) ，根據(jù)地下連續(xù)墻和地基的情況分別采取不同的數(shù)值。

(5) 不考慮因墻體的水平變位而產(chǎn)生的地基在垂直方向的拱作用影響。

對使用橫軸支撐的擋土墻，如果在墻體產(chǎn)生位移之后再去進(jìn)行設(shè)置橫軸支撐，那么作用在墻體上的土壓力將會(huì)小于靜止土壓力，如果墻體產(chǎn)生較大的位移，那么我們要將其減小到主動(dòng)土壓力。如果橫軸支撐施加初始軸向力，則作用在墻體上的壓力會(huì)大于設(shè)置橫撐前的土壓力，其增加值取決于施加初始軸向力的大小，極限情況與被動(dòng)土壓力相等。通過調(diào)整橫軸支撐預(yù)加軸力來減小墻體的位移。地下連續(xù)墻通常運(yùn)用二維有限單元法，這種方法不用先假定土壓力，能夠直接的反映土體與結(jié)構(gòu)的共同作用。地層特性、分布開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)都是影響二維有限單元法在基坑開挖中的因素。

5地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的影響因素

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的影響因素分為：深基坑工程條件、支護(hù)墻體的剛度、施工開挖過程。

(1) 深基坑工程條件

深基坑工程地質(zhì)條件包括環(huán)境條件，氣候條件，水文條件，工程地質(zhì)。其中工程地質(zhì)和水文條件最為重要，是基坑支護(hù)方法和開挖方法以及降水方法的基本依據(jù)。地下水能夠造出滲流和管涌能夠影響土體變形。所以要做好降低水位，可有效的防止管涌，減少沉降。基坑的寬度以及開挖的深度都直接影響基坑的變形。地基土上的各種物理指標(biāo)也是重要因素。

(2) 支護(hù)墻體的剛度

增加墻體的厚度可以有效的使支護(hù)墻體的水平位移減小，同時(shí)使主動(dòng)土壓力增加，這個(gè)時(shí)候被動(dòng)土壓力主要承擔(dān)墻體內(nèi)側(cè)的土壓力，厚度增加同時(shí)伴隨著剛度的增加，墻體底部的水平位移也逐漸增大。墻體厚度不斷增大后，其表現(xiàn)為支護(hù)墻體的彎矩不斷增大，降低地表沉降的作用也不斷減小。在滿足墻體強(qiáng)度的情況下，要盡可能的運(yùn)用各種方法來減小墻體水平位移和地表沉靜。

(3) 施工開挖過程

施工組織重要組成部分是基坑分布開挖深度和支撐順序。施工過程是影響基坑變形的重要因素。施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)進(jìn)行開挖，要及時(shí)地施加預(yù)應(yīng)力和安裝支撐?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 劉建航，候?qū)W淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997，1~33

[2] 張尚根，趙佩勝.基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分析[J].工業(yè)建筑，2000，30（3）：17-20

[3] 徐奴文.地鐵車站深基坑開挖與支護(hù)有限元數(shù)值模擬[D].天津：大連理工大學(xué)，2008