彭 麗

（甘肅建投土木工程建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國城市化率的不斷提升，建筑深基坑面對的地質復雜程度與形變敏感程度與日俱增。與此同時，在設計與施工標準化的當下，采用傳統(tǒng)經驗判斷方式對深基坑支護結構的設計很難滿足特定的工程需求?；诖?，大型工程或敏感型工程往往需要通過嚴格的地質檢測，并進行變形因素與風險測算后，對深基坑支護結構提供設計輔助與依據(jù)。

1 深基坑變形的危害及其影響因素分析

1.1 深基坑變形的危害

當深基坑變形時，可能會引發(fā)以下3 個方面的具體危害：一是建筑物不均勻沉降：深基坑變形可能會導致周圍建筑物的不均勻沉降，進而引發(fā)結構裂縫、甚至倒塌。這是因為深基坑開挖會導致周圍土體變形，從而影響周邊建筑物的地基穩(wěn)定性。如果建筑物的基礎不夠穩(wěn)定，就會產生不均勻沉降，進而導致結構裂縫的出現(xiàn)，嚴重時甚至可能導致建筑物倒塌。二是地下管網斷裂、道路沉陷破壞：深基坑變形還可能導致地下管網斷裂、道路沉陷破壞。在城市中，地下管網密布，包括水、電、燃氣等各類管道，而深基坑開挖可能會對這些管道造成影響，導致管道斷裂。同時，道路沉陷也會對城市交通和行人安全造成威脅。三是周圍地面沉降：深基坑變形還可能會導致周圍地面沉降。在深基坑開挖過程中，維護結構的位移和坑底土體的隆起會導致周圍地面沉降、地表破壞。如果沉降超過一定范圍，就會對周邊的建筑物、管道、道路等造成危害。此外，當深基坑形變超過一定限度時，甚至會產生塌方等安全生產事故，不僅影響了深基坑土方作業(yè)的施工周期，而且容易造成人員及施工設備的損失，造成極大的施工風險[1-2]。

1.2 深基坑變形的主要影響因素

深基坑變形的影響因素較為復雜，從現(xiàn)有的施工經驗來看，其至少包括了地質條件、支護條件、施工條件、環(huán)境條件等4 個大類。在地質條件中，土體的物理力學參數(shù)，如土的變形模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角和重度等均會通過對土體自身變形的影響而帶來深基坑變形；在施工條件中，圍護墻體和支撐的剛度、開挖順序與方法、挖撐次序等同樣會造成深基坑變形；在環(huán)境條件中，降水等影響因素會顯著提高深基坑形變，甚至誘發(fā)塌方等安全生產事故[3-4]。

從上述的分析中不難發(fā)現(xiàn)，對于地質條件的檢測以及對施工條件及環(huán)境條件的控制，是實現(xiàn)深基坑支護結構設計的主要影響因素，也是工程中實現(xiàn)變形控制的有力手段。在地質條件中，土的變形模量與深基坑變形具有直接的相關關系，一般判定下，多采用模量公式進行表征，模量公式為

式中：Eo為變形模量；u為土的泊松比；Es為巖土的變性模量。式（1） 表明，變形模量與巖土的變性模量是有關聯(lián)的，且土的泊松比越大，變形模量越小。

除了上述直接關系變量的影響之外，土壤含水率變化、土壤地質特征對其同樣具有顯著影響。含水率與深基坑形變關系的公式為

式中：ΔL為含水率變化時的深基坑形變量；L為深基坑長度；w和w0分別為當前含水率和原始含水率；ΔL0為含水率變化時的基礎形變量。式（2） 表明，深基坑形變量與深基坑長度和基礎形變量成正比，與含水率變化成反比。

土壤地質特征與深基坑形變關系的公式為

式中：Δu表示土體的變形量；c表示土體的粘聚力；σ 表示土體的平均正應力；φ 表示土體的內摩擦角；ρ 表示土體的重度。η 和σ 為正值，c、σ、φ 和ρ 的值越大，土體越不容易發(fā)生形變。需要注意的是，式（3） 僅適用于土體處于線彈性狀態(tài)的情況，對于軟化型或硬化型土體不適用。

2 變形控制下深基坑支護結構設計要點

2.1 充分考慮土體物理力學指標影響

在深基坑支護結構設計中，需要充分考慮土體物理力學指標的影響，具體可以從如下4 個方面加以考量：一是土體物理力學指標的測量和觀測：在設計深基坑支護結構之前，需要先對土體物理力學指標進行測量和觀測?？梢允褂迷粶y試和室內試驗等方法來確定土體的變形模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角和重度等指標，以及土體的含水率和滲透性等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)可以幫助設計人員更好地了解土體的性質和特點，從而更好地設計深基坑支護結構。二是土體性質的計算和分析：在設計深基坑支護結構時，需要對土體性質進行計算和分析?？梢允褂脭?shù)值模擬的方法，將土體物理力學指標輸入到計算機中，進行數(shù)值模擬計算，以預測深基坑支護結構的變形和應力情況，以及土體的移動和變形趨勢。這些數(shù)據(jù)可以幫助設計人員更好地了解土體對深基坑支護結構的影響，從而更好地設計支護結構。三是支護結構的類型和強度設計：在設計深基坑支護結構時，需要根據(jù)土體物理力學指標來選擇合適的支護結構類型和強度。例如，對于低應變模量的軟土地區(qū)，適合采用樁撐支護或噴錨支護等結構形式；對于高應變模量的硬土地區(qū)，適合采用地下連續(xù)墻或鋼板樁等結構形式。同時，需要根據(jù)土體的承載力和變形要求來設計支護結構的強度和剛度，以確保支護結構能夠承受土體的壓力和變形。四是支撐位置和支撐方式的選擇：在設計深基坑支護結構時，需要根據(jù)土體的物理力學指標來選擇合適的支撐位置和支撐方式。例如，對于低應變模量的軟土地區(qū)，適合采用多點支撐或斜向支撐等形式；對于高應變模量的硬土地區(qū)，適合采用單點支撐或垂直支撐等形式。同時，需要根據(jù)土體的承載力和變形要求來確定支撐的位置和數(shù)量，以確保支撐能夠有效地控制深基坑的變形。

2.2 科學確定深基坑支護結構參數(shù)

在設計深基坑支護結構時，深基坑結構參數(shù)至關重要。一般情況下，其包括了深基坑的形狀、深度及大小，是考慮了工程實際需求以及周邊環(huán)境要素與地質條件后的綜合結果。在實際設計中，一般需要遵循如下3 個方面原則：一是安全性：深基坑的形狀、深度及大小的設計應滿足深基坑支護結構的安全性要求。這意味著需要確保深基坑在施工過程中及完工后不會出現(xiàn)變形、沉降及坍塌等安全隱患。二是經濟性：在滿足安全性的前提下，應盡量減少深基坑的開挖面積和開挖深度，以降低工程造價和施工難度。同時，應選擇經濟適用的深基坑支護結構形式和材料，以降低工程成本。三是可行性：設計應符合工程場地地質條件、周邊環(huán)境和施工條件的限制。例如，對于軟土地基，需要采用特殊的支護結構形式和技術措施，以確保深基坑的穩(wěn)定性和安全性。

同時，在設計開展的過程中需要經過初步設計、計算分析與修訂以及現(xiàn)場試驗等3 個基本過程。在初步設計中，根據(jù)工程要求和場地條件，結合設計經驗，初步確定深基坑的形狀、深度及大小。這一階段主要依賴于設計人員的主觀經驗和技術水平。在計算分析與優(yōu)化過程中，使用數(shù)值模擬軟件對初步設計進行計算分析，預測深基坑支護結構的變形和應力情況，以及土體的移動和變形趨勢。根據(jù)計算分析結果，對初步設計進行調整和優(yōu)化。在現(xiàn)場試驗階段，對深基坑的形狀、深度及大小的實際情況進行監(jiān)測和分析。根據(jù)監(jiān)測結果，進一步優(yōu)化深基坑支護結構的設計，確保工程安全和施工質量。

2.3 有效選定深基坑支護應力節(jié)點

應力節(jié)點主要是指深基坑支護結構與深基坑土體之間的互動關系。在設計深基坑支護結構時，需要考慮支護結構剛度、類型、入土深度，支撐位置、類型、剛度、預應力與排列方式等因素。在實際設計中，具體的考量包括如下5 個方面：一是支護結構剛度決定了深基坑支護結構的變形和受力性能。在設計中，需要根據(jù)深基坑深度、周邊環(huán)境和地質條件等因素，綜合考慮確定支護結構剛度。常用的方法是通過計算分析和現(xiàn)場試驗，確定合適的支護結構剛度。二是支護結構類型：深基坑支護結構類型需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質條件和周邊環(huán)境等因素進行選擇。例如，對于長條形深基坑，適合采用樁撐支護或噴錨支護等結構形式；對于方形深基坑或圓形深基坑，適合采用地下連續(xù)墻或鋼板樁等結構形式。同時，還需要考慮支護結構的承載力和變形要求，選擇合適的材料和構造形式。三是支護結構入土深度：在設計時，需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質條件和周邊環(huán)境等因素綜合考慮確定，常用的方法是通過計算分析和現(xiàn)場試驗，確定合適的入土深度。四是支撐位置、類型與剛度：在設計時，需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質條件和周邊環(huán)境等因素，綜合考慮確定支撐位置。常用的方法是通過計算分析和現(xiàn)場試驗，確定合適的支撐位置和數(shù)量，并以此為基礎選擇支撐類型與所需剛度。五是預應力與排列方式：在設計時，需要根據(jù)深基坑的形狀、深度及大小、地質條件和周邊環(huán)境等因素，綜合考慮確定是否需要施加預應力并進行排列方式的優(yōu)化。也可以通過計算或仿真的方式予以確定，一般情況常用的預應力計算方法包括兩種，一種是按照彈性地基梁理論進行計算，將深基坑支護結構視為在彈性地基上布置的連續(xù)梁，根據(jù)深基坑周邊地質條件、支撐體系和梁的幾何尺寸等因素，按照彈性地基梁理論進行計算；另一種則是假定深基坑土體為各向同性、均質、彈塑性體，根據(jù)土壓力分布情況，按照朗肯理論進行計算。

3 變形控制的深基坑支護施工保障

除了通過深基坑支護結構設計對可能出現(xiàn)的變形進行控制外，施工管理同樣是控制變形的重要手段。基于此，在完成設計后，需要配套進行深基坑支護施工的高標準管理體系建設。在深基坑支護施工中，可以采取加強支撐桿件的強度和剛度、控制開挖速度、優(yōu)化開挖工序、加固軟弱土層等方式實現(xiàn)對變形的控制。

這些措施可以在深基坑支護施工的過程中有效地控制支護結構的變形，從而保障深基坑的安全和穩(wěn)定。例如，加強支撐桿件的強度和剛度可以加強支護結構的承載能力和變形性能，從而減小變形和沉降；合理控制開挖速度和工序可以避免因開挖速度過快或工序不當引起的變形和沉降；對軟弱土層進行加固處理可以提高土體的承載能力和變形性能，從而減小支護結構的變形和沉降等。

除了以上措施外，還可以采取其他變形控制措施，例如加強監(jiān)測和預警，及時掌握支護結構的變形情況和周邊環(huán)境的變化情況，并根據(jù)監(jiān)測結果及時采取相應的措施，保障工程安全和施工質量。

4 結論

在深基坑支護結構的設計階段，應充分考慮變形控制的要求，合理選擇支護結構形式和材料，并進行必要的計算和分析，確保支護結構具有足夠的承載能力和變形性能。在施工過程中，應加強質量管理，確保施工質量符合設計要求，從而提高深基坑支護結構的穩(wěn)定性和安全性。