某深基坑支护结构内力与变形的几点思考

【关键词】相互作用；深基坑支护结构；变形；计算方法；内力 

　　基坑支护结构的研究，随着工程事故的不断发生以及基坑开挖深度的不断增加，越来越受到建筑工程界的重视，通过不断的深入研究，深基坑支护结构的研究在理论与实践方面都取得了长足的进展。 

　　一、工程概况 

　　在现有厂区内新建地下车库，建筑面积11700平米，基坑长98米，宽124米 深7.5米。新建地下车库基坑向北6米为4层框架结构办公楼，向西侧12米为6层砖混结构宿舍楼，东、南侧均为厂区主干道， 

　　二、勘测报告 

　　（1）场地地形地貌 

　　拟建场地地貌单元上属于乌兰木仑河Ⅰ级阶地。地形起伏变化较小，现状场地平坦，拟建场地人类活动较频繁，地表大面积分布填土，主要为砂土堆积物，最大分布厚度1.8m。 

　　（2）场地地层结构 

　　根据钻孔揭露，拟建场地地层较为简单，地层分布自上而下依次为填土、细砂、卵石、强风化砂岩。 

　　（3）场地地下水 

　　据钻孔揭露，在勘探期间，拟建场地地下水位埋深在0.8～1.2m，拟建场地地下水受上部绿化灌溉影响，勘察期间地下水水位高于稳定的地下水水位约1m。拟建场地地下水类型为孔隙性潜水，主要含水层为砂层与卵石层。补给来源为大气降水及地下径流，排泄主要为大气蒸发于地下径流，地下径流主要为向西排泄于乌兰木仑河。根据区域地质资料场地地下水位变幅在1.0m左右。 

　　（4）场地不良地质现象 

　　根据区域性资料，拟建场地内及其附近无断层及其它构造通过，拟建场地人类活动频繁，主要表现为对场地进行的堆填整片，勘察期间见地下管网分布。无其他不良地质现象，适宜进行工程建设。 

　　三、岩土体与支护结构的相互作用 

　　深基坑的支护与开挖在涉及到岩土力学中典型的强度、变形以及稳定性等问题的同时，还涉及到岩土体与支护结构的相互作用等问题。影响支护结构变形与内力的一个重要因素就是岩土体与支护结构的相互作用。所以，在计算深基坑支护结构时，基坑周边一定范围内支护结构与岩土体的协同作用是一定要考虑的。深基坑工程支护结构类型多，是一门系统工程，岩土体与不同的支护结构体系之间的相互作用是不同的，目前主要有土钉墙、地下连接墙、钻孔灌注桩、钢板桩等。 

　　四、分析及讨论 

　　深基坑的开挖过程是典型的一类变形体系施工力学问题，每次开挖时都有可能施加新的构建，也有可能有土体被挖掉，支护结构体系不断在发生变化。考虑逐次开挖不断迭加与仅仅考虑最后一个状态各次开挖的成果进行分析得到的结果是完全不同的。所以，本文主要对三个方面的相互联系进行讨论。深基坑支护和开挖的过程可以说是一个动态的系统工程，岩土体与支护结构之间的相互作用受到支护结构添加过程与岩土体开挖过程的影响，相互作用的改变，对于支护结构本身的变形与内力特征必然会造成影响，监测前一个开挖到支护工况支护结构的变形与内力行为，对下一个开挖到支护工况支护结构变形与内力特征的计算是极为有利的，可以对设计方案进行进一步的优化。 

　　深基坑的开挖到支护过程通过分析表明其是一个动态的过程，但是，目前盛行的压力理论的一些基本假设，对研究岩土体和支护结构的相互作用机制构成了一定的限制。例如：库伦土压力理论，墙背与土的相互作用虽然有考虑，但是却只能应用于无粘性土；郎肯土压力理论忽略了支护结构和土的相互作用，只是假设墙背的光滑和直立。并且，这两个理论都与实际情况不相符，都要求在极限平衡状态下的土压力。动态施工过程是一种复杂的相互作用过程，必然会引起土压力的动态调整，传统的土压力理论已经无法适用。在计算深基坑支护结构计算的过程中，土压力经常会简化为集中力或线性分布，但是实际情况土压力应该是实时变化的非线性分布。作用于支护结构上的主要荷载就是土压力，在这一方面传统的土压力理论存在着很多缺陷，当前基坑设计所面临的一个关键问题就是如何合理地对土压力进行计算。岩土体和支护结构相互接触的问题涉及到物理与数学的双重复杂性，这就让接触问题的研究大多局限于简单的工况。摩擦问题的耗散性质与接触问题的非线性性质决定了，在理论方面及数值方面实现三维非线性接触仍然是比较困难的。 

　　极限平衡法支护结构对土压力的影响没有进行考虑，其只是将超静定问题转化为静定问题求解。可以将弹性地基梁法看作是极限平衡法的一种改进，但是其根本却并没有得到改变。上面所叙述的两种方法，其都没有将周围环境与支护结构作为一个整体来进行系统研究，无法考虑深基坑的空间效应，岩土体和支护结构的相互作用也就无法反映。深基坑本身是一个三维空间结构，其具有长、宽、深尺寸，所以说，其支护体系的设计是一个非常复杂的受力三维空间问题。所以，深基坑的岩土体和支护结构之间在具有相互作用的同时还具有空间效应，对于支护结构的这种空间效应，二维有限元却不能进行充分的体现。而对于不同工况下岩土体和支护结构整体系统的变形场及应力场特征，三维有限元方法却能够进行分布模拟，可以根据工况对整个系统的变形场与应力场特征的施工方法及施工方案进行不断优化，能够确保整个基坑工程的合理、安全、有效进行。但是，该方法为了给下一工况计算提供基础数据，要求岩土体与支护结构参数根据监测的结构进行不断反演，参数相对较为复杂，计算工作量也比较大，同时受到反演的限制，参数比较难以获得。 

　　深基坑支护结构的内力与变形检测是进行施工及信息化设计的前提，是一项重要的确保基坑施工安全的措施。对深基坑支护结构变形与内力构成影响的因素有很多，因此对支护结构本身及其相邻环境系统必要要进行检测。当前，一些监测方法，无法准确判断出其未来的变形趋势，无法客观、全面地对结构的变形动态进行反映，并且由于价值不菲的测量仪器还额外增加了监测成本。为了更好地知道现场信息化施工，进一步减少因试验方法或者是选取试样的差异而造成误差，我们应该对监测结构进行反演，以得出合理的岩土体与支护结构的物理力学参数。 

　　总结：我们要对深基坑岩土体非线性和支护结构之间的相互作用进行充分的考虑，要不断深入探讨摩擦问题与非线性性质问题。基坑工程是动态的一项系统工程，而岩土体和支护的接触问题是非连续性的经典接触问题。所以，我们必须要从数值模拟与理论方面对相互作用问题、接触问题以及土压力分部规律进行研究，必须要考虑非线性与动态性。 

　　参考文献： 

　　[1]丁翠红，周 玲.深基坑支护结构上的土压力分布问题研究现状探讨[J].浙江工业大学学报，2009，37（01）：64—68. 

　　[2]高文华，杨林德，沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J].土木工程学报，2001，34（05）： 90—96.