重庆市设计院重庆 400010
摘要：在传统的基坑支护的设计中，存在着一些缺陷，简支梁法对结构的设计并不全面，固定端法也会导致结构的适应能力差，会引发一些事故。所以，需要对基坑结构的设计方法进行优化。本文提出了一些新的设计方法，主要是对支护结构通过多个有限元进行分解，对弹性和塑性进行数学建模分析，最终得到了支护结构的主要影响因素是土体的弹性模量，跟结构的弹性模量关系并不明显。所以，弹性地基梁法的近似性很高。最后综合分析了设计方法发展的方向，并通过实例进行了分析。
关键词：基坑支护；结构设计；方法讨论
引言
我国的基坑防护经过二十多年的发展，已经取得一定的进步，但仍然存在一些问题。对基坑支护的设计方法不够科学，最终引发了一些事故，这一类事故原因占总体的46%。所以，优化基坑支护的设计方法，能够提升基坑工程的安全性，保障施工人员或使用人员的人身安全，同时减少经济损失。以下是对几种设计方法的总结分析。
一、极限平衡法
这一方法常用的有两种，第一种是自由端法；第二种是固定端法[1]。自由端法把基坑以下的桩段看作简支端，整个桩绕桩底转动。锚固力作用的点看作是另一支点，整个桩相当于一个简支梁。由横向力的平衡方程和对支护点或支护结构底端的力矩平衡，求出锚固力和桩的固定深度。这实际上是把支护结构当作为分离体处理，整个分离体处于平衡状态。所谓固定端法也叫等值梁法，实际情况中，这种方法是把桩当作三铰支梁。锚固点为一处铰支，土压力强度为零的点为一处铰支，底端弯矩为零的点为另一处铰支。因为对土压力为零的点列力矩平衡方程求出锚固力，所以这个点的弯矩为零。又因为这个点为反弯矩点，这个点上下弯矩变号。适当调整锚固力的位置，可使正负弯矩值大致相等。
图1 固定端法和优化后方法的原理对比
a是土压力；b是弯矩； c是剪力。
图1为优化的固定端法与固定端法原理对比图。在计算D1及锚固力时两者计算方法相同，不同的是计算固定深度时，固定端法对DC段采用力矩平衡!Mc= 0，求出的固定深度是D2。优化的固定端法对DC段采用力的平衡!F = 0，求出的固定深度为D2a。可以证明在砂性土层中D2 ="3D2a。采用优化法，计算出的锚固力与固定端法一致，而计算出的桩墙固定深度与自由端法的计算结果比较接近国外有人早就提出，应这个采用固定端法算出的锚固力，而采用自由端法计算出的桩长。优化的固定端法刚好满足这一要求。为了进一步检验优化的固定端法，我们对多个例子进行了对比比较。按自由端法、固定端法、“规程法”以及优化的固定端法分别计算出锚固力与固定深度，接着使用有限元的方法计算各类情况的位移量。通过计算和分析，我们得知：优化后固定端法能够满足较好的安全性能，且经济效益较高，设计的成本较低。但是，这种设计方法对基坑支护的变形量无法进行有效的运算。
二、弹性地基梁法
在使用弹性地基梁法时，水平方向的地基反力；墙体位移的关系可用下式来表示： p = Kxmyn
公式中，p是水平方向地基反力强度；K是由土的性质决定的地基反力系数；X是开挖面以下的深度；Y是墙体的水平位移。
当指数为1时为线弹性地基反力分布，即地基反力与墙体位移y成正比，当指数不为1时，为非线弹性地基反力分布[2]。非线弹性地基反力分布，计算的过程比较繁复，在工程上运用的较少。当指数m = 0时表示水平方向的地基反力系数与深度无关，是一个定值。
部分人持以下观点：地基反力系数难以准确地确定，所以对这种算法的精确性持怀疑态度。还有人持以下观点：这种方法能计算出桩墙的变形，并且比有限元法简单，是一种具有推广价值的方法。本文更加倾向于前一种看法。
图2是某基坑支护结构的位移分析图。图2中下部几乎重合的两条线是在其他条件不变时，桩的弹性模量扩大10倍得到的。另外的几条曲线是在其他条件固定，只改变土体弹性模量的情况下得到的。由图2可以看出，土体的弹性模量是影响基坑变形的重要因素，而桩的弹性模量（在达到一定值时）对基坑变形的影响并不太大。弹性地基梁法对基坑的变形计算较少，无法得知其位移量，基坑支护实际运行过程中，其稳定性主要受基坑位移的影响。所以，这一方法对支护的设计没有较好的实际运用价值，并不能起到提升涉及稳定性的作用[3]。
图2土与桩墙弹性模量对支护结构形变影响
三、有限元法
上文中提到，弹性地基反力法能够得到支护结构的位移量，却无法得知土体的位移量。所以，我们进行有限元的分析模拟方法。这一方法是通过将基坑周围的分布点进行有限元的区分，对每一个有限元进行受力分析，最终得到整体的内力和位移，这一方式的取得的效果较好，但程序比较繁复，需要计算机技术的深入运用，建立较为简便的程序。国外使用的较多的是ABAQUS程序，这一程序成本高，且运算过程复杂，在一般的工程中使用较少。我国的有限元基坑设计法起步较晚，跟国外的先进技术有着不小的差距，所以要加强相关软件的研发，提升基坑防护的设计水平。另外，在对基坑工程的实际数据测量上，我国平均水平能够达到的精度较低，需要提升数据的精确性[4]。
四、综合设计法
有限元法对基坑位移量有着较好的计算效果，但桩的固定深度以及锚固力需要其他方法进行计算。所以，在设计时，需要运用综合设计法，将多种方法进行综合，提升设计的全面性。在运用这一方法时，一方面要形成范式，将多个区域的标准进行融合，形成行业的标准；另一方面，要将普通的方法与有限元法进行结合，提升设计的全面性。这一方法需要较多的软件支持，希望相关的工作人员能够研发出一些适用的软件。
五、结束语
本文对基坑防护的设计方法进行简单的总结和研究，对目前主要的设计方法进行了优劣分析。自由端的方法锚固钉力大，固定端的方法要求桩固定的深度较大，通过优化，新的固定端方法能够满足一定的安全性，也有较好的经济效益。另外，基坑变形主要受土体的弹性模量影响，所以弹性地基梁法不够稳定。弹塑性有限元法的建模分析近似性很高，但目前简便的程序较少。本文对基坑支护的设计方法进行了总结，主要研究了极限平衡法、弹性地基梁法和有限元法的设计理念，对比了三种方法设计的合理性，并提出了需要综合运用进行设计的结论。在进行设计时，需要综合考虑防护的要求和施工环境，以及经济效益选择合理的设计方法。
参考文献
[1]姚爱国,汤凤林,SmithI.M.基坑支护结构设计方法讨论[J].工业建筑, 2001,31(3):7-10.
[2]施占新.深基坑围护结构设计方法的优化[J].建筑技术,2004,35(3):208-209.
[3]贺香宝,胡小忠.基坑支护结构设计方法的比较分析[J].中小企业科技,2007(8X):230-231.
[4]王振旭,孙博.基坑支护结构设计方法讨论[J].城市建设理论研究:电子版,2013(27).
论文作者:毛昉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/8
标签：基坑论文; 方法论文; 地基论文; 锚固论文; 位移论文; 弹性模量论文; 这一论文; 《基层建设》2017年第12期论文;