深基坑支护结构理论计算方法

刘晓玉黄剑

摘要：本文介绍了常用的深基坑支护结构理论计算方法，将认可度比较高的计算方法进行了归纳，可为相关理论分析提供参考。

关键词：深基坑；基坑支护；理论分析

0引言

在深基坑支护结构理论计算方法的研究上，目前比较成熟且认可度较高的主要有以下三大类：经典方法、弹性地基梁法、有限元法[1]。

1经典方法

经典方法主要有静力平衡法、等值梁法、Terzgahi法、弹性曲线法、等弯矩法及等轴力法[1][2]。

经典方法是基于力的平衡这一基础建立的理论方法。这种方法主要是选用单位宽度受侧向荷载的梁系作为研究对象，如经典的等值梁法和1/2切割方法等，采用的土压力理论中，既有经典的朗肯土压力理论，也有Terzgahi-Peck表观土压力理论[3]。该方法将围护结构看作是一条插入土体的竖向梁，假设支撑点固定不动，围护结构即成为一个受土压力的作用的多支承点的梁。这种方法计算简便，适合手算，可近似的得出围护结构的内力，但计算结果误差较大，且无法同时求出围护结构的位移，无法根据施工情况的变化，求得围护结构确切的内力值。而在计算机的大范围普及和有限元方法的不断推广情形下，该方法的应用也越来越少。

总之，由于经典方法无法分析不同施工工况下的内力情况，且未考虑土体与围护结构的变形因素，导致该方法逐渐散失了其原有地位。

2弹性地基梁法

2.1弹性地基梁法

弹性地基梁法是基于经典法发展起来的一种改进型计算方法，该方法是在经典法的基础上，将土的作用等效成一系列弹簧的弹力作用，同时将支撑与锚杆也用弹簧进行替代，这样可以把整个支护结构看成是一弹性支撑的地基梁。而计算弹簧刚度的方法有m法、E法、C法等，土压力理论一般采用经典的土压力理论，如库伦土压力理论及朗肯土压力理论。

弹性地基梁的解法主要有结构力学方法、解析法和有限元数值法等。为方便计算，弹性地基梁法对支撑受力和桩入土段的受力进行了简化：在下一道支撑完成后，假设上一道支撑受力不变；对于入土段的受力情况作了两点假设，一是在土压力达到极限被动土压力时，可通过力的平衡进行求解，二是假定入土段的受力和变形有关[4]。

目前，国家基坑规程中对弹性支点法进行了说明，将支撑作为一个弹性支点，按m法的经验值计算地基土抗力，最后利用弹性地基梁微分方程完成求解过程。在土体分层较多的情况下，每层土都有对应的m值，这样将不断增加分段微分方程。所以，一般的弹性支点法的求解过程都是比较复杂的，这时可利用杆系有限元数值法进行求解。

弹性地基梁法在计算过程中充分考虑了结构、土、支撑或锚杆的相互作用，同时结合增量法，能够计算复杂的施工工况，且方法简便。该法计算结果的精确度与土体弹簧刚度的取值息息相关，同时也可以根据施工经验的积累不断完善其计算精度。所以在现实的基坑工程中该法已逐渐成为主流方法，完全满足工程设计与施工的需求。

2.2增量法

增量法的出现弥补了经典方法无法考虑施工工况这一缺陷，为精确计算基坑支护结构受力变形提供了更为可取的计算方法。该法考虑了施工过程中的各个阶段，并针对每个阶段形成的支护结构施加相应的荷载增量，由该增量产生的内力与结构原有的内力进行叠加作为该施工阶段的内力，这样就能比较真实的模拟整个施工的过程。在处理多道内撑的支护体系中，由于内撑的施工都是在开挖后进行的，传统的极限平衡法无法根据开挖情况得到围护墙体外侧土体抗力分布情况，所以依据传统方法得出的墙体稳定性及墙体位移都是不够准确的。因此对于设置了多道支撑的基坑工程，宜采用增量法进行计算。

3有限元法

有限元法作为今后基坑支护设计计算的发展方向，具有诸多优点，既考虑了支护结构和土体的变形，又能得到塑性区的分布情况，从而判断出支护结构的整体稳定性。近年来，该方法正不断走向成熟，并涌现出了大量的有限元分析软件，如ABAQUS、ANASYS及MIDAS等等。有限元方法对支护体系和土体都划分了网格，并能采用不同的土体本构模型，计算分为二维平面有限元和三维空间有限元两种[4]。

在结构计算方面，该方法考虑了围护结构及土体的共同作用，并建立了比较完整的理论及计算方法，结合计算机程序，使得基坑支护设计计算更为高效。在设计理论方面，通过将现场监测数据、优化反演参数、支护结构变形与稳定性分析相结合，可以建立对基坑变形及支护结构位移的动态预报体系。

随着计算机的普及和有限元方法的推广，采用有限元分析解决基坑工程问题，已经成为一种比较普遍的方法。

参考文献:

[1]芦森.分布开挖和逐级加撑的地铁车站深基坑围护结构形状研究[D].浙江大学硕士论文,2005

[2]刘建航,侯学渊主编.基坑工程手册[M].中国建筑工业出版社.1997

[3]孙钧,侯学渊.地下结构(上、下册)[M].北京-科学出版社,1988.352~431

[4]杨光华.深基坑支护结构的使用计算方法和应用[M].北京:地质出版社,2004