巖土工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)思路及問(wèn)題

1、巖土工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)思路及問(wèn)題摘要：文章主要結(jié)合筆者多年的工作實(shí)踐，介紹了基坑支護(hù)的重要性，并對(duì)深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)要求及思路進(jìn)行分析，并提出了深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中注意的主要問(wèn)題，旨在為類似的工程提供參考與借鑒。關(guān)鍵詞：巖土工程 ， 深基坑 ， 支護(hù)設(shè)計(jì)， 問(wèn)題目前，高層建筑的迅速興起，促進(jìn)了深基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。各地在深基坑開(kāi)挖和支護(hù)技術(shù)方面積累了豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，一大批新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝不斷涌現(xiàn)。但目前深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)原則、運(yùn)算公式等，已不能滿足深基坑開(kāi)挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際需要；導(dǎo)致一些基坑工程出現(xiàn)坍塌等事故，造成人員生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此，對(duì)深基坑支護(hù)的安全問(wèn)題，工程技術(shù)

2、人員應(yīng)予以高度重視。 1.基坑支護(hù)的重要性 目前，在巖土工程中基坑施工時(shí)，為確保施工安全，防止塌方事故發(fā)生，必須對(duì)開(kāi)挖的基坑采取支護(hù)措施。建筑基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工應(yīng)綜合考慮工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、基坑類型、基坑開(kāi)挖掘深度、降排水條件、周邊環(huán)境對(duì)基坑側(cè)壁位移的要求，基坑周邊荷載、施工季節(jié)、支護(hù)結(jié)構(gòu)使用期限等因素，做到合理設(shè)計(jì)、精心施工、經(jīng)濟(jì)安全。 2.深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)要求 基坑支護(hù)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)要滿足穩(wěn)定和變形的要求，即通常規(guī)范所說(shuō)的兩種極限狀態(tài)的要求，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。所謂承載能力極限狀態(tài)，對(duì)基坑支護(hù)來(lái)說(shuō)就是支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、傾倒、滑動(dòng)或周邊環(huán)境的破壞，出現(xiàn)較大范圍的失穩(wěn)。

3、一般的設(shè)計(jì)要求是不允許支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)這種極限狀態(tài)的?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)相對(duì)于承載力極限狀態(tài)要有足夠的安全系數(shù)，不致使支護(hù)產(chǎn)生失穩(wěn)，而在保證不出現(xiàn)失穩(wěn)的條件下，還要控制位移量，不致影響周邊建筑物的安全使用。對(duì)于設(shè)計(jì)的計(jì)算理論，不但要能計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題，還應(yīng)計(jì)算其變形，并根據(jù)周邊環(huán)境條件，控制變形在一定的范圍內(nèi)。 一般的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移控制以水平位移為主，主要是水平位移較直觀，易于監(jiān)測(cè)。水平位移控制與周邊環(huán)境的要求有關(guān)，這就是通常規(guī)范中所謂的基坑安全等級(jí)的劃分。 （1）對(duì)于基坑周邊有較重要的構(gòu)筑物需要保護(hù)的，則應(yīng)控制小變形，此即為通常的一級(jí)基坑的位移要求； （2）對(duì)于周邊空曠，無(wú)構(gòu)筑物需保護(hù)的，則位移量

4、可大一些。理論上只要保證穩(wěn)定即可，此即為通常所說(shuō)的三級(jí)基坑的位移要求；介于一級(jí)和三級(jí)之間的，則為二級(jí)基坑的位移要求。 （3）對(duì)于一級(jí)基坑的最大水平位移，一般宜不大于30mm；對(duì)于較深的基坑，應(yīng)小于 0.3%H，H 為基坑開(kāi)挖深度。 （4）對(duì)于一般的基坑，其最大水平位移也宜不大于50mm。一般最大水平位移在30mm內(nèi)地面不致有明顯的裂縫，當(dāng)最大水平位移在 40-50mm 內(nèi)會(huì)有可見(jiàn)的地面裂縫。因此，一般的基坑最大水平位移應(yīng)控制不大于50mm 為宜，否則會(huì)產(chǎn)生較明顯的地面裂縫和沉降、感觀上會(huì)產(chǎn)生不安全的感覺(jué)。一般較剛性的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如擋土樁、連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系、其位移較小，可控制在 30mm 之內(nèi)，

5、對(duì)于土釘支護(hù)，地質(zhì)條件較好，且采用超前支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿等加強(qiáng)措施后可控制較小位移外一般會(huì)大于30mm。 2.基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)思路 對(duì)于一個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅要考慮擬建工程的自然地形、地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)及技術(shù)條件，還要考慮國(guó)家和地方以及行業(yè)現(xiàn)行的法律和法規(guī)。因此設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)在于可行性方案的篩選與優(yōu)化，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的選擇和優(yōu)化可按以下步驟進(jìn)行： （1）先對(duì)要施工的基坑支護(hù)工程進(jìn)行考察，如果深度較大，應(yīng)首先考慮懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要利用基坑地面以下土體提供的土壓力來(lái)維持支護(hù)體系平衡，主要結(jié)構(gòu)形式為樁排支護(hù)結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻兩類，若邊坡土質(zhì)較好，地下水位較低，一般采用樁排支護(hù)結(jié)構(gòu)。一般情況下，

6、如果基坑較淺或被動(dòng)區(qū)土層性質(zhì)較好時(shí)，懸臂式支護(hù)方案較為經(jīng)濟(jì)合理；而當(dāng)基坑較深或被動(dòng)區(qū)土層性質(zhì)較差時(shí)，該方案就相對(duì)不經(jīng)濟(jì)。 （2）如果懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理，我們還可以考慮其他形式的可行方案，比如鋼板樁支護(hù)、土釘支護(hù)、網(wǎng)狀樹(shù)根樁加固、逆作法等。工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，具體問(wèn)題具體分析，通過(guò)綜合評(píng)定、比較分析的方法來(lái)確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的種類以及不同基坑支護(hù)方案所需的支護(hù)材料。 （3）在設(shè)計(jì)支護(hù)方案的時(shí)候，還要充分考慮地下水的影響，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到設(shè)計(jì)方案的成敗。但同時(shí)需要注意的是施工現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)是否適合井點(diǎn)降水，有時(shí)候還要考慮采用井點(diǎn)降水會(huì)不會(huì)影響周圍環(huán)境，通常的情況下，為了減少井點(diǎn)降水對(duì)環(huán)境造成

7、的負(fù)面影響(比如引起的地面附加沉降等)，我們還可采用井點(diǎn)回灌技術(shù)，盡量將這種負(fù)面影響減少到最低程度?？傊?，不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)于不同的水文地質(zhì)條件。因此，應(yīng)因地制宜選擇經(jīng)濟(jì)適用的方案。 3.深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題 3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力的計(jì)算問(wèn)題 （1）土壓力的分布和計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)普遍采用古典的朗肯土壓力理論，且假定支護(hù)結(jié)構(gòu)是豎直的，土壓力的作用方向水平，墻背光滑，不計(jì)土體對(duì)支護(hù)體的摩阻力。朗肯土壓力理論用到支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算上時(shí)，由于該理論的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)力土壓力是建立在極限平衡狀態(tài)概念的基礎(chǔ)上。據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，達(dá)到被動(dòng)土壓力的位移一般為達(dá)到主動(dòng)土壓力位移的 10-50倍。在實(shí)際工

8、程中，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)常常不允許產(chǎn)生達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)所需要的位移，實(shí)際的被動(dòng)土壓力一般均低于被動(dòng)極限值。因此，在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，用朗肯土壓力理論計(jì)算所得到的被動(dòng)土壓力是偏大的，使用時(shí)需要折減。折減系數(shù)的取值與被動(dòng)區(qū)上體的土質(zhì)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的型式密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)被動(dòng)區(qū)土體的土質(zhì)和支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，以及對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移限制的程度，采用不同的折減系數(shù)。譬如對(duì)水泥土重力式擋墻，當(dāng)被動(dòng)區(qū)的土層為淤泥質(zhì)粘土?xí)r，折減系數(shù)宜取0.5-0.6；當(dāng)被動(dòng)區(qū)土層為砂性土或被動(dòng)區(qū)土體已經(jīng)過(guò)水泥攪拌樁改良時(shí)，折減系數(shù)可取0.75-0.85；對(duì)于被動(dòng)土壓力的計(jì)算，如考慮土體的彈性抗力作用，會(huì)更接近于實(shí)際。由于土的彈塑性性質(zhì)，其

9、抗力問(wèn)題比較復(fù)雜，目前仍普遍按彈性地基的假定進(jìn)行計(jì)算，通常采用文克勒假定的彈性地基上豎直梁的計(jì)算方法。 3.2懸臂式板樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算問(wèn)題 懸臂式板樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，目前多用 H.Blum理論來(lái)求解。此理論假定坑底出現(xiàn)的被動(dòng)土壓力近似地發(fā)生在彎點(diǎn)下面，并在這部分阻力的中心處(C點(diǎn))用一個(gè)反力Rc來(lái)代替，支護(hù)樁插入深度t0用X來(lái)表示。它必須滿足圍繞C點(diǎn)使Hc=0的條件。由于土的阻力是向板樁方向逐漸增加，使用Hc=0的等式時(shí)會(huì)得到一個(gè)較小的插入深度，H.Blum 建議計(jì)算所得的X增加，20% 即插入深度t0=u+1.2X。為簡(jiǎn)化計(jì)算，H.Blum 提供了理論計(jì)算曲線圖，避免了多次方程求解，為

10、計(jì)算提供了方便。 3.3 土水壓力的計(jì)算問(wèn)題 傳統(tǒng)深基坑側(cè)上壓力的計(jì)算理論主要以朗肯理論和庫(kù)侖理論為基礎(chǔ)，這兩種理論無(wú)論在基本假設(shè)上，還是在計(jì)算原理上都存在一些缺陷。主要表現(xiàn)為：一是實(shí)際深基坑工程圍護(hù)墻通常不滿足古典土壓力理論的假設(shè)條件。二是古典土壓力理論沒(méi)有考慮圍護(hù)墻的變形過(guò)程，而僅以墻體位移達(dá)到使墻后土體出現(xiàn)極限狀態(tài)的平衡條件為計(jì)算依據(jù)。實(shí)際上圍護(hù)墻變形通常達(dá)不到使土體出現(xiàn)極限平衡狀態(tài)的位移值，且其變形是隨開(kāi)挖的深入而變化的，上壓力也隨著變化。此外，傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力的計(jì)算方法沒(méi)有顧及深基坑坑內(nèi)外通常存在較大水位差的實(shí)際情況，忽視了滲流效應(yīng)對(duì)土壓力的影響等問(wèn)題。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意影響土水壓力的若干因素。具體包括：土體的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑、孔隙水壓力、邊界條件等。 4.結(jié)束語(yǔ) 綜上所述，基坑的開(kāi)挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)建筑材料、施工工藝和施工管理等多方面。它是集土力學(xué)、水力學(xué)、材料才學(xué)和結(jié)構(gòu)