當前基坑圍護設計中的主要問題及對策
發布時間：2010-01-14 共2頁
摘要：本文針對當前基坑工程因設計問題而造成工程事故或浪費的現狀問題，分析了產生問題的原因，指出設計方法存在的缺陷，并針對問題提出了對策。
隨著高層建筑的增多和城市用地的日益減少，基坑工程設計和施工涉及的地質條件、巖土性質、場地環境、工程要求、地下水動態、施工順序和方法 等許多問題越趨復雜，使基坑的開挖和圍護結構的設計成為一個具有挑戰性的巖土工程熱門難題。而基坑工程的迅猛涌現與相應設計理論和方法的滯后，給基坑圍結 構護設計工作帶來了極的因難，也使基坑工程的設計與工程實際狀況存在較偏差，其結果是造成工程事故或浪費。
1、當前基坑圍護設計現狀
當前基坑工程的圍護結構設計方法可謂種類繁多，眾采紛紜，形成了多種設計方法并存的局面。但綜觀基坑工程實際，傳統設計方法因具有理論上容 易理解和接受、計算模型簡單、計算方便快捷等特點，在工程實際廣為工程設計人員所習用。實際運用中又多是采用一種經驗估算，這里所謂經驗估算就是按照以往 的工程經驗，結合土質的特性，選定擋土圍護結構類型及入土深度，事先確定擋土結構上的土壓力分布，然后根據極限平衡理論（如等值梁、靜力平衡等方法）進行 圖解、數值解或查取已有表格來確定支護結構的內力和變形。這種傳統設計理論和方法是當前基坑工程設計的主流。
隨著基坑工程日趨復雜化以及計算機的應用，許多巖土工作者又熱衷于數值分析方法的應用，如土抗力法，差分法，邊界元法和有限元法等新方法， 并且不少科研機構和高校基于不同分析模型開發了一些應用軟件，應該說這對設計人員是有幫助的。但是這些方法在理論上尚需完善，關鍵是在如何選取土的本構關 系與計算模型，土的參數如何確定，以及塑性區范圍與穩定性之間的定量關系等問題上仍然存在困難，因此尚無直接用平面有限元的計算結果作為設計依據的實例。目前新方法尚未能作為圍護結構設計的基本方法，多作為某些重工程問題處理時的一種輔助的分析手段，以進行對比。
盡管基坑工程實踐不斷增多，在技術上也有了長足的進步。但縱觀基坑工程的實際情況不難發現，基坑圍護設計存在著兩種傾向，一方面由于設計安 全度不足而造成基坑失穩事故的比例較，另一方面由于設計過于保守而又造成很的浪費。一項對103項基坑工程事故進行細致的調查分析，統計出事故發生的 原因，結果表明與設計有關的工程事故比例高達45%1；而一份十幾個工程的測試數據又表明，圍護結構的實測應力明顯小于設計值，圍護結構的強度遠遠沒有發揮出來2，設計明顯過于保守。說明現行設計理論和方法與基坑工程的實際有較的偏差，確實應在設計方法及其影響因素等方面找找原因。
2、 原因分析
量的工程實例表明，上述兩種情況在實際中確實屢見不鮮，究其原因可歸結為以下兩個方面：
1）計算以強度和穩定性為主，忽略變形控制
上面提到，當前的設計方法是以極限平衡理論為依據。實際上多沿用傳統擋土墻設計計算方法，它只能進行強度和穩定性計算，無法提供基坑圍護結構設計所必須的變形值。所以基坑設計計算均以強度和穩定性為主，而并未研究解決在邊坡失穩之前的變形過程。但在當前的基坑工程中，由于周邊環境保護的要求越來越嚴 格，基坑變形控制已成為重要的設計內容。基坑的允許變形和水平、垂直位移的計算是一個較建筑自身允許沉降和沉降計算更為復雜的課題，又是基坑工程，尤其在軟土地區和工程地質、水文地質復雜地區無法回避的問題。基坑工程仍然必須滿足穩定性和變形兩方面的要求，與基礎允許沉降有所不同在于基坑工程的允許變形往 往主要取決于周邊環境的要求，按變形控制已成為許多基坑工程設計的基本依據。可見，現行的設計方法并不能完全考慮基坑工程實際應考慮的問題，這樣設計結果與實際工程的工作狀態就必然產生差異。
2）設計多以經驗估算為主
由于基坑工程的復雜性、不確定性以及對圍護結構所承受水土壓力認識的局限性，迄今為止對基坑圍護結構設計還沒有一個成熟的理論和計算模式， 未形成完整的、具有普遍指導意義的設計理論體系，使得基坑圍護結構的設計計算仍過多地取決于經驗，隨意性較；另一方面，由于土力學發展水平所限，有些實 際問題土力學理論尚無法解決，在研究運用中不得不對土的性質作了許多不符實際簡化或假定。例如，對基坑工程經常遇到的軟土，其強度隨時間變化的流變性質， 雖然已有一些研究成果，但理論上尚不成熟，試驗方法尚不完善，應用于工程還剛剛開始，實際中還需要經驗；對于非飽和土，應用非飽和理論進行土壓力計算還未 開始，目前用的還是傳統的土力學理論，常規試驗方法測定的強度指標，計算結果自然與實際出入很；再如某些飽和粉土的流動性、地下水的滲透破壞等等，有的 問題至今對其認識還很不夠，有的問題很難計算。
在這種情況下，基坑工程設計依靠經驗是必然的了，而且有時經驗顯得十分的重要。應該說經驗是長期工程實踐中積累的寶貴財富，基坑圍護設計和 施工，應該充分借鑒現有的成功經驗，融入自身的特點和要素才能有所創新。但經驗總歸是經驗，并不能等同于具有普遍指導意義的理論，況且基坑工程具有較強的 區域性，不同地區會遇到各種不同的、包含極其復雜的工程地質和水文地質條件、現有的理論和經驗根本無法解決的問題。這樣基坑圍護設計只能借鑒已有的工程經驗在實際中摸索，設計結果就難以把握了。
3、傳統設計理論和方法的缺陷。
傳統設計方法以庫侖—朗肯理論為基礎，采用極限平衡法求解，它假定作用在圍護結構前后墻上的土壓力分別達到被動土壓力和主動土壓力，在此基礎上再把超靜定的結構力學問題簡化為靜定問題求解。國內采用較多的有等值梁法和靜力平衡法。這種方法應用于基坑圍護結構的設計中，存在以下缺點：
1）庫侖—朗肯理論本身包含著與基坑工程實際很不一致的假定；
2）難以反映基坑開挖過程中各種因素對墻上土壓力分布的影響；
3）無法提供設計所需的墻體水平位移的數值，即不能考慮圍護結構和土體的變形；
4）假定支撐為不動支點，不考慮施工過程中支撐設置前后支撐力的變化，等等。
傳統設計方法以開挖的最終狀態為基礎，它至少在以下幾個方面與開挖的實際情況是不相符的：
隨著高層建筑的增多和城市用地的日益減少，基坑工程設計和施工涉及的地質條件、巖土性質、場地環境、工程要求、地下水動態、施工順序和方法 等許多問題越趨復雜，使基坑的開挖和圍護結構的設計成為一個具有挑戰性的巖土工程熱門難題。而基坑工程的迅猛涌現與相應設計理論和方法的滯后，給基坑圍結 構護設計工作帶來了極的因難，也使基坑工程的設計與工程實際狀況存在較偏差，其結果是造成工程事故或浪費。
1、當前基坑圍護設計現狀
當前基坑工程的圍護結構設計方法可謂種類繁多，眾采紛紜，形成了多種設計方法并存的局面。但綜觀基坑工程實際，傳統設計方法因具有理論上容 易理解和接受、計算模型簡單、計算方便快捷等特點，在工程實際廣為工程設計人員所習用。實際運用中又多是采用一種經驗估算，這里所謂經驗估算就是按照以往 的工程經驗，結合土質的特性，選定擋土圍護結構類型及入土深度，事先確定擋土結構上的土壓力分布，然后根據極限平衡理論（如等值梁、靜力平衡等方法）進行 圖解、數值解或查取已有表格來確定支護結構的內力和變形。這種傳統設計理論和方法是當前基坑工程設計的主流。
隨著基坑工程日趨復雜化以及計算機的應用，許多巖土工作者又熱衷于數值分析方法的應用，如土抗力法，差分法，邊界元法和有限元法等新方法， 并且不少科研機構和高校基于不同分析模型開發了一些應用軟件，應該說這對設計人員是有幫助的。但是這些方法在理論上尚需完善，關鍵是在如何選取土的本構關 系與計算模型，土的參數如何確定，以及塑性區范圍與穩定性之間的定量關系等問題上仍然存在困難，因此尚無直接用平面有限元的計算結果作為設計依據的實例。目前新方法尚未能作為圍護結構設計的基本方法，多作為某些重工程問題處理時的一種輔助的分析手段，以進行對比。
盡管基坑工程實踐不斷增多，在技術上也有了長足的進步。但縱觀基坑工程的實際情況不難發現，基坑圍護設計存在著兩種傾向，一方面由于設計安 全度不足而造成基坑失穩事故的比例較，另一方面由于設計過于保守而又造成很的浪費。一項對103項基坑工程事故進行細致的調查分析，統計出事故發生的 原因，結果表明與設計有關的工程事故比例高達45%1；而一份十幾個工程的測試數據又表明，圍護結構的實測應力明顯小于設計值，圍護結構的強度遠遠沒有發揮出來2，設計明顯過于保守。說明現行設計理論和方法與基坑工程的實際有較的偏差，確實應在設計方法及其影響因素等方面找找原因。
2、 原因分析
量的工程實例表明，上述兩種情況在實際中確實屢見不鮮，究其原因可歸結為以下兩個方面：
1）計算以強度和穩定性為主，忽略變形控制
上面提到，當前的設計方法是以極限平衡理論為依據。實際上多沿用傳統擋土墻設計計算方法，它只能進行強度和穩定性計算，無法提供基坑圍護結構設計所必須的變形值。所以基坑設計計算均以強度和穩定性為主，而并未研究解決在邊坡失穩之前的變形過程。但在當前的基坑工程中，由于周邊環境保護的要求越來越嚴 格，基坑變形控制已成為重要的設計內容。基坑的允許變形和水平、垂直位移的計算是一個較建筑自身允許沉降和沉降計算更為復雜的課題，又是基坑工程，尤其在軟土地區和工程地質、水文地質復雜地區無法回避的問題。基坑工程仍然必須滿足穩定性和變形兩方面的要求，與基礎允許沉降有所不同在于基坑工程的允許變形往 往主要取決于周邊環境的要求，按變形控制已成為許多基坑工程設計的基本依據。可見，現行的設計方法并不能完全考慮基坑工程實際應考慮的問題，這樣設計結果與實際工程的工作狀態就必然產生差異。
2）設計多以經驗估算為主
由于基坑工程的復雜性、不確定性以及對圍護結構所承受水土壓力認識的局限性，迄今為止對基坑圍護結構設計還沒有一個成熟的理論和計算模式， 未形成完整的、具有普遍指導意義的設計理論體系，使得基坑圍護結構的設計計算仍過多地取決于經驗，隨意性較；另一方面，由于土力學發展水平所限，有些實 際問題土力學理論尚無法解決，在研究運用中不得不對土的性質作了許多不符實際簡化或假定。例如，對基坑工程經常遇到的軟土，其強度隨時間變化的流變性質， 雖然已有一些研究成果，但理論上尚不成熟，試驗方法尚不完善，應用于工程還剛剛開始，實際中還需要經驗；對于非飽和土，應用非飽和理論進行土壓力計算還未 開始，目前用的還是傳統的土力學理論，常規試驗方法測定的強度指標，計算結果自然與實際出入很；再如某些飽和粉土的流動性、地下水的滲透破壞等等，有的 問題至今對其認識還很不夠，有的問題很難計算。
在這種情況下，基坑工程設計依靠經驗是必然的了，而且有時經驗顯得十分的重要。應該說經驗是長期工程實踐中積累的寶貴財富，基坑圍護設計和 施工，應該充分借鑒現有的成功經驗，融入自身的特點和要素才能有所創新。但經驗總歸是經驗，并不能等同于具有普遍指導意義的理論，況且基坑工程具有較強的 區域性，不同地區會遇到各種不同的、包含極其復雜的工程地質和水文地質條件、現有的理論和經驗根本無法解決的問題。這樣基坑圍護設計只能借鑒已有的工程經驗在實際中摸索，設計結果就難以把握了。
3、傳統設計理論和方法的缺陷。
傳統設計方法以庫侖—朗肯理論為基礎，采用極限平衡法求解，它假定作用在圍護結構前后墻上的土壓力分別達到被動土壓力和主動土壓力，在此基礎上再把超靜定的結構力學問題簡化為靜定問題求解。國內采用較多的有等值梁法和靜力平衡法。這種方法應用于基坑圍護結構的設計中，存在以下缺點：
1）庫侖—朗肯理論本身包含著與基坑工程實際很不一致的假定；
2）難以反映基坑開挖過程中各種因素對墻上土壓力分布的影響；
3）無法提供設計所需的墻體水平位移的數值，即不能考慮圍護結構和土體的變形；
4）假定支撐為不動支點，不考慮施工過程中支撐設置前后支撐力的變化，等等。
傳統設計方法以開挖的最終狀態為基礎，它至少在以下幾個方面與開挖的實際情況是不相符的：
