當(dāng)前基坑圍護(hù)設(shè)計中的主要問題及對策
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
摘要：本文針對當(dāng)前基坑工程因設(shè)計問題而造成工程事故或浪費(fèi)的現(xiàn)狀問題，分析了產(chǎn)生問題的原因，指出設(shè)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(shè)計和施工涉及的地質(zhì)條件、巖土性質(zhì)、場地環(huán)境、工程要求、地下水動態(tài)、施工順序和方法 等許多問題越趨復(fù)雜，使基坑的開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為一個具有挑戰(zhàn)性的巖土工程熱門難題。而基坑工程的迅猛涌現(xiàn)與相應(yīng)設(shè)計理論和方法的滯后，給基坑圍結(jié) 構(gòu)護(hù)設(shè)計工作帶來了極的因難，也使基坑工程的設(shè)計與工程實際狀況存在較偏差，其結(jié)果是造成工程事故或浪費(fèi)。
1、當(dāng)前基坑圍護(hù)設(shè)計現(xiàn)狀
當(dāng)前基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可謂種類繁多，眾采紛紜，形成了多種設(shè)計方法并存的局面。但綜觀基坑工程實際，傳統(tǒng)設(shè)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(shè)計人員所習(xí)用。實際運(yùn)用中又多是采用一種經(jīng)驗估算，這里所謂經(jīng)驗估算就是按照以往 的工程經(jīng)驗，結(jié)合土質(zhì)的特性，選定擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型及入土深度，事先確定擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力分布，然后根據(jù)極限平衡理論（如等值梁、靜力平衡等方法）進(jìn)行 圖解、數(shù)值解或查取已有表格來確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。這種傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法是當(dāng)前基坑工程設(shè)計的主流。
隨著基坑工程日趨復(fù)雜化以及計算機(jī)的應(yīng)用，許多巖土工作者又熱衷于數(shù)值分析方法的應(yīng)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(jī)構(gòu)和高校基于不同分析模型開發(fā)了一些應(yīng)用軟件，應(yīng)該說這對設(shè)計人員是有幫助的。但是這些方法在理論上尚需完善，關(guān)鍵是在如何選取土的本構(gòu)關(guān) 系與計算模型，土的參數(shù)如何確定，以及塑性區(qū)范圍與穩(wěn)定性之間的定量關(guān)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(jié)果作為設(shè)計依據(jù)的實例。目前新方法尚未能作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行對比。
盡管基坑工程實踐不斷增多，在技術(shù)上也有了長足的進(jìn)步。但縱觀基坑工程的實際情況不難發(fā)現(xiàn)，基坑圍護(hù)設(shè)計存在著兩種傾向，一方面由于設(shè)計安 全度不足而造成基坑失穩(wěn)事故的比例較，另一方面由于設(shè)計過于保守而又造成很的浪費(fèi)。一項對103項基坑工程事故進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查分析，統(tǒng)計出事故發(fā)生的 原因，結(jié)果表明與設(shè)計有關(guān)的工程事故比例高達(dá)45%1；而一份十幾個工程的測試數(shù)據(jù)又表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實測應(yīng)力明顯小于設(shè)計值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來2，設(shè)計明顯過于保守。說明現(xiàn)行設(shè)計理論和方法與基坑工程的實際有較的偏差，確實應(yīng)在設(shè)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(jié)為以下兩個方面：
1）計算以強(qiáng)度和穩(wěn)定性為主，忽略變形控制
上面提到，當(dāng)前的設(shè)計方法是以極限平衡理論為依據(jù)。實際上多沿用傳統(tǒng)擋土墻設(shè)計計算方法，它只能進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算，無法提供基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計所必須的變形值。所以基坑設(shè)計計算均以強(qiáng)度和穩(wěn)定性為主，而并未研究解決在邊坡失穩(wěn)之前的變形過程。但在當(dāng)前的基坑工程中，由于周邊環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán) 格，基坑變形控制已成為重要的設(shè)計內(nèi)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(fù)雜的課題，又是基坑工程，尤其在軟土地區(qū)和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)無法回避的問題。基坑工程仍然必須滿足穩(wěn)定性和變形兩方面的要求，與基礎(chǔ)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(huán)境的要求，按變形控制已成為許多基坑工程設(shè)計的基本依據(jù)。可見，現(xiàn)行的設(shè)計方法并不能完全考慮基坑工程實際應(yīng)考慮的問題，這樣設(shè)計結(jié)果與實際工程的工作狀態(tài)就必然產(chǎn)生差異。
2）設(shè)計多以經(jīng)驗估算為主
由于基坑工程的復(fù)雜性、不確定性以及對圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受水土壓力認(rèn)識的局限性，迄今為止對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)意義的設(shè)計理論體系，使得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算仍過多地取決于經(jīng)驗，隨意性較；另一方面，由于土力學(xué)發(fā)展水平所限，有些實 際問題土力學(xué)理論尚無法解決，在研究運(yùn)用中不得不對土的性質(zhì)作了許多不符實際簡化或假定。例如，對基坑工程經(jīng)常遇到的軟土，其強(qiáng)度隨時間變化的流變性質(zhì)， 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(yīng)用于工程還剛剛開始，實際中還需要經(jīng)驗；對于非飽和土，應(yīng)用非飽和理論進(jìn)行土壓力計算還未 開始，目前用的還是傳統(tǒng)的土力學(xué)理論，常規(guī)試驗方法測定的強(qiáng)度指標(biāo)，計算結(jié)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(rèn)識還很不夠，有的問題很難計算。
在這種情況下，基坑工程設(shè)計依靠經(jīng)驗是必然的了，而且有時經(jīng)驗顯得十分的重要。應(yīng)該說經(jīng)驗是長期工程實踐中積累的寶貴財富，基坑圍護(hù)設(shè)計和 施工，應(yīng)該充分借鑒現(xiàn)有的成功經(jīng)驗，融入自身的特點和要素才能有所創(chuàng)新。但經(jīng)驗總歸是經(jīng)驗，并不能等同于具有普遍指導(dǎo)意義的理論，況且基坑工程具有較強(qiáng)的 區(qū)域性，不同地區(qū)會遇到各種不同的、包含極其復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、現(xiàn)有的理論和經(jīng)驗根本無法解決的問題。這樣基坑圍護(hù)設(shè)計只能借鑒已有的工程經(jīng)驗在實際中摸索，設(shè)計結(jié)果就難以把握了。
3、傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法的缺陷。
傳統(tǒng)設(shè)計方法以庫侖—朗肯理論為基礎(chǔ)，采用極限平衡法求解，它假定作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)前后墻上的土壓力分別達(dá)到被動土壓力和主動土壓力，在此基礎(chǔ)上再把超靜定的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題簡化為靜定問題求解。國內(nèi)采用較多的有等值梁法和靜力平衡法。這種方法應(yīng)用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計所需的墻體水平位移的數(shù)值，即不能考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)置前后支撐力的變化，等等。
傳統(tǒng)設(shè)計方法以開挖的最終狀態(tài)為基礎(chǔ)，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(shè)計和施工涉及的地質(zhì)條件、巖土性質(zhì)、場地環(huán)境、工程要求、地下水動態(tài)、施工順序和方法 等許多問題越趨復(fù)雜，使基坑的開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為一個具有挑戰(zhàn)性的巖土工程熱門難題。而基坑工程的迅猛涌現(xiàn)與相應(yīng)設(shè)計理論和方法的滯后，給基坑圍結(jié) 構(gòu)護(hù)設(shè)計工作帶來了極的因難，也使基坑工程的設(shè)計與工程實際狀況存在較偏差，其結(jié)果是造成工程事故或浪費(fèi)。
1、當(dāng)前基坑圍護(hù)設(shè)計現(xiàn)狀
當(dāng)前基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可謂種類繁多，眾采紛紜，形成了多種設(shè)計方法并存的局面。但綜觀基坑工程實際，傳統(tǒng)設(shè)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(shè)計人員所習(xí)用。實際運(yùn)用中又多是采用一種經(jīng)驗估算，這里所謂經(jīng)驗估算就是按照以往 的工程經(jīng)驗，結(jié)合土質(zhì)的特性，選定擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型及入土深度，事先確定擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力分布，然后根據(jù)極限平衡理論（如等值梁、靜力平衡等方法）進(jìn)行 圖解、數(shù)值解或查取已有表格來確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。這種傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法是當(dāng)前基坑工程設(shè)計的主流。
隨著基坑工程日趨復(fù)雜化以及計算機(jī)的應(yīng)用，許多巖土工作者又熱衷于數(shù)值分析方法的應(yīng)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(jī)構(gòu)和高校基于不同分析模型開發(fā)了一些應(yīng)用軟件，應(yīng)該說這對設(shè)計人員是有幫助的。但是這些方法在理論上尚需完善，關(guān)鍵是在如何選取土的本構(gòu)關(guān) 系與計算模型，土的參數(shù)如何確定，以及塑性區(qū)范圍與穩(wěn)定性之間的定量關(guān)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(jié)果作為設(shè)計依據(jù)的實例。目前新方法尚未能作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行對比。
盡管基坑工程實踐不斷增多，在技術(shù)上也有了長足的進(jìn)步。但縱觀基坑工程的實際情況不難發(fā)現(xiàn)，基坑圍護(hù)設(shè)計存在著兩種傾向，一方面由于設(shè)計安 全度不足而造成基坑失穩(wěn)事故的比例較，另一方面由于設(shè)計過于保守而又造成很的浪費(fèi)。一項對103項基坑工程事故進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查分析，統(tǒng)計出事故發(fā)生的 原因，結(jié)果表明與設(shè)計有關(guān)的工程事故比例高達(dá)45%1；而一份十幾個工程的測試數(shù)據(jù)又表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實測應(yīng)力明顯小于設(shè)計值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來2，設(shè)計明顯過于保守。說明現(xiàn)行設(shè)計理論和方法與基坑工程的實際有較的偏差，確實應(yīng)在設(shè)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(jié)為以下兩個方面：
1）計算以強(qiáng)度和穩(wěn)定性為主，忽略變形控制
上面提到，當(dāng)前的設(shè)計方法是以極限平衡理論為依據(jù)。實際上多沿用傳統(tǒng)擋土墻設(shè)計計算方法，它只能進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算，無法提供基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計所必須的變形值。所以基坑設(shè)計計算均以強(qiáng)度和穩(wěn)定性為主，而并未研究解決在邊坡失穩(wěn)之前的變形過程。但在當(dāng)前的基坑工程中，由于周邊環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán) 格，基坑變形控制已成為重要的設(shè)計內(nèi)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(fù)雜的課題，又是基坑工程，尤其在軟土地區(qū)和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)無法回避的問題。基坑工程仍然必須滿足穩(wěn)定性和變形兩方面的要求，與基礎(chǔ)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(huán)境的要求，按變形控制已成為許多基坑工程設(shè)計的基本依據(jù)。可見，現(xiàn)行的設(shè)計方法并不能完全考慮基坑工程實際應(yīng)考慮的問題，這樣設(shè)計結(jié)果與實際工程的工作狀態(tài)就必然產(chǎn)生差異。
2）設(shè)計多以經(jīng)驗估算為主
由于基坑工程的復(fù)雜性、不確定性以及對圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受水土壓力認(rèn)識的局限性，迄今為止對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)意義的設(shè)計理論體系，使得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算仍過多地取決于經(jīng)驗，隨意性較；另一方面，由于土力學(xué)發(fā)展水平所限，有些實 際問題土力學(xué)理論尚無法解決，在研究運(yùn)用中不得不對土的性質(zhì)作了許多不符實際簡化或假定。例如，對基坑工程經(jīng)常遇到的軟土，其強(qiáng)度隨時間變化的流變性質(zhì)， 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(yīng)用于工程還剛剛開始，實際中還需要經(jīng)驗；對于非飽和土，應(yīng)用非飽和理論進(jìn)行土壓力計算還未 開始，目前用的還是傳統(tǒng)的土力學(xué)理論，常規(guī)試驗方法測定的強(qiáng)度指標(biāo)，計算結(jié)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(rèn)識還很不夠，有的問題很難計算。
在這種情況下，基坑工程設(shè)計依靠經(jīng)驗是必然的了，而且有時經(jīng)驗顯得十分的重要。應(yīng)該說經(jīng)驗是長期工程實踐中積累的寶貴財富，基坑圍護(hù)設(shè)計和 施工，應(yīng)該充分借鑒現(xiàn)有的成功經(jīng)驗，融入自身的特點和要素才能有所創(chuàng)新。但經(jīng)驗總歸是經(jīng)驗，并不能等同于具有普遍指導(dǎo)意義的理論，況且基坑工程具有較強(qiáng)的 區(qū)域性，不同地區(qū)會遇到各種不同的、包含極其復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、現(xiàn)有的理論和經(jīng)驗根本無法解決的問題。這樣基坑圍護(hù)設(shè)計只能借鑒已有的工程經(jīng)驗在實際中摸索，設(shè)計結(jié)果就難以把握了。
3、傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法的缺陷。
傳統(tǒng)設(shè)計方法以庫侖—朗肯理論為基礎(chǔ)，采用極限平衡法求解，它假定作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)前后墻上的土壓力分別達(dá)到被動土壓力和主動土壓力，在此基礎(chǔ)上再把超靜定的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題簡化為靜定問題求解。國內(nèi)采用較多的有等值梁法和靜力平衡法。這種方法應(yīng)用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計所需的墻體水平位移的數(shù)值，即不能考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)置前后支撐力的變化，等等。
傳統(tǒng)設(shè)計方法以開挖的最終狀態(tài)為基礎(chǔ)，它至少在以下幾個方面與開挖的實際情況是不相符的：
