当前基坑围护设计中的问题及对策

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当前基坑围护设计中的问题及对策

法律快车官方整理更新时间： 2019-11-27 23:50:03 人浏览

导读：

摘要：本文针对当前基坑工程因设计问题而造成工程事故或浪费的现状问题，分析了产生问题的原因，指出设计方法存在的缺陷，并针对问题提出了对策。随着高层建筑的增多和城市用地的日益减少，基坑工程设计和施工涉及的地质条件、岩土性质、场地环境、工程要

　　摘要：本文针对当前基坑工程因设计问题而造成工程事故或浪费的现状问题，分析了产生问题的原因，指出设计方法存在的缺陷，并针对问题提出了对策。

　　随着高层建筑的增多和城市用地的日益减少，基坑工程设计和施工涉及的地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、地下水动态、施工顺序和方法等许多问题越趋复杂，使基坑的开挖和围护结构的设计成为一个具有挑战性的岩土工程热门难题。而基坑工程的迅猛涌现与相应设计理论和方法的滞后，给基坑围结构护设计工作带来了极大的因难，也使基坑工程的设计与工程实际状况存在较大偏差，其结果是造成工程事故或浪费。

　　1、当前基坑围护设计现状

　　当前基坑工程的围护结构设计方法可谓种类繁多，众采纷纭，形成了多种设计方法并存的局面。但综观基坑工程实际，传统设计方法因具有理论上容易理解和接受、计算模型简单、计算方便快捷等特点，在工程实际广为工程设计人员所习用。实际运用中又多是采用一种经验估算，这里所谓经验估算就是按照以往的工程经验，结合土质的特性，选定挡土围护结构类型及入土深度，事先确定挡土结构上的土压力分布，然后根据极限平衡理论（如等值梁、静力平衡等方法）进行图解、数值解或查取已有表格来确定支护结构的内力和变形。这种传统设计理论和方法是当前基坑工程设计的主流。

　　随着基坑工程日趋复杂化以及计算机的应用，许多岩土工作者又热衷于数值分析方法的应用，如土抗力法，差分法，边界元法和有限元法等新方法，并且不少科研机构和高校基于不同分析模型开发了一些应用软件，应该说这对设计人员是有帮助的。但是这些方法在理论上尚需完善，关键是在如何选取土的本构关系与计算模型，土的参数如何确定，以及塑性区范围与稳定性之间的定量关系等问题上仍然存在困难，因此尚无直接用平面有限元的计算结果作为设计依据的实例。目前新方法尚未能作为围护结构设计的基本方法，多作为某些重大工程问题处理时的一种辅助的分析手段，以进行对比。

　　尽管基坑工程实践不断增多，在技术上也有了长足的进步。但纵观基坑工程的实际情况不难发现，基坑围护设计存在着两种倾向，一方面由于设计安全度不足而造成基坑失稳事故的比例较大，另一方面由于设计过于保守而又造成很大的浪费。一项对103项基坑工程事故进行细致的调查分析，统计出事故发生的原因，结果表明与设计有关的工程事故比例高达45%1；而一份十几个工程的测试数据又表明，围护结构的实测应力明显小于设计值，围护结构的强度远远没有发挥出来2，设计明显过于保守。说明现行设计理论和方法与基坑工程的实际有较大的偏差，确实应在设计方法及其影响因素等方面找找原因。

　　2、原因分析

　　大量的工程实例表明，上述两种情况在实际中确实屡见不鲜，究其原因可归结为以下两个方面：

　　1）计算以强度和稳定性为主，忽略变形控制

　　上面提到，当前的设计方法是以极限平衡理论为依据。实际上大多沿用传统挡土墙设计计算方法，它只能进行强度和稳定性计算，无法提供基坑围护结构设计所必须的变形值。所以基坑设计计算均以强度和稳定性为主，而并未研究解决在边坡失稳之前的变形过程。但在当前的基坑工程中，由于周边环境保护的要求越来越严格，基坑变形控制已成为重要的设计内容。基坑的允许变形和水平、垂直位移的计算是一个较建筑自身允许沉降和沉降计算更为复杂的课题，又是基坑工程，尤其在软土地区和工程地质、水文地质复杂地区无法回避的问题。基坑工程仍然必须满足稳定性和变形两方面的要求，与基础允许沉降有所不同在于基坑工程的允许变形往往主要取决于周边环境的要求，按变形控制已成为许多基坑工程设计的基本依据。可见，现行的设计方法并不能完全考虑基坑工程实际应考虑的问题，这样设计结果与实际工程的工作状态就必然产生差异。[page]

　　2）设计多以经验估算为主

　　由于基坑工程的复杂性、不确定性以及对围护结构所承受水土压力认识的局限性，迄今为止对基坑围护结构设计还没有一个成熟的理论和计算模式，未形成完整的、具有普遍指导意义的设计理论体系，使得基坑围护结构的设计计算仍过多地取决于经验，随意性较大；另一方面，由于土力学发展水平所限，有些实际问题土力学理论尚无法解决，在研究运用中不得不对土的性质作了许多不符实际简化或假定。例如，对基坑工程经常遇到的软土，其强度随时间变化的流变性质，虽然已有一些研究成果，但理论上尚不成熟，试验方法尚不完善，应用于工程还刚刚开始，实际中还需要经验；对于非饱和土，应用非饱和理论进行土压力计算还未开始，目前用的还是传统的土力学理论，常规试验方法测定的强度指标，计算结果自然与实际出入很大；再如某些饱和粉土的流动性、地下水的渗透破坏等等，有的问题至今对其认识还很不够，有的问题很难计算。

　　在这种情况下，基坑工程设计依靠经验是必然的了，而且有时经验显得十分的重要。应该说经验是长期工程实践中积累的宝贵财富，基坑围护设计和施工，应该充分借鉴现有的成功经验，融入自身的特点和要素才能有所创新。但经验总归是经验，并不能等同于具有普遍指导意义的理论，况且基坑工程具有较强的区域性，不同地区会遇到各种不同的、包含极其复杂的工程地质和水文地质条件、现有的理论和经验根本无法解决的问题。这样基坑围护设计只能借鉴已有的工程经验在实际中摸索，设计结果就难以把握了。

　　3、传统设计理论和方法的缺陷。

　　传统设计方法以库仑—朗肯理论为基础，采用极限平衡法求解，它假定作用在围护结构前后墙上的土压力分别达到被动土压力和主动土压力，在此基础上再把超静定的结构力学问题简化为静定问题求解。国内采用较多的有等值梁法和静力平衡法。这种方法应用于基坑围护结构的设计中，存在以下缺点：

　　1）库仑—朗肯理论本身包含着与基坑工程实际很不一致的假定；

　　和静力平衡法。这种方法应用于基坑围护结构的设计中，存在以下缺点：

　　2）难以反映基坑开挖过程中各种因素对墙上土压力分布的影响；

　　3）无法提供设计所需的墙体水平位移的数值，即不能考虑围护结构和土体的变形；

　　4）假定支撑为不动支点，不考虑施工过程中支撑设置前后支撑力的变化，等等。

　　传统设计方法以开挖的最终状态为基础，它至少在以下几个方面与开挖的实际情况是不相符的：

　　1）侧土压力计算问题

　　基坑围护结构土压力具有不确定性，它是土体与围护结构之间相互作用的结果，土压力大小和分布随围护结构类型、刚度、支点数量而异，在开挖过程中随结构的变形而动态地变化，同时它具有施工效应、时间效应、空间效应等特性，这些是传统挡土墙设计理论无法考虑的问题。土压力只有在主（被）动极限平衡状态下才可作为已知的定值，而主（被）动极限平衡状态是否达到，与围护结构的位移是密切相关的。在基坑外侧的主动区，围护结构向坑内侧位移量级达（0.1～0.3）%H后，就可能出现主动极限平衡状态，而基坑内侧的被动区，围护结构要向坑内位移约达（2～5）%H，才能达到被动极限平衡状态，这样大的位移量又是围护结构的安全所不允许的，因此该部位作用的实际上不是被动土压力，而是某种土抗力，它随着围护桩墙的位移大小而变化，是个不确定量。在围护结构的设计中，将不确定土压力当作定值的外荷载来求解围护结构的内力及验算稳定性，其计算结果的不准确是可想而知的。

　　2）围护结构和土体变形问题

　　围护系统和土体的变形是围护结构各部分与土体及外界因素相互作用的反映，是结构内力变化与调整的宏观结果。其特征和数值是整个系统是否正常工作的最直观的标志，又是突发性事故的前兆，因而是施工控制的主要依据。土层的沉降及位移更直接地影响到周围建筑物、地下管线及道路交通的正常运营。但传统设计方法由于所采用的是刚塑性模型理论，只能进行强度与稳定分析而难以进行变形计算。虽然目前尚有一些经验方法可进行估算，但有地区局限性并缺乏足够的理论依据。[page]

　　3）围护结构内力计算问题

　　传统设计方法对有支撑的围护结构设计中，支撑力也是通过开挖最终状态的系统静力平衡条件确定的。而基坑实际施工过程中，支撑是在土层开挖，围护结构有一定变形后设置的。下一道支撑是在上一道支撑受力变形，基坑继续开挖后设置的，并非同时设置，实际受力条件与设计条件明显相异，其数值理所当然偏离设计值。围护结构的内力也是按开挖的最终状态的土压力和支撑力计算的。如前所述，侧土压力和支撑力在开挖过程中是不断变化的，围护结构内力也随着改变，而不可能是固定不变的。虽然近来有些工程用增量法进行进行考虑施工过程的内力计算，但因为在内力计算中仍然引用静力平衡条件，而无法考虑形变相容和位移协调关系，所以仍然是相当粗糙的。

　　综上所述，传统设计理论和方法未能准确的反映基坑工程的真实状况，或者说传统设计理论和方法存在种种缺陷并不完全适用于技术要求越来越高的基坑工程围护设计，这正是设计预估值与实际工作状态存在较大差异的原因所在。

　　4、问题的对策

　　传统设计理论和方法存在诸多的缺陷使得越来越复杂的基坑工程问题无法妥善解决，新的、更有效的设计理论和方法尚未成熟，在不确定因素太多的基坑围护体系设计中，结构的安全度就难以把握，要使设计符合实际情况是太难了，至少在目前的技术发展水平上是太难了。工程设计者只有两种选择，一是设计得比较保守，以确保安全而造成浪费；二是要冒较大的风险，以节省投资而将带来事故隐患。不论作何种选择，应该说对工程的安全与经济都难两全。如此情形下，工程设计人员的责任是在设计中采取合理的对策，尽可能地使设计贴近基坑工程的真实状况。实际运用中可从下列两方面考虑：

　　4.1 土压力估算

　　土压力是基坑围护结构的主要荷载，若能较准确地估算土压力，对基坑工程意义十分重大。但由于影响土压力的不确定因素太多，要精确地加以确定是很困难的，甚至是不可能的。当前没有精确的理论来保证其正确可靠性的情况下，可从以下两方面入手：

　　1）通过现场测试和室内模型试验，并依此为基础，提出简单实用而尽可能合理的土压力计算模式。

　　2）计算时着重考虑的因素：土的物理力学性质（重度、抗剪强度）；挡土围护结构相对土体的变位方向和大小；地面坡度、地面荷载与邻近基础荷载及可能的动荷载；地下水位及其变化；围护结构的刚度；基坑工程的施工方法与施工顺序等等。

　　4.2 动态设计

　　传统设计方法的主要问题在于一个“静”字，以开挖的最终状态为对象，进行定值的设计。然而基坑开挖工程与其它工程的最大不同之处又在于一个“动”字，在开挖过程中，包含某些土质参数在内的各种参量，诸如侧土压力、结构内力、土体应力及应变等等都在变化，且其变化规律目前还未被充分掌握，这就产生了设计结果与实际情况的差别。对此，比较有效的对策是根据施工过程的信息反馈不断修正设计，以指导施工，这就是动态设计。

　　动态设计必须建立在严密的现场监测基础之上，通过对开挖全过程实施监测，将信息及时反馈，以掌握围护结构和基坑内外土体变形移动，随时调整施工参数，优化设计，或采取相应措施，以确保施工安全，即所谓信息化施工。

　　动态设计基本思路是：在设计方案的优化后，通过动态计算模型，按施工过程对围护结构进行逐次分析，预测围护结构在施工过程中的性状，例如位移、沉降、土压力、孔隙水压力、结构内力等，并在施工过程中采集相应的信息，经处理后与预测结果比较，从而作出决策，修改原设计中不符合实际的部分。将所采集的信息作为已知量，通过反分析推求较符合实际的土质参数，并利用所推求的较符合实际的土质参数再次预测下一施工阶段围护结构及土体的性状，又采集下一施工阶段的相应信息。如此反复循环，不断采集信息，不断修改设计并指导施工，将设计置于动态过程中。通过分析预测指导施工，通过施工信息反馈修改设计，使设计及施工逐渐逼近实际。[page]

　　动态设计就是要使设计尽可能逼近实际情况，充分挖掘围护结构潜力，实现围护结构的经济和安全二者达到最佳状态。

　　结语

　　对于基坑这类具有相当复杂性和不确定性的工程，设计工作往往只能得到在某种条件下的近似的预估值，因此对某特定的基坑工程，全面考察其影响土压力的所有因素，提出尽可能符合实际土压力计算模式是重要的一步。应该着重强调的是，在完善传统设计理论和方法，研究、开发和推广更适用于基坑工程特性的新理论、新方法（如数值分析方法）的同时，进行动态设计和信息化施工是必须的，而施工监测是其最重要的手段，它一方面检经验设计的正确性，另一方面有利于积累资料为改进设计理论和施工技术提供依据。施工监测的数据和成果是判别设计是否安全和经济的依据，也成为工程决策机构必不可少的“眼睛”和“了望塔”，应当纳入工程法规，通过指令强制推行。这样才能有效地确保基坑围护的设计尽可能地逼近工程实际状况，既避免造成浪费，又可减少甚至杜绝工程事故的发生，真正达到工程技术人员一直追求的最优设计。

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