淺談基坑工程的概念設(shè)計(jì)

付亞鑫

（秦皇島鑫冶勘察基礎(chǔ)工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 基本概念

1.1 土壓力計(jì)算的水土分算與合算

有效應(yīng)力原理，是土力學(xué)最重要最基本的原理之一，也是基坑工程設(shè)計(jì)者必須深刻理解牢牢掌握的基本概念。如果不熟悉有效應(yīng)力原理，選擇試驗(yàn)方法時(shí)就會(huì)陷入盲目性。無論應(yīng)力路徑還是排水條件，試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)條件不可能完全一致，只能近似地選用較合理的方法。

采用水土分算還是水土合算方法計(jì)算土壓力是當(dāng)前有爭(zhēng)議的問題。按照有效應(yīng)力原理，土中骨架應(yīng)力與水壓力應(yīng)分別考慮。從原理分析，“土水分算”優(yōu)于“土水合算”，因水土分算方法概念較清楚，符合有效應(yīng)力原理，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在有效指標(biāo)確定困難與無法考慮土體在不排水剪切時(shí)產(chǎn)生的超靜孔壓影響等問題。

1.2 土壓力計(jì)算中的強(qiáng)度指標(biāo)

三軸剪優(yōu)于直剪。但在做實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)不一定如此，因?yàn)閷?shí)際操作時(shí)，三軸試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)土樣質(zhì)量要求高，對(duì)試驗(yàn)人員素質(zhì)要求高，否則試驗(yàn)成果不穩(wěn)定，甚至反而不可靠。

按照土力學(xué)基本理論，采用水土合算原則計(jì)算土壓力時(shí)，相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用土的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)C、φ。采用水土分算原則計(jì)算土壓力時(shí)，相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用土的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)C/、φ/。然而，目前的基坑工程設(shè)計(jì)中通常還是采用直剪固結(jié)快剪指標(biāo)C、φ進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的。這固然與基坑工程設(shè)計(jì)的習(xí)慣有關(guān)，也與目前的巖土工程勘察報(bào)告中一般不提供土的有效強(qiáng)度指標(biāo)C/、φ/數(shù)值，僅少量工程提供三軸固結(jié)不排水剪指標(biāo)Ccu、φcu的現(xiàn)狀有很大關(guān)系。

從符合土力學(xué)基本原理以及不斷提高基坑工程設(shè)計(jì)水平的需要出發(fā)，基坑工程土壓力計(jì)算應(yīng)逐步向采用三軸固結(jié)不排水剪指標(biāo)Ccu、φcu的方向發(fā)展。

此外，常規(guī)三軸試驗(yàn)通常是與豎向加荷情況相對(duì)應(yīng)。在基坑開挖過程中，土體的應(yīng)力路徑與豎向加荷情況不同，坑底土和墻后土分別表現(xiàn)為豎向卸荷與側(cè)向卸荷。由于土體的強(qiáng)度指標(biāo)與應(yīng)力路徑關(guān)系密切，因此合理的強(qiáng)度指標(biāo)確定方法應(yīng)根據(jù)基坑開挖工程的特點(diǎn)，通過三軸卸荷試驗(yàn)進(jìn)行。

1.3 地下水

分析基坑工程失敗原因可知，直接或間接與地下水有關(guān)的占大多數(shù)，這就與設(shè)計(jì)者不熟悉水文地質(zhì)原理，不清楚水文地質(zhì)的基本概念有關(guān)。

強(qiáng)透水性地層具有靜水壓力，眾所周知，沒有爭(zhēng)議；弱透水性地層有沒有靜水壓力，看法就不同了。有時(shí)，弱透水層的開挖面上出水很少，并不說明靜水壓力低，而是由于不符合靜水壓力的條件。

有多層地下水且有越流滲透條件時(shí)，流線和水頭的分布也不同于靜水條件。因此，設(shè)計(jì)者必須牢牢掌握滲流運(yùn)動(dòng)的原理，當(dāng)有穩(wěn)定滲流時(shí)（包括越流滲透、坑內(nèi)或坑外降水）進(jìn)行流網(wǎng)分析，有利于掌握基本概念，合理地進(jìn)行地下水控制設(shè)計(jì)。

2 基坑工程計(jì)算分析

基坑工程設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行計(jì)算是不可缺少的，但也不能盲目相信計(jì)算。應(yīng)從定性的概念分析人手，抓住關(guān)鍵問題，在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量分析。

2.1 擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力計(jì)算是個(gè)比較復(fù)雜的問題，從土力學(xué)這門學(xué)科的土壓力理論上講，根據(jù)不同的計(jì)算理論和假定，得出了多種土壓力計(jì)算方法，其中有代表性的經(jīng)典理論如朗肯土壓力、庫(kù)侖土壓力。但不論是庫(kù)倫還是朗肯建立土壓力理論時(shí)，都是用于重力式擋土墻，先筑墻，再在墻背后填土（一般為無粘性土）；而現(xiàn)在的基坑工程，則是在土中筑墻或樁，再開挖卸荷，墻背后原狀土。無論支擋結(jié)構(gòu)的型式、土的性質(zhì)、施工次序、土中應(yīng)力路徑都有很大不同。

2.2 庫(kù)倫-朗肯理論假定，破裂面是平面，破壞土楔是剛體，這與實(shí)際情況出入較大，尤其是被動(dòng)土壓力。庫(kù)倫-朗肯假定的墻為無限長(zhǎng)，是平面問題，而基坑工程是空間問題，在基坑轉(zhuǎn)角附近誤差較大。

2.3 無論主動(dòng)土壓力還是被動(dòng)土壓力，都需要一定的位移量才能達(dá)到，而過大的位移量對(duì)工程又是不容許的。實(shí)際動(dòng)用的土壓力力一般為靜止與主動(dòng)之間或靜止與被動(dòng)之間的土壓力。

2.4 作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力及其分布規(guī)律取決于支護(hù)體的剛度及側(cè)向位移條件。

剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分布可由經(jīng)典的庫(kù)侖和朗肯土壓力理論計(jì)算得到，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，只要支護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部的位移不小于其底部的位移，土壓力沿垂直方向分布可按三角形計(jì)算。但是，如果支護(hù)結(jié)構(gòu)底部位移大于頂部位移，土壓力將沿高度呈曲線分布，此時(shí)，土壓力的合力較上述典型條件要大10%～15%，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予注意。

相對(duì)柔性的支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及土壓力分布情況比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況分析，選擇適當(dāng)?shù)耐翂毫χ担袟l件時(shí)土壓力值應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、反演分析等方法總結(jié)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際情況。

由上可知，庫(kù)侖-朗肯土壓力理論與基坑工程的實(shí)際出入相當(dāng)大，是很容易理解的，如設(shè)計(jì)者對(duì)這些概念是清楚的，就不會(huì)過分相信計(jì)算結(jié)果了。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和信息化施工

深基坑施工中的監(jiān)測(cè)工作是指導(dǎo)施工、避免事故發(fā)生的必要措施，也是進(jìn)行信息化施工的手段。近年來，有的基坑工程為了節(jié)約而不安排監(jiān)測(cè)，或減少監(jiān)測(cè)費(fèi)用；有的工程對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)不認(rèn)真分析，或者分析水平不高。因而造成各種大大小小的事故和不應(yīng)有的損失。

隨著施工的進(jìn)展，根據(jù)定期監(jiān)測(cè)得到的信息，與原來的計(jì)算結(jié)果比較，并反演計(jì)算參數(shù)，根據(jù)反演參數(shù)重新分析計(jì)算，必要時(shí)適當(dāng)修改設(shè)計(jì)或施工步驟，再繼續(xù)施工和監(jiān)測(cè)，如此一次一次地反復(fù)，一次一次地趨于正確，這就是反分析法或信息化施工，已被廣大巖土工程師接受。

注重現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和信息化施工，是概念設(shè)計(jì)思想的自然延伸，這方面已獲共識(shí)。概念設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)具有探索精神和創(chuàng)造精神，不能滿足于現(xiàn)成的公式；要充分掌握情況，深刻理解原理，不要犯概念上的錯(cuò)誤；不能機(jī)械地照搬經(jīng)驗(yàn)，要在相關(guān)理論的指導(dǎo)下，借鑒已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和判斷；事先的定量計(jì)算只是一種估計(jì)，只有原型工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最可信。

結(jié)語(yǔ)

巖土工程最突出的特點(diǎn)是不確定性?；庸こ淘O(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)，集中體現(xiàn)了辨證發(fā)展的理念。

[1]GB50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2]唐業(yè)青，李啟民，崔江余.基坑工程事故分析與處理[Z].