巖土工程中的深基坑支護設計問題和解決措施

藍會賓

0 引言

隨著城市化進程逐步加快，建筑行業(yè)的發(fā)展日新月異，建筑物數(shù)量不斷攀升，建筑物密度增大，基坑深度加深，導致巖土工程深基坑支護作業(yè)存在一定的困難。深基坑支護設計是開展支護作業(yè)的基礎性工作，直接影響到工程建設的整體質量。深基坑支護設計的質量受到多方面因素的影響，為了提高工程建設質量，保證施工安全，要提高深基坑支護設計的嚴密性與準確性，加強深基坑支護設計技術的應用，制定完善的深基坑支護方案，為實際施工奠定扎實的基礎。

1 深基坑支護的流程

深基坑即土方開挖深度大于等于5m的基坑，包括雖然開挖深度沒有達到5m，但是地質條件、土層環(huán)境、地下管線等較為復雜的基坑。深基坑支護工程是為了保證基坑四周的安全，對基坑實施支護、加固、架設等保護措施的工程。深基坑支護流程繁雜，具體包括前期準備→勘探現(xiàn)場、平整場地、清理障礙物→坑壁支護→降水排水→土方開挖→監(jiān)測清底。深基坑支護設計是保證支護工程順利有序開展的基礎，在設計時要做到面面俱到，預測可能會對深基坑施工造成影響的因素并融入設計工作中，提高深基坑支護設計質量。巖土工程地質環(huán)境復雜，傳統(tǒng)的深基坑支護設計技術難以滿足實際的設計需要，導致后期施工存在安全隱患。在深基坑支護設計過程中應當加強先進技術的應用，采取切實可行的措施解決設計中存在的問題，保證深基坑支護結構體系設計的可靠性與合理性，在深基坑工程項目正式進行中，保證支護體系的穩(wěn)定與安全。

2 深基坑的主要特征

2.1 涉及面廣泛

深基坑工程往往涉及多個課題，例如巖土力學中的變形、強度、滲流，巖土工程深基坑支護是一項復雜的系統(tǒng)性工程。深基坑支護與基坑周圍土層變形、圍護結構強度等都具有非常緊密的聯(lián)系。同時深基坑還與基坑、邊坡及地上建筑安全產生影響，牽一發(fā)而動全身，如果深基坑出現(xiàn)危險，將會對周圍建筑物及施工產生影響。

2.2 時空效應影響

時空效應是指深基坑在開挖后，上部的土方被挖掉，基坑暴露，打破地層原有的荷載平衡，基底土方產生引力釋放，引發(fā)地基土方變形，坑底隆起。時空效應對深基坑支護的影響不容小覷，隨著時間的流逝，時空效應導致支護體系承受的荷載發(fā)生改變，土體的強度不斷減弱，土坡的穩(wěn)定性下降，對基坑的安全性、穩(wěn)定性，以及工程項目施工造成影響。

2.3 工程量大、環(huán)境復雜、風險大、危險性高

由于深基坑的開挖深度通常超過5m，開挖難度系數(shù)更高，工程量更多，工序更加復雜，加上施工現(xiàn)場自然環(huán)境與社會環(huán)境的影響，要想在有限工期內完成，必須做好支護設計，為有序開展施工奠定基礎。深基坑支護屬于臨時結構體系，安全儲備不高，且需要應對突如其來的各種變化，導致支護工程存在較大的風險，施工存在一定的不確定性。為了降低風險發(fā)生的可能性，需要提高設計標準，加強設計技術的應用。

3 深基坑支護設計的相關內容

巖土工程深基坑支護設計方案包含多個內容，涉及到圍護結構形式、支撐、錨固系統(tǒng)、地下水處理、基坑支護施工設計，其中最主要的是支護體系的結構強度與變形驗算，在支護設計中要綜合土壓力、降排水條件、地面承載能力、水壓力、巖土參數(shù)等進行科學考慮，同時考慮支護結構的極限狀態(tài)，提高支護結構強度，如果承載力超過支護結構能夠承受的極限狀態(tài)，有可能導致支護結構失穩(wěn)或變形，影響后續(xù)施工。通過深基坑支護的科學設計，確定具體支護方案，如排樁支護、鋼板樁支護等，在合理的支護方案下，保證深基坑項目的安全進行。因此，必須做到因時、因地制宜，科學合理進行深基坑支護設計，切實提高深基坑支護設計質量。

4 巖土工程中的深基坑支護設計問題分析

某城市廣場基坑周長約330m，原設計地下室3層，基坑開挖深度為15m。該基坑東側為城市交通干道,地下為地鐵干線，地鐵隧道結構邊緣與本基坑東側支護結構距離為5.7m；基坑西側、北側鄰近護城河；基坑南側東部距離住宅小區(qū)20m。為保障周圍住宅安全，施工單位需要結合該施工區(qū)域地質情況，探究基坑支護設計問題，以下內容將對相關問題進行詳細分析。

4.1 力學參數(shù)設計不合理

在上述工程巖土工程深基坑支護設計中，力學參數(shù)缺乏合理性是非常普遍的問題。深基坑地層間非均質性嚴重，屬于不均勻型地質，地層的應力處于不斷變化的狀態(tài)，地質復雜且多變，每層巖土的力學參數(shù)差異較大[1]。同時，由于土體取樣不合理、人員操作不恰當?shù)纫蛩氐挠绊?，影響巖土的物理力學參數(shù)設計，巖土的粘聚力、內摩擦角、含水量三個參數(shù)都處于變化狀態(tài)，要想準確計算支護結構的實際受力，難度非常大。設計人員在進行巖土壓力分析時力學分析不到位，計算巖土壓力不準確，對后續(xù)選擇深基坑支護結構以及施工技術造成影響，導致施工中不確定因素增加。

4.2 基坑土體取樣缺乏參考價值

在該工程深基坑支護設計之前，要對基坑的土體進行勘察、取樣，明確土體的力學指標與物理參數(shù)，對后續(xù)基坑支護設計與實際施工具有重要的參考價值。在實際的土體取樣過程中，需要選取具有代表性的巖土樣本用于檢測[2]。巖土工程取樣具有一定的特殊性，需要更多的巖土樣本進行反復檢測，一些單位為了加快取樣進度，僅憑工作經驗，減少鉆孔次數(shù)，土體取樣數(shù)量少，巖土樣本的參考價值降低，巖土檢測結果缺乏代表性，導致巖土取樣整體質量不高。

4.3 邊坡堆載問題

深基坑支護設計需要考慮邊坡堆載問題，在深基坑支護施工過程中，土方堆放與機械?？咳菀捉o邊坡增加超量荷載，基坑上口邊緣堆載過大，一旦荷載超過基坑的極限承受能力，就會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的情況，土體強度下降，進而引發(fā)工程事故。因此，在深基坑支護設計過程中要采取恰當?shù)念A防措施，提高深基坑的承載能力，減輕基坑上口邊緣堆載的重量。

4.4 地下水處理問題

地下水是深基坑支護工程中的一個重難點，容易導致基坑沉降、流砂、管涌、土體隆起，支護結構發(fā)生位移、變形等問題。如果地下水位過高，作用在支護結構上的壓力過大，就更容易出現(xiàn)結構變形的情況。如果地下水流量過大、流速過快，還容易引發(fā)基坑坍塌。在深基坑支護設計時要特別注意這一問題，采用科學的技術措施，提高土體的耐壓強度[3]。

4.5 開挖與支護統(tǒng)一性不足

在巖土工程中，需協(xié)調好開挖與支護施工，保證施工進度合理進行，確保施工的安全可靠進行。但在實際施工過程中，開挖與支護不統(tǒng)一的問題比較常見。地質情況相對比較復雜，在參數(shù)計算時會發(fā)生不精準的情況，讓開挖與支護出現(xiàn)失調的情況；同時一部分施工單位為降低成本，縮短工期，不按照標準與要求取樣，導致結果與實際情況相差較大，影響開挖與支護的統(tǒng)一性；一部分施工人員缺乏對空間效應產生影響的分析，造成差異較大，影響開挖與支護的統(tǒng)一性。

5 巖土工程中的深基坑支護設計問題的改進對策

為解決上述工程深基坑支護設計存在的問題，需要采取以下幾種針對性的解決策略。

5.1 關于力學參數(shù)設計不合理問題的改進

在該工程深基坑支護設計中，周邊建筑較多，支護結構受力復雜，巖土參數(shù)如何取值尤為重要。為解決力學參數(shù)設計不合理的問題，可根據(jù)地質情況、土工試驗、參數(shù)建議值等綜合確定。在深基坑支護設計時，采用新型支護結構計算方法，綜合考慮地質、水文、氣象等多方面因素[4]。深基坑支護設計中最重要的力學參數(shù)就是巖土的抗剪強度指標，抗剪強度參數(shù)包括內摩擦角?與粘聚力c。測定抗剪強度指標主要采用總應力法，又稱作“?u取零法”，適用于不透水或者弱透水的黏土層?？倯κ峭恋爻惺艿膯挝幻娣e總力，針對飽和黏性土的抗剪強度變化趨勢如圖1所示。

圖1 飽和黏性土抗剪強度變化趨勢

采用總應力法，?u的取值為0不變，Cu代表土體的不排水抗剪強度，σ3是土體的水平方向應力，σ1是土體的垂直方向應力，σZ為總應力，Pa為主動土壓力強度，計算主動土壓力強度可以應用公式（1）：

在計算時可以使用三維計算程序，保證計算的精準性與可靠性，通過模型能簡化計算，反映空間效應。通過計算，可以得出較為準確的巖土力學參數(shù)，但是由于土層的復雜性，在應用時應根據(jù)實際情況作出修正，不斷更新巖土力學參數(shù)計算方法，提高設計質量。

5.2 關于基坑土體取樣問題的改進

土層取樣分析在深基坑支護結構設計中十分重要，在取土樣的合理分析下，可以對土體的物力學指標進行確定，為深基坑支護結構設計提供參考與支持。針對基坑土體取樣，為了提高取樣工作的實效，通常采用環(huán)刀取樣法。當深基坑面積超過300m2時，每隔50～100m2應當布置的檢驗點數(shù)量為1個。當深基坑面積不超過300m2時，每隔30～50m2應當布置1個檢驗點。環(huán)刀取樣法需要先挖掘出巖土剖面，在取樣過程中分層取樣，每層重復三次。操作中環(huán)刀刃口垂直向下、平穩(wěn)不晃，取出土樣后將環(huán)刀周圍的土清理干凈并立即封蓋，避免土壤水分蒸發(fā)。同時，立即對取樣土進行稱重，精確到0.01g并詳細記錄。為了不讓環(huán)刀內的土樣受到外力作用影響，應當將環(huán)刀內取足土樣。土壤取樣后放入密封盒，避陰放置，根據(jù)檢驗土體的含水率與干密度測定土體壓實系數(shù)。

5.3 關于邊坡堆載問題的改進

為控制邊坡堆載問題，工程深基坑距離坑槽上部邊緣1m范圍內不能堆放棄土及物料，應當在距離坑頂超過1m的位置堆放，堆土的高度不能超過1.5m。重型機械、設備應當放在基坑1.5m外的位置。如果出現(xiàn)邊坡超載，應當進行邊坡穩(wěn)定性驗算。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算公式為式（2）：

如果計算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等于1，可以確定坡體處于極限平衡狀態(tài)，如果系數(shù)高于1，可以判定邊坡較為穩(wěn)定，如果系數(shù)低于1，證明邊坡可能遭到破壞，邊坡的穩(wěn)定性低。為了提高邊坡的穩(wěn)定性，可以對土體進行削坡處理，減緩邊坡角度、降低邊坡高度，增強邊坡的穩(wěn)定性。

5.4 關于地下水處理問題的改進

地下水降水設計是基坑全面積設防，在設計前要對基坑范圍內承壓水層的頂板埋深的變化進行查閱與了解，抗突涌驗算和確定降水深度需按照埋深標高及相應部位的開挖深度予以確定，在含水層標高及基礎埋深基礎上，合理布置降水井。在深基坑支護設計時要注意地下水問題，制定科學的地下水控制方案，地下水處理有明溝加集水井降水、輕型井點降水、深井井點降水等多種方法，方案的選擇應根據(jù)工程實際進行。在地下水處理問題中，要特別注意降水設計有關參數(shù)的取值。首先，水位降深，設計降水深度在基坑范圍內通常不低于基坑底面以下0.5m，如果工程涉及多層地下水時，應當根據(jù)各含水層的地下水位確定降水深度。降水深度的計算公式為式（3）：

其次，要注意滲透系數(shù)的計算，滲透系數(shù)的取值直接影響降水工程可行性，滲透系數(shù)的大小主要受到土壤質地、不均勻系數(shù)和水體粘滯性的影響。可以通過抽水試驗，在基坑100m范圍內抽取地下水，通過公式（4）計算滲透系數(shù)：

其中，K為滲透系數(shù)；u為孔隙介質的滲透率，η為動力粘滯性系數(shù)；ρ為流體密度；g為重力加速度。通常情況下，滲透系數(shù)愈大，巖石透水性愈強。對于一些無法進行抽水試驗操作的地區(qū)，無法準確獲取水體參數(shù)，可參考滲透系數(shù)的經驗值進行取值。強透水的粗砂礫石層滲透系數(shù)通常大于10m/晝夜，弱透水的亞沙土滲透系數(shù)為1～0.01m/晝夜，不透水的黏土滲透系數(shù)通常小于0.001m/晝夜，利用滲透系數(shù)數(shù)值，還可以計算水井出水量、水庫滲漏量，為解決地下水處理問題提供更科學的數(shù)據(jù)支撐。

5.5 保持開挖與支護的統(tǒng)一性

除了做好地質調查與參數(shù)計算、取樣工作之外，還要重視下面幾項內容：第一，加強設計前的準備工作。在巖土工程深基坑支護設計工作前，要求項目單位必須做好準備工作。設計人員要做好資料收集，了解項目現(xiàn)場的地形、建筑總平面圖等相關信息，在完成收集工作后需做好分析，對基坑底的開挖標高進行確定，對基坑各側的開挖深度予以了解。要對地質勘查報告進行仔細閱讀，了解項目所在地的地質分布情況，如果在分析過程中發(fā)現(xiàn)軟弱土層，一定要及時了解相關參數(shù)，確定巖土力學性質。做好擋土墻設計，選擇合理的擋土墻類型，并且要合理設置排水溝，以便能夠在開挖的同時，防止基邊出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，確保基坑內積水可以及時通過排水溝排除，實現(xiàn)開挖與支護的統(tǒng)一，確保深基坑支護結構體系的安全，避免支護體系發(fā)生變形、沉降等各類問題。

要加強巖土資料的收集，巖土工程勘查工作順利完成的前提是巖土資料的詳細收集。巖土資料的收集一定要全面，且要考慮各個因素，為后期的科學決策提供支持。通過對勘察重點情況的仔細分析，能對項目進行全面評估，科學進行深基坑的開挖與支護設計，避免在深基坑開挖與支護中出現(xiàn)偏差與問題。在做好上面幾項工作后，必須積極進行基坑支護設計的試驗，對巖土工程結構整體問題的安全性與可靠性進行分析，比如土層試驗、混凝土強度試驗等。

6 結論

在巖土工程深基坑支護設計中，要按照安全穩(wěn)定、經濟高效、方便施工的原則進行科學合理的設計，對工程現(xiàn)場進行實地勘察，選取合理的巖土參數(shù)，規(guī)范施工過程，解決設計過程中存在的問題，提高設計水平，保證深基坑支護的安全，為后續(xù)施工奠定扎實的基礎。