游晋华
（山西汾西工程建设有限责任公司建安公司山西介休032000）
【摘要】深基坑支挡围护性工程影晌因素是多方面的，并且相互交叉影响，特别是在软土地基中，由于岩土工程的特殊复杂性，加上勘察部门对浅层(开挖层)地质工作较粗糙.给基坑围护设计与施工带来了较大的误差和盲目性，以致产生设计不当及施工出现事故。本人结合自己的工作实践，对影响甚坑边帮稳定的工程地质条件，土压力计算，地表荷载及地下水开挖工艺等问题予以阐述分析。
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关键词 深基坑；支挡；围护；荷载；开挖；边帮稳定
1. 前言
（1）随着国内城市房地产业的兴起发展，高层超高层高层超高层建筑在城市建筑中所占比例越来越大，特别是沿海一带城市更是如此，地处用地紧张的都市中，除向空间发展外，充分开发和利用地下空间也是房地产业主所重视的。因此随着地下室的设置出现了深基坑开挖支挡工程的设计施工，基坑深度从过去的一层向多层发展，从而基坑开挖边帮稳定问题向岩土工程界提出了新的课题。
（2）软土地基深基坑开挖支挡是一个较为复杂的岩土系统工程问题，涉及到岩土力学、结构力学、工程施工等方面内容，影响最大的因素是土层物理力学性质，地下水、周围地面荷载约束及开挖顺序与时序。
2. 土层物理力学性质
（1）沿海地区地质情况普遍较差，一般地表为人工填土、下部均为海相沉积(或江、湖相沉积)的软弱土层，主要为淤泥、淤泥质土、粉质粘土、砂类粘土等，液性指数在0.6～1.0以上，孔隙比大，土层呈软塑或流塑状态，饱水状态下自稳能力差。而基坑开挖全过程则又处于这些地层中。因此基坑围护结构除受场地外界约束外，与土层的物理力学性质有密切的联系，特别是土层的C、Ф值，土的压缩模量及土的渗透系数Ko
由泰罗（Taylor）稳定系数法计算边坡临界高度为:
Hc=NyC/γ
式中Hc——计算临界高度
Ny一系数由Ф值查表得
C一内聚力
γ——土容重
（2）由上述公式可以看出，天然边坡在不采取加固围护条件下，最大开挖深度与C、Ф值成正比，在浅基坑(6m以内)开挖支挡要充分利用土层自身稳定，采取相应的加固措施是降低工程造价的方法之一。在深基坑和超深基坑中，无论是悬臂板桩或是锚拉板桩，均与C、Ф值的大小有关，并且在抗隆起及管涌计算中与土容重及渗透系数有密切的关系。因此，充分研究和查清土层分布特征和合理选取力学指标，是围护工程结构设计的前提，并且指标选取还应考虑到开挖的时效性和地下水处理等条件。
3. 地下水影响
软土地基一般潜水面比较高，基木上距地面0.5～1.5m深，地下水位以下土层的开挖在很大程度上其边帮稳定性受地下水的控制，这己由许多工程事故所证实，分析诸多原因主要有：
3.1水压力问题。
在基坑采用外部封堵内降水时，坑壁支挡物上内外水位高差达数米甚至更高，特别在砂土中，渗透系数较大的条件下，作用于支挡物的水压力呈线性分布，由朗金理论计算可知，一般在10～12m深基坑中，当水位差为9m时，悬臂板桩的安全系数下降10～12﹪(与降水相比)，所以水压力作用不可忽视，在粘性土中，水压一般与计算水压的1/3～1/2，但对力学指标C、Ф值影响较大。
3.2流砂塌陷问题。
在砂土或粘土夹砂中开挖时，如果地下水源补给丰富，如河边、海边或湖边、水头边界稳定，在一定的动水压力作用下，粒径较细的砂土随水移动，产生流砂或管涌，引起支挡物后壁冲空和地面沉降，有时支挡物随之下沉倾斜垮塌，引起社会问题和停工，因此在支挡结构设计时，除对支挡结构稳定进行验算外，还应对地下水动水压力产生管涌、流砂条件进行分析计算。
3.3降排水地面沉降问题。
在地下室结构施工中，需要一个干涸的基坑，则必须实行强制排水。随着基坑大面积降水而引起在基坑四周一定范围内水位下降，由此产生土层固结地面下沉，危害已建构筑物的
安全和稳定，该类事故在许多基坑开挖中发生，引起了不必要的纠纷和经济问题。特别是市政工程邻近基坑边，往往由此产生开裂和破坏。通过若干失事工程分析，我们认为，地下水位下降是产生地面沉降的主要因素，但临近基坑的建筑物沉降与水平位移亦有一定的关系。
4. 周围地面荷载问题
城市建筑场地狭窄，特别是市中心繁华地段，昂贵的土地费用使建筑结构临近红线，与
周围建筑很近，空余场地均为建筑施工机具和材料堆放场，因此在基坑支档设计中不得不考
虑因地下空间开挖放坡对相邻构筑物的影响和对材料堆放的限制，许多工程曾发生过因基坑
边坡倒塌引起相邻建筑物开裂倾斜、市政工程下水道开裂漏水以致产生淹坑的重大事故。从失事情况分析，由地面荷载引起问题的原因主要有如下几个方面：
4.1设计失误。
在许多基坑开挖支挡中，绝大部分由施工单位自行承当结构设计，由于设计人员对现场情况不甚了解，加上计算时参数选择不当，特别是对周围地面荷载心中无数，从而设计支护参数不能满足工程要求，出现支档物过大的偏斜以至倒断桩。
4.2地面附加荷载过大盲目施工。
很多施工单位因场地困难又为了施工方便，在基坑边帮上堆置过多的建筑材料和设备，而支护结构设计时往往从经济角度出发只对一定量的附加荷载参与计算，有的施工单位将振
动荷载较大的塔吊基础和硅搅拌设备直接置于坑边，附加荷载大大超过设计值，大量的施工用水渗人地下，进一步恶化了边帮的自稳条件，有的工程曾出现过搅拌机同护坡桩一起垮塌进基坑事故。因此在基坑支护设计时要充分与后续施工队伍协商，对地面附加荷载(材料场)估计，并在施工过程中严格限制地面荷载的最大值。
4.3相邻建筑物安全距离判断。
（1）周边建筑物是非常重要的地面荷载，对它的考虑不但仅仅是保证基坑开挖的安全，更重
要的是保证建筑物本身的稳定安全，因此对建筑物的结构，特别地基基础形式要有充分的了
解和掌握，以便对结构变形及围护桩的稳定作出准确判断，对其安全距离作出一定的估计。
（2）建筑物对基坑边帮围护工程的影响与其相对距离有关，主要原因是土层力学指标的分层性与室内试验指标的差异所致，并且与地下水状态有密切关系。
（3）由工程实践证明，相邻建筑物浅基础对围护工程的影响较大，特别是刚性基础(独立柱。
5. 地下结构形状与开挖空间的关系
（1）基坑开挖紧紧围绕着地下结构而施作，且受结构形状与四周条件约束。由此在基坑支挡
结构设计中，要充分利用地下结构的形态特点和深基础(桩基)改善土体结构增加被动土压力的优势。
（2）由基坑边帮位移量测可知，地下室结构对基坑的边帮支挡有一定的约束、如密集深基础特别是在中压缩性土以上的土层中，围护桩的水平位移远小于天然基础中的位移，底部隆起
现象不会发生。当基坑边长大于3倍坑深时，空间效应明显，中部的边帮位移量大于两端部，所以在设计时应充分考虑这一点，以最大土压力计算为依据，对由角隅引起的作用力应予以利用，从而相应减少两端的支护刚度。某些建筑以弧形展布，给施工带来一定的困难，但从支护结构上考虑，则改变了受力状态，在充分约束两拐角后，总体稳定性提高，所以在设计时也应考虑这一点。
6. 基坑开挖顺序及临时支挡结构的施工
（1）基坑开挖特别是深基坑开挖在围护工程结构设计合理的前提下，如何科学安排土方开挖
顺序与时序是保证基坑安全稳定的一个重要方面，其中某些临时支挡工程及时施工则又是提高安全度的一个经济可靠的手段。
（2）很多工程在支护结构稳定处于临界状态时，恰恰因为盲目开挖施工及后续工程的拖延而造成断桩塌方事故;而有些工程在验算其稳定系数明显不够的条件下，由于开挖方法得当，补强措施紧跟上，最终安全开挖到位，后续施工按期进行，因此精心进行施工组织设计，合理安全施工工序，有条不紊地安排施工交叉时间，以期求得动态平衡。
（3）基坑开挖时间短，支挡结构在瞬时就出现应力平衡失调的情况，特别是粘性土中，孔隙水压力无法及时消散，以及动水压力作用等，均会加速支挡结构物的侧向位移和速率加大。因此，在开挖过程中应针对基坑深度合理的进行分层开挖，分层高度特别是在临近支挡结构地方，更应控制开挖高度和分层滞后时间，以便支挡结构逐步加荷和充分调动其刚度。至于分层高度和分层滞后时间应通过位移量测数据而定。
（4）合理安排开挖顺序，由工程实践证明，有条件时，基坑开挖宜先中间后边侧，先拐角后长边，并且采用分段开挖和控制开挖步距。
（5）在基坑见底达到设计标高时，应及时施工垫层，封闭土层，紧靠边桩处宜加厚垫层和提高标号，及时改变支挡结构受力状态。
（6）在开挖过程中强调位移监控法施工，随时随地监测支挡结构的位移变化，以便及时调整土方开挖顺序和时间，从大量位移监测数据看，基坑开挖到底3天以内，为位移变化的加速区，应重点进行位移量测，以位移速率变化及位移量来决定基坑开挖支护补强措施。
7. 基坑支挡结构土压力计算问题
（1）在基坑支挡结构设计中，人们最关心的是作用于支挡结构上土压力大小问题，而且也是确定支挡结构类型和结构参数的主要依据，因此正确合理的选取支护形式与计算力学模型与计算参数准确性有关。不宜采用。
（2）当前工程结构设计，大部分采用郎金理论或库仓理论计算土压力，近来也有采用有限原素值计算方法来确定支护结构和参数。
郎金理论计算公式为：
Pa= (riHi+qi)Kai一2CKa+rnhn
H——地面至计算点高度
r——土容重
q——地面附加荷载
Ka——主动土压力系数Ka=tg2（45°-Ф/2）
Ф——土层内摩擦角
C——土层内聚力
rn——水容重
hn——地下水位至计算点高度
从上式可以看出，朗金土压力理论中将支
挡结构与土体看成是非摩擦性光滑接触，其之间的摩擦角δ=o，但实际上δ是有一定的数值的，这与工程结构的施工方法和土体本身的摩擦角有一定的联系，从工程实际看采用人工挖孔桩和水泥土挡墙形式，其与土层的摩擦角较大，采用泥浆护壁的钻孔灌注桩次之，而采用钢板桩或预制桩则摩擦角较小。因计算中未能考虑δ的作用，计算结果压力偏大，有关人士建议采用折减法处理，但需针对具体情况酌情考虑。
（3）在采用郎金理论计算被动土压力时，同样原因，其值偏小，因此在进行稳定性计算时其值不予折减(一般计算公式中取其1/2)。
（4）土压力计算时，力学指标主要是C、Ф值的选取最关键，目前勘察部门提出的建议值一般为统计折减值，但对于不同土质在不同的含水量状态下其取值是不同的。砂土或粘土夹砂层在降水条件下可采用峰值强度或指标提高1.2～1.4，而对于粘性土特别是淤泥质土宜采用峰值(但在饱水或不降水时，宜采用折减值或酌情提高)。
（5）为工程计算方便，一般采用综合摩擦角方法，令C=0，但在浅基坑或C值较大时，一般不宜采用。
（6）为了提高计算精确度和考虑土层的分层性，在工程中采用分层计算法，尽管计算比较麻烦但对土压力的计算较为符合实际，而且给指标确定更贴近实际，特别是在土质上好下差或上差下好的条件下，尽量避免带来的土压力分布失真现象。
8. 结论
根据笔者亲自参与的近十个工程的施工实践，深基坑支档结构设计施工，应充分注意以下几点：
（1）充分了解场地工程地质、水文地质条件、对场地内分布的各个土层的物理力学性质必须清楚的了解和掌握，场地四周的边界条件特别是地下水的补给条件应查清，以便分析计算依据可靠。
（2）对场地四周建筑物的分部及其基础设计资料要进行访问和了解，并就其与基坑开挖的影响予以详细的计算分析，以便采取相应的支护结构，维护建筑物的稳定和基坑安全。
（3）重视地下水的影响，对基坑管涌，流砂等现象要有充分的估计，特别是城市给排水渗漏水问题要格外重视，防止管路断裂漏水造成城市停水等社会问题。
（4）强调基坑开挖的科学管理、任何基坑开挖都必须坚持分层分段开挖，并应及时施作相应的临时支挡工程，确保土方正常开挖和基坑安全。
（5）支护结构设计土压力计算要合理选取计算模型和力学参数，并就基坑不同工程部位其重要程度不同而选取不同的支护结构形式和支护等级，做到设计合理，经济安全。
（6）基坑开挖是一个较为复杂的岩土系统工程，涉及面广，多因素综合影响。现应进行多种方法计算验证，多方案比较优化，并且采用现场监控法指导整个基坑的施工和维护，随时修改设计参数，力求更加合理和符合工程实际。
［文章编号］1006-7619（2014）12-08-782
