深基坑支擋圍護(hù)工程若干問題及解決對策.doc

深基坑支擋圍護(hù)工程若干問題及解決對策 游晉華 （山西汾西工程建設(shè)有限責(zé)任公司建安公司山西介休032000） 【摘要】深基坑支擋圍護(hù)性工程影晌因素是多方面的，并且相互交叉影響，特別是在軟土地基中，由于巖土工程的特殊復(fù)雜性，加上勘察部門對淺層(開挖層)地質(zhì)工作較粗糙.給基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)與施工帶來了較大的誤差和盲目性，以致產(chǎn)生設(shè)計(jì)不當(dāng)及施工出現(xiàn)事故。本人結(jié)合自己的工作實(shí)踐，對影響甚坑邊幫穩(wěn)定的工程地質(zhì)條件，土壓力計(jì)算，地表荷載及地下水開挖工藝等問題予以闡述分析。 關(guān)鍵詞深基坑；支擋；圍護(hù)；荷載；開挖；邊幫穩(wěn)定 1.前言 （1）隨著國內(nèi)城市房地產(chǎn)業(yè)的興起發(fā)展，高層超高層高層超高層建筑在城市建筑中所占比例越來越大，特別是沿海一帶城市更是如此，地處用地緊張的都市中，除向空間發(fā)展外，充分開發(fā)和利用地下空間也是房地產(chǎn)業(yè)主所重視的。因此隨著地下室的設(shè)置出現(xiàn)了深基坑開挖支擋工程的設(shè)計(jì)施工，基坑深度從過去的一層向多層發(fā)展，從而基坑開挖邊幫穩(wěn)定問題向巖土工程界提出了新的課題。 （2）軟土地基深基坑開挖支擋是一個(gè)較為復(fù)雜的巖土系統(tǒng)工程問題，涉及到巖土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程施工等方面內(nèi)容，影響最大的因素是土層物理力學(xué)性質(zhì)，地下水、周圍地面荷載約束及開挖順序與時(shí)序。 2.土層物理力學(xué)性質(zhì) （1）沿海地區(qū)地質(zhì)情況普遍較差，一般地表為人工填土、下部均為海相沉積(或江、湖相沉積)的軟弱土層，主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、砂類粘土等，液性指數(shù)在0.61.0以上，孔隙比大，土層呈軟塑或流塑狀態(tài)，飽水狀態(tài)下自穩(wěn)能力差。而基坑開挖全過程則又處于這些地層中。因此基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)除受場地外界約束外，與土層的物理力學(xué)性質(zhì)有密切的聯(lián)系，特別是土層的C、值，土的壓縮模量及土的滲透系數(shù)Ko 由泰羅（Taylor）穩(wěn)定系數(shù)法計(jì)算邊坡臨界高度為: Hc=NyC/ 式中Hc計(jì)算臨界高度 Ny一系數(shù)由值查表得 C一內(nèi)聚力 土容重 （2）由上述公式可以看出，天然邊坡在不采取加固圍護(hù)條件下，最大開挖深度與C、值成正比，在淺基坑(6m以內(nèi))開挖支擋要充分利用土層自身穩(wěn)定，采取相應(yīng)的加固措施是降低工程造價(jià)的方法之一。在深基坑和超深基坑中，無論是懸臂板樁或是錨拉板樁，均與C、值的大小有關(guān)，并且在抗隆起及管涌計(jì)算中與土容重及滲透系數(shù)有密切的關(guān)系。因此，充分研究和查清土層分布特征和合理選取力學(xué)指標(biāo)，是圍護(hù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，并且指標(biāo)選取還應(yīng)考慮到開挖的時(shí)效性和地下水處理等條件。 3.地下水影響 軟土地基一般潛水面比較高，基木上距地面0.51.5m深，地下水位以下土層的開挖在很大程度上其邊幫穩(wěn)定性受地下水的控制，這己由許多工程事故所證實(shí)，分析諸多原因主要有： 3.1水壓力問題。 在基坑采用外部封堵內(nèi)降水時(shí)，坑壁支擋物上內(nèi)外水位高差達(dá)數(shù)米甚至更高，特別在砂土中，滲透系數(shù)較大的條件下，作用于支擋物的水壓力呈線性分布，由朗金理論計(jì)算可知，一般在1012m深基坑中，當(dāng)水位差為9m時(shí)，懸臂板樁的安全系數(shù)下降1012(與降水相比)，所以水壓力作用不可忽視，在粘性土中，水壓一般與計(jì)算水壓的1/31/2，但對力學(xué)指標(biāo)C、值影響較大。 3.2流砂塌陷問題。 在砂土或粘土夾砂中開挖時(shí)，如果地下水源補(bǔ)給豐富，如河邊、海邊或湖邊、水頭邊界穩(wěn)定，在一定的動水壓力作用下，粒徑較細(xì)的砂土隨水移動，產(chǎn)生流砂或管涌，引起支擋物后壁沖空和地面沉降，有時(shí)支擋物隨之下沉傾斜垮塌，引起社會問題和停工，因此在支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除對支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算外，還應(yīng)對地下水動水壓力產(chǎn)生管涌、流砂條件進(jìn)行分析計(jì)算。 3.3降排水地面沉降問題。 在地下室結(jié)構(gòu)施工中，需要一個(gè)干涸的基坑，則必須實(shí)行強(qiáng)制排水。隨著基坑大面積降水而引起在基坑四周一定范圍內(nèi)水位下降，由此產(chǎn)生土層固結(jié)地面下沉，危害已建構(gòu)筑物的 安全和穩(wěn)定，該類事故在許多基坑開挖中發(fā)生，引起了不必要的糾紛和經(jīng)濟(jì)問題。特別是市政工程鄰近基坑邊，往往由此產(chǎn)生開裂和破壞。通過若干失事工程分析，我們認(rèn)為，地下水位下降是產(chǎn)生地面沉降的主要因素，但臨近基坑的建筑物沉降與水平位移亦有一定的關(guān)系。 4.周圍地面荷載問題 城市建筑場地狹窄，特別是市中心繁華地段，昂貴的土地費(fèi)用使建筑結(jié)構(gòu)臨近紅線，與 周圍建筑很近，空余場地均為建筑施工機(jī)具和材料堆放場，因此在基坑支檔設(shè)計(jì)中不得不考 慮因地下空間開挖放坡對相鄰構(gòu)筑物的影響和對材料堆放的限制，許多工程曾發(fā)生過因基坑 邊坡倒塌引起相鄰建筑物開裂傾斜、市政工程下水道開裂漏水以致產(chǎn)生淹坑的重大事故。從失事情況分析，由地面荷載引起問題的原因主要有如下幾個(gè)方面： 4.1設(shè)計(jì)失誤。 在許多基坑開挖支擋中，絕大部分由施工單位自行承當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)人員對現(xiàn)場情況不甚了解，加上計(jì)算時(shí)參數(shù)選擇不當(dāng)，特別是對周圍地面荷載心中無數(shù)，從而設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)不能滿足工程要求，出現(xiàn)支檔物過大的偏斜以至倒斷樁。 4.2地面附加荷載過大盲目施工。 很多施工單位因場地困難又為了施工方便，在基坑邊幫上堆置過多的建筑材料和設(shè)備，而支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)只對一定量的附加荷載參與計(jì)算，有的施工單位將振 動荷載較大的塔吊基礎(chǔ)和硅攪拌設(shè)備直接置于坑邊，附加荷載大大超過設(shè)計(jì)值，大量的施工用水滲人地下，進(jìn)一步惡化了邊幫的自穩(wěn)條件，有的工程曾出現(xiàn)過攪拌機(jī)同護(hù)坡樁一起垮塌進(jìn)基坑事故。因此在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要充分與后續(xù)施工隊(duì)伍協(xié)商，對地面附加荷載(材料場)估計(jì)，并在施工過程中嚴(yán)格限制地面荷載的最大值。 4.3相鄰建筑物安全距離判斷。 （1）周邊建筑物是非常重要的地面荷載，對它的考慮不但僅僅是保證基坑開挖的安全，更重 要的是保證建筑物本身的穩(wěn)定安全，因此對建筑物的結(jié)構(gòu)，特別地基基礎(chǔ)形式要有充分的了 解和掌握，以便對結(jié)構(gòu)變形及圍護(hù)樁的穩(wěn)定作出準(zhǔn)確判斷，對其安全距離作出一定的估計(jì)。 （2）建筑物對基坑邊幫圍護(hù)工程的影響與其相對距離有關(guān)，主要原因是土層力學(xué)指標(biāo)的分層性與室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)的差異所致，并且與地下水狀態(tài)有密切關(guān)系。 （3）由工程實(shí)踐證明，相鄰建筑物淺基礎(chǔ)對圍護(hù)工程的影響較大，特別是剛性基礎(chǔ)(獨(dú)立柱。 5.地下結(jié)構(gòu)形狀與開挖空間的關(guān)系 （1）基坑開挖緊緊圍繞著地下結(jié)構(gòu)而施作，且受結(jié)構(gòu)形狀與四周條件約束。由此在基坑支擋 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要充分利用地下結(jié)構(gòu)的形態(tài)特點(diǎn)和深基礎(chǔ)(樁基)改善土體結(jié)構(gòu)增加被動土壓力的優(yōu)勢。 （2）由基坑邊幫位移量測可知，地下室結(jié)構(gòu)對基坑的邊幫支擋有一定的約束、如密集深基礎(chǔ)特別是在中壓縮性土以上的土層中，圍護(hù)樁的水平位移遠(yuǎn)小于天然基礎(chǔ)中的位移，底部隆起 現(xiàn)象不會發(fā)生。當(dāng)基坑邊長大于3倍坑深時(shí)，空間效應(yīng)明顯，中部的邊幫位移量大于兩端部，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)，以最大土壓力計(jì)算為依據(jù)，對由角隅引起的作用力應(yīng)予以利用，從而相應(yīng)減少兩端的支護(hù)剛度。某些建筑以弧形展布，給施工帶來一定的困難，但從支護(hù)結(jié)構(gòu)上考慮，則改變了受力狀態(tài)，在充分約束兩拐角后，總體穩(wěn)定性提高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮這一點(diǎn)。 6.基坑開挖順序及臨時(shí)支擋結(jié)構(gòu)的施工 （1）基坑開挖特別是深基坑開挖在圍護(hù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的前提下，如何科學(xué)安排土方開挖 順序與時(shí)序是保證基坑安全穩(wěn)定的一個(gè)重要方面，其中某些臨時(shí)支擋工程及時(shí)施工則又是提高安全度的一個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠的手段。 （2）很多工程在支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)時(shí)，恰恰因?yàn)槊つ块_挖施工及后續(xù)工程的拖延而造成斷樁塌方事故;而有些工程在驗(yàn)算其穩(wěn)定系數(shù)明顯不夠的條件下，由于開挖方法得當(dāng)，補(bǔ)強(qiáng)措施緊跟上，最終安全開挖到位，后續(xù)施工按期進(jìn)行，因此精心進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，合理安全施工工序，有條不紊地安排施工交叉時(shí)間，以期求得動態(tài)平衡。 （3）基坑開挖時(shí)間短，支擋結(jié)構(gòu)在瞬時(shí)就出現(xiàn)應(yīng)力平衡失調(diào)的情況，特別是粘性土中，孔隙水壓力無法及時(shí)消散，以及動水壓力作用等，均會加速支擋結(jié)構(gòu)物的側(cè)向位移和速率加大。因此，在開挖過程中應(yīng)針對基坑深度合理的進(jìn)行分層開挖，分層高度特別是在臨近支擋結(jié)構(gòu)地方，更應(yīng)控制開挖高度和分層滯后時(shí)間，以便支擋結(jié)構(gòu)逐步加荷和充分調(diào)動其剛度。至于分層高度和分層滯后時(shí)間應(yīng)通過位移量測數(shù)據(jù)而定。 （4）合理安排開挖順序，由工程實(shí)踐證明，有條件時(shí)，基坑開挖宜先中間后邊側(cè)，先拐角后長邊，并且采用分段開挖和控制開挖步距。 （5）在基坑見底達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)及時(shí)施工墊層，封閉土層，緊靠邊樁處宜加厚墊層和提高標(biāo)號，及時(shí)改變支擋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。 （6）在開挖過程中強(qiáng)調(diào)位移監(jiān)控法施工，隨時(shí)隨地監(jiān)測支擋結(jié)構(gòu)的位移變化，以便及時(shí)調(diào)整土方開挖順序和時(shí)間，從大量位移監(jiān)測數(shù)據(jù)看，基坑開挖到底3天以內(nèi)，為位移變化的加速區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行位移量測，以位移速率變化及位移量來決定基坑開挖支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)措施。 7.基坑支擋結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算問題 （1）在基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人們最關(guān)心的是作用于支擋結(jié)構(gòu)上土壓力大小問題，而且也是確定支擋結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)，因此正確合理的選取支護(hù)形式與計(jì)算力學(xué)模型與計(jì)算參數(shù)準(zhǔn)確性有關(guān)。不宜采用。 （2）當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大部分采用郎金理論或庫倉理論計(jì)算土壓力，近來也有采用有限原素值計(jì)算方法來確定支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 郎金理論計(jì)算公式為： Pa=(riHi+qi)Kai一2CKa+rnhn H地面至計(jì)算點(diǎn)高度 r土容重 q地面附加荷載 Ka主動土壓力系數(shù)Ka=tg2（45-/2） 土層內(nèi)摩擦角 C土層內(nèi)聚力 rn水容重 hn地下水位至計(jì)算點(diǎn)高度 從上式可以看出，朗金土壓力理論中將支 擋結(jié)構(gòu)與土體看成是非摩擦性光滑接觸，其之間的摩擦角=o，但實(shí)際上是有一定的數(shù)值的，這與工程結(jié)構(gòu)的施工方法和土體本身的摩擦角有一定的聯(lián)系，從工程實(shí)際看采用人工挖孔樁和水泥土擋墻形式，其與土層的摩擦角較大，采用泥漿護(hù)壁的鉆孔灌注樁次之，而采用鋼板樁或預(yù)制樁則摩擦角較小。因計(jì)算中未能考慮的作用，計(jì)算結(jié)果壓力偏大，有關(guān)人士建議采用折減法處理，但需針對具體情況酌情考慮。 （3）在采用郎金理論計(jì)算被動土壓力時(shí)，同樣原因，其值偏小，因此在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)其值不予折減(一般計(jì)算公式中取其1/2)。 （4）土壓力計(jì)算時(shí)，力學(xué)指標(biāo)主要是C、值的選取最關(guān)鍵，目前勘察部門提出的建議值一般為統(tǒng)計(jì)折減值，但對于不同土質(zhì)在不同的含水量狀態(tài)下其取值是不同的。砂土或粘土夾砂層在降水條件下可采用峰值強(qiáng)度或指標(biāo)提高1.21.4，而對于粘性土特別是淤泥質(zhì)土宜采用峰值(但在飽水或不降水時(shí)，宜采用折減值或酌情提高)。 （5）為工程計(jì)算方便，一般采用綜合摩擦角方法，令C=0，但在淺基坑或C值較大時(shí)，一般不宜采用。 （6）為了提高計(jì)算精確度和考慮土層的分層性，在工程中采用分層計(jì)算法，盡管計(jì)算比較麻煩但對土壓力的計(jì)算較為符合實(shí)際，而且給指標(biāo)確定更貼近實(shí)際，特別是在土質(zhì)上好下差或上差下好的條件下，盡量避免帶來的土壓力分布失真現(xiàn)象。 8.結(jié)論 根據(jù)筆者親自參與的近十個(gè)工程的施工實(shí)踐，深基坑支檔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工，應(yīng)充分注意以下幾點(diǎn)： （1）充分了解場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、對場地內(nèi)分布的各個(gè)土層的物理力學(xué)性質(zhì)必須清楚的了解和掌握，場地四周的邊界條件特別是地下水的補(bǔ)給條件應(yīng)查清，以便分析計(jì)算依據(jù)可靠。 （2）對場地四周建筑物的分部及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料要進(jìn)行訪問和了解，并就其與基坑開挖的影響予以詳細(xì)的計(jì)算分析，以便采取相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，維護(hù)建筑物的穩(wěn)定和基坑安全。 （3）重視地下水的影響，對基坑管涌，流砂等現(xiàn)象要有充分的估計(jì)，特別是城市給排水滲漏水問題要格外重視，防止管路斷裂漏水造成城市停水等社會問題。 （4）強(qiáng)調(diào)基坑開挖的科學(xué)管理、任何基坑