工程施工中深基坑支護安全研究

張培明　趙志慧

摘要:在進行深基坑施工時,必須確保施工安全,防止塌方事故發生,必須對開挖的建筑基坑采取支護措施,文章分析了當前深基坑支護存在的安全問題,提出了深基坑支護設計中的注意事項和預防措施。

關鍵詞:深基坑施工;基坑支護結構;深基坑支護

中圖分類號:TU473 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)21-0126-02

一、深基坑的施工安全的重要性

近幾年來,高層建筑的迅速興起,促進了深基坑支護技術的發展。各地在深基坑開挖和支護技術方面積累了

豐富的設計和施工經驗,新技術、新結構、新工藝不斷涌現。但是,現在的城市建筑間距很小,有的基坑邊緣距已有建筑僅十幾米、甚至幾米,給基礎工程施工帶來很大的難度,給周圍環境帶來極大威脅,也相應地增加了施工工期和施工費用。另外,原來的深基坑支護結構的設計理論、設計原則、運算公式、施工工藝等,已不符合深基坑開挖與支護結構的實際情況,導致一些基坑工程出現事故,造成巨大的損失。因此,深基坑支護的安全問題工程技術人員應予以高度重視。

在深基坑施工時,為確保施工安全,防止塌方事故發生,必須對開挖的建筑基坑采取支護措施。建筑基坑支護設計與施工應綜合考慮工程地質與水文地質條件、基坑類型、基坑開挖掘深度、降排水條件、周邊環境對基坑側壁位移的要求,基坑周邊荷載、施工季節、支護結構使用期限等因素,做到合理設計、精心施工、經濟安全。

二、深基坑支護存在的問題

(一)支護結構設計中土體的物理力學參數選擇不當

深基坑支護結構所承擔的土壓力大小直接影響其安全度,但由于地質情況多變且十分復雜,要精確地計算土壓力目前還十分困難,至今仍在采用庫倫公式或朗肯公式。關于土體物理參數的選擇是一個非常復雜的問題,尤其是在深基坑開挖后,含水率、內摩擦角和黏聚力三個參數是可變值,很難準確計算出支護結構的實際受力。

在深基坑支護結構設計中,如果對地基土體的物理力學參數取值不準,將對設計的結果產生很大影響。土力學試驗數據表明:內磨擦角值相差5°,其產生的主動土壓力不同;原土體的內凝聚力與開挖后土體的內凝聚力,則差別更大。施工工藝和支護結構形式不同,對土體的物理力學參數的選擇也有很大影響。

(二)基坑土體的取樣具有不完全性

在深基坑支護結構設計之前,必須對地基土層進行取樣分析,以取得土體比較合理的物理力學指標,為支護結構的設計提拱可靠的依據。一般在深基坑開挖區域內,按國家規范的要求進行鉆探取樣。為減少勘探的工作量和降低工程造價,不可能鉆孔過多。因此,所取得的土樣具有一定的隨機性和不完全性。但是,地質構造是極其復雜、多變的、取得的土樣不可能全面反映土層的真實性。因此,支護結構的設計也就不一定完全符合實際的地質情況。

(三)基坑開挖存在的空間效應考慮不周

深基坑開挖中大量的實測資料表明:基坑周邊向基坑內發生的水平位移是中間大兩邊小。深基坑邊坡的失穩,常常以長邊的居中位置發生。這足以說時深基坑開挖是一個空間問題。傳統的深基坑支護結構的設計是按平面應變問題處理的。對一些細長條基坑來講,這種平面應變假設是比較符合實際的,而對近似方形或長方形深基坑則差別比較大。所以,在未進行空間問題處理前而按平面應變假設設計時,支護結構要適當進行調整,以適應開挖空間效應的要求。

(四)支護結構設計計算與實際受力不符

目前,深基坑支護結構的設計計算仍基于極限平衡理論,但支護結構的實際受力并不那么簡單。工程實踐證明,有的支護結構按極限平衡理論設計計算的安全系數,從理論上講是絕對安全的,但有時卻發生破壞;有的支護結構安全系數雖然比較小,甚至達不到規范的要求,但在實際工程中卻滿足要求。

極限平衡理論是深基坑支護結構的一種靜態設計,而實際上開挖后的土體是一種動態平衡狀態,也是一個土體逐漸松弛的過程,隨著時間的增長,土體強度逐漸下降,并產生一定的變形。所以,在設計中必須充分考慮到

這一點。

三、深基坑支護設計中的注意事項

(一)徹底轉變傳統的設計理念

近十幾年來,我國在深基坑支護技術上已經積累很多實踐經驗,收集了施工過程中的一些技術數據,已初步摸索出巖土變化支護結構實際受力的規律,為建立深基坑支護結構設計的新理論和新方法打下了良好的基礎。但是,對于深基坑支護結構的設計,國內外至今尚沒有一種精確的計算方法,多數是處于摸索和探討階段,我國也沒有統一的支護結構設計規范。土壓力分布還按庫倫或朗肯理論確定,支護樁仍用“等值梁法”進行計算。其計算結果與深基坑支護結構的實際受力懸殊較大,既不安全也不經濟。由此可見,深基坑支護結構的設計不應再采用傳統的“結構荷載法”,而應徹底改變傳統的設計觀念,逐步建立以施工監測為主導的信息反饋動態設計體系。這是設計人員需要加強科研攻關的方向。

(二)建立變形控制的新的工程設計方法

目前,設計人員用的極限平衡原理是一種簡便實用的常用設計方法,其計算結果具重要的參考價值。但是,將這種設計方法用于深基坑支護結構,只能單純滿足支護結構的強度要求,而不能保證支護結構的剛度。眾多工程事故就是因為支護結構產生過大的變形而造成的。鑒于上述實際,在建立新的變形控制設計法時,應著重研究支護結構變形控制的標準、空間效應轉化為平面應變和地面超載的確定及其對支護結構的影響等問題。

(三)大力開展支護結構的試驗研究

正確的理論必須建立在大量試驗研究的基礎上。但是,在深基坑支護結構方面,我國至今尚未進行科學系統的試驗研究。一些支護結構工程成功了,也講不出具體功之處;一些支護結構工程失敗了,也說不清失敗的真實原因。在支護工程施工的過程中積累的技術資料很豐富,但缺少科學的測試數據,無法進行科學分析,不能上升到理論的高度,這是一個很大的缺陷。

開展支護結構的試驗研究(包括實驗室模擬試驗和工程現場試驗),雖然要耗費部分資金,但由于深基坑支護工程投資巨大,如經過科學試驗再進行設計時,肯定會節省可觀的經費。因此,工程現場試驗是非常必要的。通過工程實踐積累大量的測試數據,可對同類工程的成功打好基礎,為理論研究和建立新的計算方法提供可靠的第一手資料。

(四)探索新型支護結構的計算方法

高層建筑的飛速發展給深基坑支護結構帶來一場技術革命。在鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁擋墻、地下連續墻等支護結構成功應用后,雙排樁、土釘、組合拱帷幕、旋噴土錨、預應力鋼筋混凝土多孔板等新的支護結構型式也相繼問世。但是,這些支護結構型式的計算模型如何建立、計算簡圖怎樣選取、設計方法如何趨于科學,仍是當前新型支護結構設計中急需解決的問題。

目前,深基坑支護結構正在向著綜合性方向發展,即受力結構與水結構相結合、臨時支護結構與永久支護結構相結合、基坑開挖方式與支護結構型式相結合。這幾種結合必然使支護結構受力復雜。所以,建立新型支護結構的計算方法,已成為深基坑工程技術的當務之急。

四、結論

深基坑的開挖與支護結構是一個系統工程,涉及工程地質、水文地質、工程結構、建筑材料、施工工藝和施工管理等多方面。是集土力學、水力學、材料才學和結構力學等于一體的綜合性學科。支護結構又是由若干具有獨立功能的體系組成的整體。正因如此,無論是結構設計還是施工組織都應當從整體功能出發,將各組成部分協調好,才能確保它的安全可靠、經濟合理。

作者簡介:張培明,男,河南省第一建筑工程集團有限責任公司助理工程師,研究方向:建筑施工管理等;趙志慧,女,河南省第一建筑工程集團有限責任公司助理工程師,研究方向:建筑施工管理等。