淺談基坑工程的概念設計

付亞鑫

（秦皇島鑫冶勘察基礎工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 基本概念

1.1 土壓力計算的水土分算與合算

有效應力原理，是土力學最重要最基本的原理之一，也是基坑工程設計者必須深刻理解牢牢掌握的基本概念。如果不熟悉有效應力原理，選擇試驗方法時就會陷入盲目性。無論應力路徑還是排水條件，試驗條件與現場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算土壓力是當前有爭議的問題。按照有效應力原理，土中骨架應力與水壓力應分別考慮。從原理分析，“土水分算”優于“土水合算”，因水土分算方法概念較清楚，符合有效應力原理，但在實際應用中也存在有效指標確定困難與無法考慮土體在不排水剪切時產生的超靜孔壓影響等問題。

1.2 土壓力計算中的強度指標

三軸剪優于直剪。但在做實際工程設計時不一定如此，因為實際操作時，三軸試驗費時費力，對土樣質量要求高，對試驗人員素質要求高，否則試驗成果不穩定，甚至反而不可靠。

按照土力學基本理論，采用水土合算原則計算土壓力時，相應的抗剪強度指標應采用土的總應力強度指標C、φ。采用水土分算原則計算土壓力時，相應的抗剪強度指標應采用土的有效應力強度指標C/、φ/。然而，目前的基坑工程設計中通常還是采用直剪固結快剪指標C、φ進行設計計算的。這固然與基坑工程設計的習慣有關，也與目前的巖土工程勘察報告中一般不提供土的有效強度指標C/、φ/數值，僅少量工程提供三軸固結不排水剪指標Ccu、φcu的現狀有很大關系。

從符合土力學基本原理以及不斷提高基坑工程設計水平的需要出發，基坑工程土壓力計算應逐步向采用三軸固結不排水剪指標Ccu、φcu的方向發展。

此外，常規三軸試驗通常是與豎向加荷情況相對應。在基坑開挖過程中，土體的應力路徑與豎向加荷情況不同，坑底土和墻后土分別表現為豎向卸荷與側向卸荷。由于土體的強度指標與應力路徑關系密切，因此合理的強度指標確定方法應根據基坑開挖工程的特點，通過三軸卸荷試驗進行。

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的占大多數，這就與設計者不熟悉水文地質原理，不清楚水文地質的基本概念有關。

強透水性地層具有靜水壓力，眾所周知，沒有爭議；弱透水性地層有沒有靜水壓力，看法就不同了。有時，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，流線和水頭的分布也不同于靜水條件。因此，設計者必須牢牢掌握滲流運動的原理，當有穩定滲流時（包括越流滲透、坑內或坑外降水）進行流網分析，有利于掌握基本概念，合理地進行地下水控制設計。

2 基坑工程計算分析

基坑工程設計時進行計算是不可缺少的，但也不能盲目相信計算。應從定性的概念分析人手，抓住關鍵問題，在定性分析的基礎上進行定量分析。

2.1 擋土結構上的土壓力計算是個比較復雜的問題，從土力學這門學科的土壓力理論上講，根據不同的計算理論和假定，得出了多種土壓力計算方法，其中有代表性的經典理論如朗肯土壓力、庫侖土壓力。但不論是庫倫還是朗肯建立土壓力理論時，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。無論支擋結構的型式、土的性質、施工次序、土中應力路徑都有很大不同。

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

2.3 無論主動土壓力還是被動土壓力，都需要一定的位移量才能達到，而過大的位移量對工程又是不容許的。實際動用的土壓力力一般為靜止與主動之間或靜止與被動之間的土壓力。

2.4 作用在支護結構上的土壓力及其分布規律取決于支護體的剛度及側向位移條件。

剛性支護結構的土壓力分布可由經典的庫侖和朗肯土壓力理論計算得到，實測結果表明，只要支護結構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算。但是，如果支護結構底部位移大于頂部位移，土壓力將沿高度呈曲線分布，此時，土壓力的合力較上述典型條件要大10%～15%，在設計中應予注意。

相對柔性的支護結構的位移及土壓力分布情況比較復雜，設計時應根據具體情況分析，選擇適當的土壓力值，有條件時土壓力值應采用現場實測、反演分析等方法總結地區經驗，使設計更加符合實際情況。

由上可知，庫侖-朗肯土壓力理論與基坑工程的實際出入相當大，是很容易理解的，如設計者對這些概念是清楚的，就不會過分相信計算結果了。

3 現場監測和信息化施工

深基坑施工中的監測工作是指導施工、避免事故發生的必要措施，也是進行信息化施工的手段。近年來，有的基坑工程為了節約而不安排監測，或減少監測費用；有的工程對測試數據不認真分析，或者分析水平不高。因而造成各種大大小小的事故和不應有的損失。

隨著施工的進展，根據定期監測得到的信息，與原來的計算結果比較，并反演計算參數，根據反演參數重新分析計算，必要時適當修改設計或施工步驟，再繼續施工和監測，如此一次一次地反復，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。

注重現場監測和信息化施工，是概念設計思想的自然延伸，這方面已獲共識。概念設計是一種設計思想。設計者應當具有探索精神和創造精神，不能滿足于現成的公式；要充分掌握情況，深刻理解原理，不要犯概念上的錯誤；不能機械地照搬經驗，要在相關理論的指導下，借鑒已有經驗進行分析和判斷；事先的定量計算只是一種估計，只有原型工程的實測數據最可信。

結語

巖土工程最突出的特點是不確定性。基坑工程設計強調概念設計，集中體現了辨證發展的理念。

[1]GB50021-2001.巖土工程勘察規范[S].

[2]唐業青，李啟民，崔江余.基坑工程事故分析與處理[Z].