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1、基坑工程发展现状及存在的问题3 7 l赵杰1 ，邵龙潭2 ，李淑英3( 1 大连理工大学土木水利学院辽宁大连I1 6 0 2 4 ：2 大连理工大学工程力学系，辽宁大连，1 1 6 0 2 4 ：3 吉林省自城市第一建筑工程总公司吉林白城1 3 7 0 0 0 )摘要；回顾了基坑工程的历史和发展现状，介绍了基坑工程的特点、基坑支护的类型以及设计方法，重点对目前基坑工程中存在的几个问题作了讨论关键调s 基坑工程；水土压力：本构模型；接触面；信息化施工l 引言随着城市建设的发展，地下空间的开发与利用得到大力发展。目前各种用途的地下空间例如地下铁路、地下停车场、地下车站、地下商场等已在世界各大城市中
2、得到开发利用，其规模和深度不断加大，基坑工程逐渐成为了城市建设中主要的岩土工程课题之一。基坑开挖是基础和地下工程施工中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩工程难题。既涉及士力学中典型强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用心1 。2 基坑工程的现状T e r z a g h i 和P e c k 等人早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这理论原理一赢沿用至今，但已有了许多改进与修正。B j e m m a 和E i d e 在5 0 年代给出了分析深基坑底板 隆起的方法。6 0 年代在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中开
3、始使用仪器进行监测，此后大量实测资料提高 了预报的准确性，并从7 0 年代起，制订了相应的指导开挖的法则1 。从2 0 世纪7 0 年代到现在的3 0 年间，基坑支护技术的发展进入了一个新的阶段。此期间，随着基坑工程的发展，与各种挡土结构相适应的设计理论不断完善，产生了指导基坑开挖的法则；基坑支护的概念也发生了变化，在原来的外部支护设计的基础上，又提出了以加固土体、提高体自承载能力为目的的内部支护的方法；施工机械的发展、施工工艺的不断改进，新型挡结构材料的应用，为复合型挡土结构在复杂的深大基坑中的应用提供了良好的条件；计算方法上，应用有限元理论对土压力、基坑稳定性和蒸坑变形等进行联合分析的方法
4、得到了较大发展。目前，发展新型材料用于加固和支挡土体，提高坑壁土体在基坑支护中的利用效果，改进施工工艺和加强施工管理，应用计算机进行计算和分析等，已经成为基坑支护技术新的发展方向。基坑工程在我国发展较晚，大量的基坑工程出现于上世纪8 0 年代以后，首先在北京、上海、广州、深圳等大型城市，9 0 年代以后，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区内进行深基坑开挖给这一古老的课题提出了新的内容，那就是如何提高深基坑开挖的环境效应问题，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计计算方法，众多新的施工= I ：艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功的1 I ：程实
5、例。但由于基坑”I ：程的复杂性以及设计、施1 ：的不当，工程事故的概率忭青筒彳卜：趣杰f l 鳃D 一) 劈。河北人碍t 研究乍书羹从事胄限元边壤稳定，鼍堍支护、蚝薰承藏力锋方街的研究( E m J i l ：z h a o j i e j d 1 6 3 c o r n )3 7 2仍然很高“引。3 基坑工程的特点基坑工程主要包括基坑支护体系与施工和土方开挖，是一项综合性很强的系统工程。它要求岩土工程和结构工程人员密切配合。基坑工程具有以下特点：1 ) 基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险：2 ) 基坑工程具有很强的区域性：3 ) 基坑工程综合性强；4 ) 基坑工程具有较强
6、的时空效应：5 ) 基坑工程是系统工程；6 ) 基坑工程的环境效应。4 基坑支护结构类型目前常用的基坑支护方法大体上有传统方法、改良方法、喷锚网支护法和土钉墒支护四种哺，如图4 一l 所示，在不同地区，由于地下条件的不同，采用的支护方法也不同，例如北京地区地下条件较好，通常采用钉支护，特殊情况下才采用钻孔灌注桩或者地下连续墙支护上海地区地下条件较差，不能直接使用土钉支护，大部分基坑都是采用搅拌桩止水与钻孔灌注桩挡土相结合的支护方法。a 传统方法桩板 墙管撑人工挖孔桩机械钻孔桩预制钢筋混凝土桩搅拌桩槽钢钢板桩檬钢钢板桩工字钢板桩地下连续墙钢管桩 f 槽钢支撑钢支撑l 工字钢支撑木支撑L 锈管撑砂
7、袋堆撑b 改良方法桩锚板锚墙锚管锚撑锚c 喷锚网支护法( 包括注浆和拉锚)d 土钉墙支护法图4 - 1 基坑支护方法分类5 基坑支护的设计方法蒸坑支护设计计算方法大致可分为三类。第一类是常规设计方法；第二类称为弹性抗力法；第三类是有限元方法。常规设计方法是最常用的方法，其要点是在选择一定的入土深度以满足整体稳定、抗隆起和抗渗要求的前提下用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力，然后对重力式刚性挡墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性，安全系数沿用设计规范中对普通挡土墙的规定；或者计算柔性挡墙( 悬臂式或有支锚结构) 的内力，对墙身和支锚结构进行设计这种方法对予甍通挡墙或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的
8、。但对j 冯深基坑- 特别是软士中的深基坑支护结构设计就难以考虑更为复杂的条件和难以分析支护结构的整体性状。弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进。其概念是由于挡墙位移有控制要求，内侧不可能达到完全的被动状态，实际上仍处在弹性抗力阶段，因此，引用承受水平荷载的横向抗力的概念，将外侧主动土压力作为施加在墙体上的水平荷载，用弹性地基粱的方法计算挡墙的变形与内力。对墙体的水平支撑用弹性抗力系数来模拟，支锚结构也用弹簧模拟。这种方法可以看作对常规方法的改进它仍没有解决前一种方法的其余问题。计算与实际符合与否取决于基床系数的选取，通常用m法计算即基床系数k 随深度比例增长，比例
9、系数为m 。由于常规方法和弹性抗力法等计算方法不能有效的计入基坑开挖时挡土结构及支撑力的变化过程，采用这些计算方法所得到的计算结果用于多道支撑的深基坑挡土结构分析时内力较实际情况的误差较大，有的甚至达3 倍以上。因此，有限元方法开始应用到挡土结构分析中，它可以有效她计入基坑开挖过程中的多种因素，例如作用在挡土结构上被动侧和主动侧的水土压力得变化，支撑预加轴力对挡土结构内力变化的影响，以及空间作用下挡土结构的空间效应问题等等。这样为有效、安全经济地优化挡结构形式和开挖过程的合理化开辟了新的方向疆1 。6 当前基坑工程中存在的几个主要问题6 1 关于压力的计算理论6 1 1 经典压力的适用性问爱目
10、前在基坑支护结构设计中，一般都以经典库仑或者朗肯公式作为计算土压力的基本公式。应用这两个公式进行基坑士压力计算时存在以下问题：1 ) 库仑朗肯七压力公式适用于重力式挡土墙，即先筑墙，然后在墙背后填士，土体的破坏面假定为平面。而基坑支挡结构是先在中设置挡墙，然后再挖土，墙背后是原状土，土体的破坏面是曲面。因此，基坑支挡结构的结构形式、墙后土的性质、施工次序、变形的发生、土中应力路径等都与库仑朗肯主压力的前提假定有很大差异。2 ) 对于粘性土，库仑士压力理论没有考虑土的粘聚力。工程中常用等值内摩擦角计算，结果显示低墙保守，。高墙危险。按朗肯土压力理论计算，结果显示主动土压力偏大，被动土压力偏小。3
11、 ) 在实际的基坑工程中，对基坑位移均有严格的控制要求，不允许发生大的位移。因此，基坑挡士结构上实际发生的土压力总是介于静止土压力与主动土压力或者静止土压力与被动土压力之间。尤其是在开挖过程中，土压力随开挖和支护的进行是一个动态变化过程，应用库仑朗肯土压力理论无法计算出这动态过程中相应的土压力。6 1 2 水土压力的合算与分算土中水的问题是土压力计算的难点。简单的水土合算舅：不能解决实际： 程中的复杂问题。土中水对水土压力的影响主要与水的存在状态有关。很多基坑工程失事与土中水有关，这种情况表明，我们对于在原状土开挖过程中的水土相互作用机理的认识还远不够透彻和深入。李广信口对支护结构上水土压力分
12、算与合算做了系统分析，提出以下结论：1 ) 在原状土基坑支护结构上的水土压力与用经典土压力理论计算的结果是有很大差别的，它涉及许多复杂影响因素。3 7 4 2 ) 水土合算与七力学的基本原理有冲突，在机理上也有许多不明之处，这有待进一步研究。3 ) 水土分算的概念是清楚的，但在某些情况下很难确定孔隙压力：在些饱和原状粘性土中，可能不存在静水压力。4 ) 对于原状粘性中的水土相互作用问题，以及复杂应力路径所涉及的一些问题尚未清楚认识。还有待予从微观机理、室内试验、模型试验、现场测试和计算比较等方面进行研究。此外，杨晓军、陈愈炯、李广信、刘早云等n 2 1 对基坑有渗流情况的水压力进行了一些分析，
13、指出存在渗流的基坑中，渗流不但可能引起渗透破坏，而且也对其士压力有重大影响，渗透系数的大小也改变了土压力的分布传统的朗肯和库仑土压力将不合理。只有进行固结应力，渗流的耦合分析，才能精确考虑基坑开挖旋工过程中水土压力的分布以及结构内力的改变。尤其是分层、分期开挖时，固结渗流改变了土压力的大小及分布，同时由于垂向固结使地面沉降加剧，也影响土压力及墙的变形，即影响结构内力。近年来，国外许多学者在B i o t 理论的基础上做了很多工作但仍存在一系列的问题，有待于深入研究。6 2 基坑开挖的数值模拟2 0 世纪6 0 年代末引进了数值分析技术，由于它能摸拟土与结构复杂的力学性质，考虑基坑与围护结构的相
14、互作用，摸拟基坑开挖的施工顺序以及进行圆结分析等，近年来，这一方法得到了越来越广泛的应用，但计算结果与实际情况的符合程度取决于土的本构模型与计算参数能否反映工程的加载条件与土的实际性状。基坑开挖时，墙前、墙后和基坑中部的应力路径是不同的。由于参数不同，用有限元分析的结果也会有差异，结合深基坑开挖条件，设计与之相适应的本构模型及其参数测定是有待深入研究的课题“3 1 。6 2 1 本构模型土体本构模型有上百种，常用于深基坑开挖分析的只有几种，如邓肯张双曲线模型、修正剑桥模裂等。深基坑开挖中，土体有其独特的应力应变关系，许多学者针对这一特点及具体深开挖_ _ ：I ：程条件提出或引用了不同的计算模
15、型H 劓。1 ) 基坑开挖是一个卸载过程，目前所采用的模型基本上都是把通常状态的土体本构关系硬搬到处于卸荷状态的基坑开挖问题上，而通常状态的本构模型自身并不完善引。况且，开挖中的：t 体有其特有的应力应变关系，严格地讲，应单独建模。2 ) 国内外学者的研究多针对硬粘土、超固结土及砂土，而我国经济发达、基建发展很快的沿海地区多是软土，以正常固结为主。所以，建立软粘土特有的应力应变关系模型和提出适予软士地区基坑开挖的非线性分析方法有着重要的现实意义。6 2 2 接触面在基坑工程中，由于土体与结构物在剐度与强度等力学性质方面相差较大，在一定作用力条件下，土体与结构物之间除了力的传递外，还有可能产生相
16、对位移等非连续变形行为，如相对错动或开裂，这时土与结构物将不再保持为一个变形连续的整体，直接采用针对连续体的有限元方法进行求解将会产生较大误差，甚至使计算结果严重失真。对于这类问题，目前通常是将土与结构作为一个连续的整体，土体或结构采用不同的本构模型，在士与结构之间引入接触面单元。它是一种厚度极薄或接近于零厚度的特殊有限单元，在士与结构之间起过渡作用，这种方法是基于事先假定的接触蕊本构关系，通过增量和迭代手段调整单元本构模型中的参数，以近似地模拟其应力! 变形关系常用予萋坑王稷抟接徽灏纂霭赣鼹擞：接触摩擦型单元和屡状材料单元。其j 7 ) 中应用较广的是G o o d m a n 无厚度单元和D e s a i 薄层四边形单元。前者能模拟接触面的滑动和开裂，但无法模拟接触面闭合。且存在法向刚度取值随意性的问题；后者虽可以较好的反映法向变形和切向变形以及应力的传递，但存在单元厚度不易确定的问题。1 9 9 4 年殷宗泽6 j 等
