當前基坑圍護設計中的問題及對策有哪些？
人氣：0發表時間：2018-07-15 15:27:42
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當前基坑圍護設計中的問題及對策有哪些？
隨著高層建筑的增多和城市用地的日益減少，基坑工程設計和施工涉及的地質條件、巖土性質、場地環境、工程要求、地下水動態、施工順序和方法等許多問題越趨復雜，使基坑的開挖和圍護結構的設計成為一個具有挑戰性的巖土工程熱門難題。而基坑工程的迅猛涌現與相應設計理論和方法的滯后，給基坑圍結構護設計工作帶來了極大的因難，也使基坑工程的設計與工程實際狀況存在較大偏差，其結果是造成工程事故或浪費。
1、當前基坑圍護設計現狀
當前基坑工程的圍護結構設計方法可謂種類繁多，眾采紛紜，形成了多種設計方法并存的局面。但綜觀基坑工程實際，傳統設計方法因具有理論上容易理解和接受、計算模型簡單、計算方便快捷等特點，在工程實際廣為工程設計人員所習用。實際運用中又多是采用一種經驗估算，這里所謂經驗估算就是按照以往的工程經驗，結合土質的特性，選定擋土圍護結構類型及入土深度，事先確定擋土結構上的土壓力分布，然后根據極限平衡理論（如等值梁、靜力平衡等方法）進行圖解、數值解或查取已有表格來確定支護結構的內力和變形。這種傳統設計理論和方法是當前基坑工程設計的主流。
隨著基坑工程日趨復雜化以及計算機的應用，許多巖土工作者又熱衷于數值分析方法的應用，如土抗力法，差分法，邊界元法和有限元法等新方法，并且不少科研機構和高校基于不同分析模型開發了一些應用軟件，應該說這對設計人員是有幫助的。但是這些方法在理論上尚需完善，關鍵是在如何選取土的本構關系與計算模型，土的參數如何確定，以及塑性區范圍與穩定性之間的定量關系等問題上仍然存在困難，因此尚無直接用平面有限元的計算結果作為設計依據的實例。目前新方法尚未能作為圍護結構設計的基本方法，多作為某些重大工程問題處理時的一種輔助的分析手段，以進行對比。
盡管基坑工程實踐不斷增多，在技術上也有了長足的進步。但縱觀基坑工程的實際情況不難發現，基坑圍護設計存在著兩種傾向，一方面由于設計安全度不足而造成基坑失穩事故的比例較大，另一方面由于設計過于保守而又造成很大的浪費。一項對103項基坑工程事故進行細致的調查分析，統計出事故發生的原因，結果表明與設計有關的工程事故比例高達45%1；而一份十幾個工程的測試數據又表明，圍護結構的實測應力明顯小于設計值，圍護結構的強度遠遠沒有發揮出來2，設計明顯過于保守。說明現行設計理論和方法與基坑工程的實際有較大的偏差，確實應在設計方法及其影響因素等方面找找原因。
2、原因分析
大量的工程實例表明，上述兩種情況在實際中確實屢見不鮮，究其原因可歸結為以下兩個方面：
1）計算以強度和穩定性為主，忽略變形控制
上面提到，當前的設計方法是以極限平衡理論為依據。實際上大多沿用傳統擋土墻設計計算方法，它只能進行強度和穩定性計算，無法提供基坑圍護結構設計所必須的變形值。所以基坑設計計算均以強度和穩定性為主，而并未研究解決在邊坡失穩之前的變形過程。但在當前的基坑工程中，由于周邊環境保護的要求越來越嚴格，基坑變形控制已成為重要的設計內容。基坑的允許變形和水平、垂直位移的計算是一個較建筑自身允許沉降和沉降計算更為復雜的課題，又是基坑工程，尤其在軟土地區和工程地質、水文地質復雜地區無法回避的問題。基坑工程仍然必須滿足穩定性和變形兩方面的要求，與基礎允許沉降有所不同在于基坑工程的允許變形往往主要取決于周邊環境的要求，按變形控制已成為許多基坑工程設計的基本依據。可見，現行的設計方法并不能完全考慮基坑工程實際應考慮的問題，這樣設計結果與實際工程的工作狀態就必然產生差異。
2）設計多以經驗估算為主
由于基坑工程的復雜性、不確定性以及對圍護結構所承受水土壓力認識的局限性，迄今為止對基坑圍護結構設計還沒有一個成熟的理論和計算模式，未形成完整的、具有普遍指導意義的設計理論體系，使得基坑圍護結構的設計計算仍過多地取決于經驗，隨意性較大；另一方面，由于土力學發展水平所限，有些實際問題土力學理論尚無法解決，在研究運用中不得不對土的性質作了許多不符實際簡化或假定。例如，對基坑工程經常遇到的軟土，其強度隨時間變化的流變性質，雖然已有一些研究成果，但理論上尚不成熟，試驗方法尚不完善，應用于工程還剛剛開始，實際中還需要經驗；對于非飽和土，應用非飽和理論進行土壓力計算還未開始，目前用的還是傳統的土力學理論，常規試驗方法測定的強度指標，計算結果自然與實際出入很大；再如某些飽和粉土的流動性、地下水的滲透破壞等等，有的問題至今對其認識還很不夠，有的問題很難計算。
在這種情況下，基坑工程設計依靠經驗是必然的了，而且有時經驗顯得十分的重要。應該說經驗是長期工程實踐中積累的寶貴財富，基坑圍護設計和施工，應該充分借鑒現有的成功經驗，融入自身的特點和要素才能有所創新。但經驗總歸是經驗，并不能等同于具有普遍指導意義的理論，況且基坑工程具有較強的區域性，不同地區會遇到各種不同的、包含極其復雜的工程地質和水文地質條件、現有的理論和經驗根本無法解決的問題。這樣基坑圍護設計只能借鑒已有的工程經驗在實際中摸索，設計結果就難以把握了。
3、傳統設計理論和方法的缺陷。
傳統設計方法以庫侖—朗肯理論為基礎，采用極限平衡法求解，它假定作用在圍護結構前后墻上的土壓力分別達到被動土壓力和主動土壓力，在此基礎上再把超靜定的結構力學問題簡化為靜定問題求解。國內采用較多的有等值梁法和靜力平衡法。這種方法應用于基坑圍護結構的設計中，存在以下缺點：
1）庫侖—朗肯理論本身包含著與基坑工程實際很不一致的假定；
和靜力平衡法。這種方法應用于基坑圍護結構的設計中，存在以下缺點：
2）難以反映基坑開挖過程中各種因素對墻上土壓力分布的影響；
3）無法提供設計所需的墻體水平位移的數值，即不能考慮圍護結構和土體的變形；
4）假定支撐為不動支點，不考慮施工過程中支撐設置前后支撐力的變化，等等。
傳統設計方法以開挖的最終狀態為基礎，它至少在以下幾個方面與開挖的實際情況是不相符的：
1）側土壓力計算問題
基坑圍護結構土壓力具有不確定性，它是土體與圍護結構之間相互作用的結果，土壓力大小和分布隨圍護結構類型、剛度、支點數量而異，在開挖過程中隨結構的變形而動態地變化，同時它具有施工效應、時間效應、空間效應等特性，這些是傳統擋土墻設計理論無法考慮的問題。土壓力只有在主（被）動極限平衡狀態下才可作為已知的定值，而主（被）動極限平衡狀態是否達到，與圍護結構的位移是密切相關的。在基坑外側的主動區，圍護結構向坑內側位移量級達（0.1～0.3）%H后，就可能出現主動極限平衡狀態，而基坑內側的被動區，圍護結構要向坑內位移約達（2～5）%H，才能達到被動極限平衡狀態，這樣大的位移量又是圍護結構的安全所不允許的，因此該部位作用的實際上不是被動土壓力，而是某種土抗力，它隨著圍護樁墻的位移大小而變化，是個不確定量。在圍護結構的設計中，將不確定土壓力當作定值的外荷載來求解圍護結構的內力及驗算穩定性，其計算結果的不準確是可想而知的。
2）圍護結構和土體變形問題
圍護系統和土體的變形是圍護結構各部分與土體及外界因素相互作用的反映，是結構內力變化與調整的宏觀結果。其特征和數值是整個系統是否正常工作的最直觀的標志，又是突發性事故的前兆，因而是施工控制的主要依據。土層的沉降及位移更直接地影響到周圍建筑物、地下管線及道路交通的正常運營。但傳統設計方法由于所采用的是剛塑性模型理論，只能進行強度與穩定分析而難以進行變形計算。雖然目前尚有一些經驗方法可進行估算，但有地區局限性并缺乏足夠的理論依據。
3）圍護結構內力計算問題
傳統設計方法對有支撐的圍護結構設計中，支撐力也是通過開挖最終狀態的系統靜力平衡條件確定的。而基坑實際施工過程中，支撐是在土層開挖，圍護結構有一定變形后設置的。下一道支撐是在上一道支撐受力變形，基坑繼續開挖后設置的，并非同時設置，實際受力條件與設計條件明顯相異，其數值理所當然偏離設計值。圍護結構的內力也是按開挖的最終狀態的土壓力和支撐力計算的。如前所述，側土壓力和支撐力在開挖過程中是不斷變化的，圍護結構內力也隨著改變，而不可能是固定不變的。雖然近來有些工程用增量法進行進行考慮施工過程的內力計算，但因為在內力計算中仍然引用靜力平衡條件，而無法考慮形變相容和位移協調關系，所以仍然是相當粗糙的。
綜上所述，傳統設計理論和方法未能準確的反映基坑工程的真實狀況，或者說傳統設計理論和方法存在種種缺陷并不完全適用于技術要求越來越高的基坑工程圍護設計，這正是設計預估值與實際工作狀態存在較大差異的原因所在。
4、問題的對策
傳統設計理論和方法存在諸多的缺陷使得越來越復雜的基坑工程問題無法妥善解決，新的、更有效的設計理論和方法尚未成熟，在不確定因素太多的基坑圍護體系設計中，結構的安全度就難以把握，要使設計符合實際情況是太難了，至少在目前的技術發展水平上是太難了。工程設計者只有兩種選擇，一是設計得比較保守，以確保安全而造成浪費；二是要冒較大的風險，以節省投資而將帶來事故隱患。不論作何種選擇，應該說對工程的安全與經濟都難兩全。如此情形下，工程設計人員的責任是在設計中采取合理的對策，盡可能地使設計貼近基坑工程的真實狀況。實際運用中可從下列兩方面考慮：
4.1土壓力估算
土壓力是基坑圍護結構的主要荷載，若能較準確地估算土壓力，對基坑工程意義十分重大。但由于影響土壓力的不確定因素太多，要精確地加以確定是很困難的，甚至是不可能的。當前沒有精確的理論來保證其正確可靠性的情況下，可從以下兩方面入手：
1）通過現場測試和室內模型試驗，并依此為基礎，提出簡單實用而盡可能合理的土壓力計算模式。
2）計算時著重考慮的因素：土的物理力學性質（重度、抗剪強度）；擋土圍護結構相對土體的變位方向和大小；地面坡度、地面荷載與鄰近基礎荷載及可能的動荷載；地下水位及其變化；圍護結構的剛度；基坑工程的施工方法與施工順序等等。
4.2動態設計
傳統設計方法的主要問題在于一個“靜”字，以開挖的最終狀態為對象，進行定值的設計。然而基坑開挖工程與其它工程的最大不同之處又在于一個“動”字，在開挖過程中，包含某些土質參數在內的各種參量，諸如側土壓力、結構內力、土體應力及應變等等都在變化，且其變化規律目前還未被充分掌握，這就產生了設計結果與實際情況的差別。對此，比較有效的對策是根據施工過程的信息反饋不斷修正設計，以指導施工，這就是動態設計。
動態設計必須建立在嚴密的現場監測基礎之上，通過對開挖全過程實施監測，將信息及時反饋，以掌握圍護結構和基坑內外土體變形移動，隨時調整施工參數，優化設計，或采取相應措施，以確保施工安全，即所謂信息化施工。
動態設計基本思路是：在設計方案的優化后，通過動態計算模型，按施工過程對圍護結構進行逐次分析，預測圍護結構在施工過程中的性狀，例如位移、沉降、土壓力、孔隙水壓力、結構內力等，并在施工過程中采集相應的信息，經處理后與預測結果比較，從而作出決策，修改原設計中不符合實際的部分。將所采集的信息作為已知量，通過反分析推求較符合實際的土質參數，并利用所推求的較符合實際的土質參數再次預測下一施工階段圍護結構及土體的性狀，又采集下一施工階段的相應信息。如此反復循環，不斷采集信息，不斷修改設計并指導施工，將設計置于動態過程中。通過分析預測指導施工，通過施工信息反饋修改設計，使設計及施工逐漸逼近實際。
動態設計就是要使設計盡可能逼近實際情況，充分挖掘圍護結構潛力，實現圍護結構的經濟和安全二者達到最佳狀態。
結語
對于基坑這類具有相當復雜性和不確定性的工程，設計工作往往只能得到在某種條件下的近似的預估值，因此對某特定的基坑工程，全面考察其影響土壓力的所有因素，提出盡可能符合實際土壓力計算模式是重要的一步。應該著重強調的是，在完善傳統設計理論和方法，研究、開發和推廣更適用于基坑工程特性的新理論、新方法（如數值分析方法）的同時，進行動態設計和信息化施工是必須的，而施工監測是其最重要的手段，它一方面檢經驗設計的正確性，另一方面有利于積累資料為改進設計理論和施工技術提供依據。施工監測的數據和成果是判別設計是否安全和經濟的依據，也成為工程決策機構必不可少的“眼睛”和“了望塔”，應當納入工程法規，通過指令強制推行。這樣才能有效地確保基坑圍護的設計盡可能地逼近工程實際狀況，既避免造成浪費，又可減少甚至杜絕工程事故的發生，真正達到工程技術人員一直追求的最優設計。
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