高清PDF《基坑工程实例6 》龚晓南 主编 2016年

前言
为了更好地交流基坑工程领域的新鲜经验，2006 年起配合中国建筑学会建筑施工分会基坑工程专业委员会两年- -次召开学术年会之际，组织全国各地专家编写基坑工程实例，出版《基坑工程实例》系列丛书，至今已出版5册。每个工程实例-般包括以下 7个方面内容:工程简介及特点:工程地质条件(含土层物理力学指标表和一典型工程地质剖面):基坑周边环境情况(应含建筑物基础简况，管线、道路情况等)，根据需要附平面图;基坑旧护平面图:基坑围护典型剖面图(1~2 个);简要实测资料和点评。今结合第九届全国基坑工程学术讨论会(郑州，2016) 出版《基坑工程实例6)。《基坑工程实例6》共收集42个工程实例。在出版《基坑工程实例6》之际，笔者就基坑工程特点。基坑围护体系设计原则及有关设计的几点讨论、基坑工程地下水控制、基坑工程环境效应及对策、基坑工程事故原因分析、基坑工程应重视的几个问题等几个问题谈谈笔者的意见，望能得到广大同行指正。
1.基坑工程特点
近年来笔者常谈到岩土工程的研究对象“土”(包括岩和土)的工程特性对岩土工程学科特性有着深远且决定性的影响。基坑工程是典型的岩土工程。在讨论基坑工程的特点之前应首先讨论土的特殊性。土与其他土木工程材料的不同之处在于，土是自然、历史的产物。土体的形成年代。形成环境和形成条件的不同都可能使土体的矿物成分和土体结构产生很大的差异，而土体的矿物成分和结构等因素对土体工程性质有很大的影响。土的特殊性主要表现在下述几个方面:
土是自然、历史的产物。这决定了土体性质不仅区域性强，而且即使在同一场地、同-层土，土体的性质沿深度方向和水平方向也会存在差异，有时甚至差异很大。
沉积条件、应力历史和土体性质等对天然地基中的初始应力场的形成均有较大影响，因此地基中的初始应力场分布也很复杂。- -般情况下，地基土体中的初始应力随着深度增加不断变大。天然地基中的初始应力场对土的抗剪强度和变形特性有很大影响。地基中的初始应力场分布不仅复杂，而且难以精确测定。
土是一种多相体，一般由固相、液相和气相三相组成。土体中的三相有时很难区分。
土中水的存在形态很复杂。以粘性土中的水为例，土中水有自由水、弱结合水、强绪合水、结晶水等不同形态。粘性土中这些不同形态的水很难严格区分和定量测定，而且随着条件的变化土中不同形态的水之间可以相互转化。土中固相-般为无机物。但有的还含有有机质。土中有机质的种类、成分和含量对土的工程性质也有较大影响。土的形态各异，有的呈散粒状，有的呈连续固体状，也有的呈流塑状。有干土、饱和状态的土、非饱和状态的土，而且处于不同状态的土因周围环境条件的变化，相互之间还可以发生转化。例如当荷载、渗流、排水条件、温度等环境条件发生变化时，干土、饱和状态的土和非饱和状态的土可以相互转化。

天然地基中的土体具有结构性，其强弱与土的矿物成分、形成历史、应力历史和环境条件等因素有较大关系，对土体性状有较大影响。
土体的强度特性、变形特性和渗透特性需要通过试验测定。在进行室内土工试验时，原状土样的代表性、取样和制样过程中对土样的扰动、室内试验边界条件与现场边界条件的不同等客观因素，会使测定的土性指标与地基中土体的实际性状产生差异，而且这种差异难以定量估计。在原位测试中，现场测点的代表性、埋设测试元件过程中对土体的扰动以及测试方法的可靠性等因素所带来的误差也难以定量估计。
各类土体的应力应变关系都很复杂，而且相互之间差异也很大。同一土体的应力应变关系与土体中的应力水平、边界排水条件、应力路径等都有关系。大部分土的应力应变关系曲线基本上不存在线性弹性阶段。土体的应力应变关系与线弹性体、弹塑性体、粘弹塑性体等都有很大的差距。土体的结构性强弱对土的应力应变关系也有很大影响。
土的上述特性对基坑工程特性有重要影响。笔者认为基坑工程特点可从下述八个方面.来分析:
(1)基坑围护体系是临时结构，设计标准考虑的安全储备较小，因此风险性较大除少数:基坑围护结构同时用作地下结构的“二墙合- _” 围护结构外，基坑围护结构一般是临时结构。临时结构与永久性结构相比，设计标准考虑的安全储备较小，因此基坑工程与一般结构工程相比具有较大的风险性。因此，对基坑工程设计、施工和管理等各个环节应提出更高的要求.
(2)岩土工程条件区域性强
场地工程地质条件和水文地质条件对基坑工程性状具有极大影响。软粘土、砂性土、黄土等地基中的基坑工程性状差别很大。同是软粘土地基，天津、上海、杭州、宁波、温州、福州、湛江、昆明等各地软粘土地基的性状也有较大差异。地下水。特别是承压水对基坑工程性状影响很大。笔者曾调查分析武汉、上海、 杭州、天津、北京等地的承压水性状，发现区域性差异很大。因此，基坑工程设计、施工一定要因地制宜，重视区域性特点。
(3)环境条件影响大
基坑工程不仅与场地工程地质条件和水文地质条件有关，还与周围环境条件有关。周围环境条件较复杂时(例如要保护周围的地下建(构)筑物)。需要较严格控制围护结构体系的变形，此时基坑工程应按变形控制设计。若基坑处在空旷区，围护结构体系的变形不会对周围环境产生不良影响，则基坑工程可按稳定控制设计。几乎每个基坑工程的周围环境条件都有差异，因此应重视对基坑周围环境条件的调查分析，既要重视周围环境对基坑工程性状的影响，也要重视基坑工程对周围环境的影响。
(4)时空效应强
基坑工程的空间大小和形状对围护体系的工作性状具有较大影响。在其他条件相同的情况下，面积大，风险大:形状变化大，风险大:面积相同时，正方形比圆形风险大。基坑周边凸角处比凹角处风险大。基坑土方的开挖顺序对基坑围护体系的工作性状也具有较大影响。这些经验表明，基坑工程的空间效应很强。
另外，土具有蠕变性，随着土体蠕变的发展。土体的变形增大，抗剪强度降低。因此基坑工程具有时间效应。在基坑图护结构设计和土方开挖中要重视和利用基坑工程的时空效应。
(5)设计计算理论不完善，基坑工程设计应重视概念设计理念
作用在围护结构上的主要荷载是土水压力。其中，土压力大小与土的抗剪强度、围护结构的位移、作用时间等因素有关，其精确计算很困难。另外，土水压力计算是采用土水合算还是土水分算也很复杂。基坑围护体系是一个很复杂的体系，其设计计算理论虽然在不断发展与进步，但不可能完善。作用在困护结构上的荷载需要设计人员认真分析、合理选用。为此，基坑围护结构设计中应重视地区经验，采用概念设计的理念进行设计。
(6)学科综合性强
基坑工程涉及岩土工程和结构工程两个学科，要求基坑工程设计和施工人员较好掌握岩土工程和结构工程知识。人们常说岩土工程主要有稳定、变形和渗流三个基本课题。基坑工程涉及岩土工程中的稳定，变形和渗流三个基本课题。可以说，基坑工程是最典型的岩土工程之一。.
(7)系统性强
基坑围护体系设计、围护体系施工、土方开挖、地下结构施工是- -个系统工程。围护体系设计应考虑施工条件的许可性，尽量利于施工.围护体系设计应对基坑工程施工组织提出要求，对基坑工程监测和基坑围护体系变形允许值提出要求。基坑工程需要加强监测，实行信息化施工。
(8)环境效应强
基坑围护体系的变形和地下水位变化都可能对基坑周围的道路、地下管线和建筑物产生不良影响，严重的可能导致破坏。然而，对基坑围护体系变形和地下水位变化大小的预估和控制是比较困难的，特别是在深厚软土地区。基坑工程的环境效应强，其设计和施工- -定要重视环境效应。通过精心设计、认真监测，实行信息化施工，合理控制围护体系的变形:和地下水位变化，必要时还需采取工程保护措施，减少基坑工程施工对周围环境的影响。
不断加深对基坑工程上述特点的认识，提高风险意识十分重要。通过基坑工程事故分析，人们不难发现:绝大多数基坑工程事故都与设计、施工和管理人员对上述基坑工程特点缺乏深刻认识，未能采取有效措施有关.
2.基坑围护体系设计原则及有关基坑围护体系设计的讨论基坑围护体系设计要坚持安全、经济、环境友好、方便施工的原则。
影响基坑性状的因素很多，主要有场地的工程地质和水文地质条件，周边环境条件，基坑的开挖深度、平面形状和面积大小等影响因素。基坑困护设计一定要学会抓住主要矛盾。例如。要认真分析基坑围护的主要矛盾是围护体系的稳定问题，还是需要控制围护体系的变形问题?基坑围护体系产生稳定和变形问题的主要原因是土压力问题，还是地下水控制问题?以杭州城区为例，工程地质分区主要有两类: - -类是深厚软粘土地基，另- -类是砂性土地基。两类地基中的地F水位都很高，但由于土的渗透系数相差很大，土中水的性状截然不同。深厚软粘土地基中的基坑围护体系主要解决土压力引起的稳定和变形问题，该条件下的基坑工程事故往往是工程技术人员对作用在挡墙上的土压力估计不足造成的:而砂性土(粉性土)地基中的基坑围护体系主要要解决问题是地下水控制问题，此时基坑工程事故往往是工程技术人员未能有效控制地下水造成的。

在设计基坑工程围护体系时，要重视由于围护体系失败或土方开挖产生的周边地基变形对周围环境和工程施工造成的影响。当场地开阔、周边没有建(构)筑物和市政设施时，基坑围护体系的主要要求是自身的稳定性，此时可以允许围护结构及周边地基发生较大的变形。在这种情况下，可按围护体系的稳定性要求进行设计。当基坑周边有建(构)筑物和市政设施时，应评估其重要性，分析其对地基变形的适应能力，并提出基坑围护结构变形和地面沉降的允许值。在这种情况下，围护体系设计不仅要满足稳定性要求，还要满足变形控制要求。围护体系往往按变形控制要求进行设计。
按稳定控制设计只要求基坑围护体系满足稳定性要求，允许产生较大的变形;而按变形控制设计不仅要求围护体系满足稳定性要求，还要求围护体系变形小于某-控制值。 由于作用在围护结构上的土压力值与位移有关，在按稳定控制设计或按变形控制设计时，作为荷载的土压力设计取值是不同的。在选用基坑围护型式时应明确是按稳定控制设计，还是按变形控制设计。当可以按稳定控制设计时，采用按变形控制设计的方案会增加较多的工程投资，造成浪费;当需要按变形控制设计时，采用按稳定控制设计的方案则可能对环境造成不良影响，甚至酿成事故。
基坑围护体系按变形控制设计时，基坑围护变形控制量不是愈小愈好，也不宜统一规定。设计人员应以基坑变形对周围市政道路、地下管线、建(构)筑物不会产生不良影响，不会影响其正常使用为标准，由设计人员合理确定变形控制量。
根据基坑周边环境条件，首先要确定采用按稳定控制设计，还是按变形控制设计。该设计理念至今尚未引起充分重视，或者说尚未提到理论的高度。现有的规程规范、手册，以及设计软件均未能从理论高度给子区分，多数有经验的设计师是通过綜合判断调整设计标准来区分的。笔者认为我国已有条件推广根据基坑周边环境条件采用按稳定控制设计还是按变形控制设计的设计理念，从而进. -步提高我国的基坑围护设计水平。
基坑围护体系设计应进行优化设计。基坑围护体系优化设计主要分两个层面: - -是通过多方案比较分析，选用合理的基坑围护结构类型:二是确定合理的围护结构类型后，对具体的结构体系进行优化。
岩土工程的研究对象“土”。其工程特性决定了岩土工程设计应具有概念设计的特点。
基坑工程围护体系很复杂，不确定因索很多。土压力的合理选用，计算模型的选择，计算参數的确定等都需要岩土工程师综合判断，因此基坑围护体系设计的概念设计特性更为明显。太沙基作出的“岩土工程与其说是一门科学，不如说是一门艺术(Geotechnology isan art rather than a science. )”的论述对基坑工程更为适用。岩土工程分析在很大程度上取决于工程师的判断，具有很强的艺术性。这些原则在指导基坑围护体系设计更为重要。
基坑围护体系设计要求详细了解场地工程地质和水文地质条件，了解土层形成年代和成因，掌握土的工程性质;详细掌握基坑周围环境条件，包括道路、地下管线分布、周围建筑物以及基础情况;待建建筑物地下室结构和基础况。根据.上述情况，结合工程经验，进行综合分析，确定是按稳定控制设计还是按变形控制设计。根据综合分析，合理选用基坑围护型式，确定地下水控制方法。在设计计算分析中合理选用土压力值，强调定性分析和定量分析相结合，抓住主要矛盾。在计算分析的基础上进行工程判断，在工程判断时强调综合判断，在此基础上完成基坑圆护体系设计。
在基坑围护结构设计中，土压力值的合理选用是首先要解决的关键问题。影响土压力值合理选用的因素主要有下述几个方面:
在设计基坑围护结构时，人们通常采用库伦土压力理论或朗肯土压力理论计算土压力值。根据库伦或朗肯土压力理论计算得到的主动土压力值和被动土压力值都是指挡墙达到一定位移值时的土压力值。实际工程中挡墙往往达不到理论计算要求的位移值。当位移偏小时，计算得到的主动土压力值比实际发生的土压力值要小，而计算得到的被动土压力值比实际发生的:土压力值要大。挡墙实际位移值对作用在挡墙上的土压力值的影响应予以重视。

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