工程施工中深基坑支护安全研究

张培明　赵志慧

摘要:在进行深基坑施工时,必须确保施工安全,防止塌方事故发生,必须对开挖的建筑基坑采取支护措施,文章分析了当前深基坑支护存在的安全问题,提出了深基坑支护设计中的注意事项和预防措施。

关键词:深基坑施工;基坑支护结构;深基坑支护

中图分类号:TU473 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)21-0126-02

一、深基坑的施工安全的重要性

近几年来,高层建筑的迅速兴起,促进了深基坑支护技术的发展。各地在深基坑开挖和支护技术方面积累了

丰富的设计和施工经验,新技术、新结构、新工艺不断涌现。但是,现在的城市建筑间距很小,有的基坑边缘距已有建筑仅十几米、甚至几米,给基础工程施工带来很大的难度,给周围环境带来极大威胁,也相应地增加了施工工期和施工费用。另外,原来的深基坑支护结构的设计理论、设计原则、运算公式、施工工艺等,已不符合深基坑开挖与支护结构的实际情况,导致一些基坑工程出现事故,造成巨大的损失。因此,深基坑支护的安全问题工程技术人员应予以高度重视。

在深基坑施工时,为确保施工安全,防止塌方事故发生,必须对开挖的建筑基坑采取支护措施。建筑基坑支护设计与施工应综合考虑工程地质与水文地质条件、基坑类型、基坑开挖掘深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求,基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素,做到合理设计、精心施工、经济安全。

二、深基坑支护存在的问题

(一)支护结构设计中土体的物理力学参数选择不当

深基坑支护结构所承担的土压力大小直接影响其安全度,但由于地质情况多变且十分复杂,要精确地计算土压力目前还十分困难,至今仍在采用库伦公式或朗肯公式。关于土体物理参数的选择是一个非常复杂的问题,尤其是在深基坑开挖后,含水率、内摩擦角和黏聚力三个参数是可变值,很难准确计算出支护结构的实际受力。

在深基坑支护结构设计中,如果对地基土体的物理力学参数取值不准,将对设计的结果产生很大影响。土力学试验数据表明:内磨擦角值相差5°,其产生的主动土压力不同;原土体的内凝聚力与开挖后土体的内凝聚力,则差别更大。施工工艺和支护结构形式不同,对土体的物理力学参数的选择也有很大影响。

(二)基坑土体的取样具有不完全性

在深基坑支护结构设计之前,必须对地基土层进行取样分析,以取得土体比较合理的物理力学指标,为支护结构的设计提拱可靠的依据。一般在深基坑开挖区域内,按国家规范的要求进行钻探取样。为减少勘探的工作量和降低工程造价,不可能钻孔过多。因此,所取得的土样具有一定的随机性和不完全性。但是,地质构造是极其复杂、多变的、取得的土样不可能全面反映土层的真实性。因此,支护结构的设计也就不一定完全符合实际的地质情况。

(三)基坑开挖存在的空间效应考虑不周

深基坑开挖中大量的实测资料表明:基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两边小。深基坑边坡的失稳,常常以长边的居中位置发生。这足以说时深基坑开挖是一个空间问题。传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问题处理的。对一些细长条基坑来讲,这种平面应变假设是比较符合实际的,而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。所以,在未进行空间问题处理前而按平面应变假设设计时,支护结构要适当进行调整,以适应开挖空间效应的要求。

(四)支护结构设计计算与实际受力不符

目前,深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论,但支护结构的实际受力并不那么简单。工程实践证明,有的支护结构按极限平衡理论设计计算的安全系数,从理论上讲是绝对安全的,但有时却发生破坏;有的支护结构安全系数虽然比较小,甚至达不到规范的要求,但在实际工程中却满足要求。

极限平衡理论是深基坑支护结构的一种静态设计,而实际上开挖后的土体是一种动态平衡状态,也是一个土体逐渐松弛的过程,随着时间的增长,土体强度逐渐下降,并产生一定的变形。所以,在设计中必须充分考虑到

这一点。

三、深基坑支护设计中的注意事项

(一)彻底转变传统的设计理念

近十几年来,我国在深基坑支护技术上已经积累很多实践经验,收集了施工过程中的一些技术数据,已初步摸索出岩土变化支护结构实际受力的规律,为建立深基坑支护结构设计的新理论和新方法打下了良好的基础。但是,对于深基坑支护结构的设计,国内外至今尚没有一种精确的计算方法,多数是处于摸索和探讨阶段,我国也没有统一的支护结构设计规范。土压力分布还按库伦或朗肯理论确定,支护桩仍用“等值梁法”进行计算。其计算结果与深基坑支护结构的实际受力悬殊较大,既不安全也不经济。由此可见,深基坑支护结构的设计不应再采用传统的“结构荷载法”,而应彻底改变传统的设计观念,逐步建立以施工监测为主导的信息反馈动态设计体系。这是设计人员需要加强科研攻关的方向。

(二)建立变形控制的新的工程设计方法

目前,设计人员用的极限平衡原理是一种简便实用的常用设计方法,其计算结果具重要的参考价值。但是,将这种设计方法用于深基坑支护结构,只能单纯满足支护结构的强度要求,而不能保证支护结构的刚度。众多工程事故就是因为支护结构产生过大的变形而造成的。鉴于上述实际,在建立新的变形控制设计法时,应着重研究支护结构变形控制的标准、空间效应转化为平面应变和地面超载的确定及其对支护结构的影响等问题。

(三)大力开展支护结构的试验研究

正确的理论必须建立在大量试验研究的基础上。但是,在深基坑支护结构方面,我国至今尚未进行科学系统的试验研究。一些支护结构工程成功了,也讲不出具体功之处;一些支护结构工程失败了,也说不清失败的真实原因。在支护工程施工的过程中积累的技术资料很丰富,但缺少科学的测试数据,无法进行科学分析,不能上升到理论的高度,这是一个很大的缺陷。

开展支护结构的试验研究(包括实验室模拟试验和工程现场试验),虽然要耗费部分资金,但由于深基坑支护工程投资巨大,如经过科学试验再进行设计时,肯定会节省可观的经费。因此,工程现场试验是非常必要的。通过工程实践积累大量的测试数据,可对同类工程的成功打好基础,为理论研究和建立新的计算方法提供可靠的第一手资料。

(四)探索新型支护结构的计算方法

高层建筑的飞速发展给深基坑支护结构带来一场技术革命。在钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙等支护结构成功应用后,双排桩、土钉、组合拱帷幕、旋喷土锚、预应力钢筋混凝土多孔板等新的支护结构型式也相继问世。但是,这些支护结构型式的计算模型如何建立、计算简图怎样选取、设计方法如何趋于科学,仍是当前新型支护结构设计中急需解决的问题。

目前,深基坑支护结构正在向着综合性方向发展,即受力结构与水结构相结合、临时支护结构与永久支护结构相结合、基坑开挖方式与支护结构型式相结合。这几种结合必然使支护结构受力复杂。所以,建立新型支护结构的计算方法,已成为深基坑工程技术的当务之急。

四、结论

深基坑的开挖与支护结构是一个系统工程,涉及工程地质、水文地质、工程结构、建筑材料、施工工艺和施工管理等多方面。是集土力学、水力学、材料才学和结构力学等于一体的综合性学科。支护结构又是由若干具有独立功能的体系组成的整体。正因如此,无论是结构设计还是施工组织都应当从整体功能出发,将各组成部分协调好,才能确保它的安全可靠、经济合理。

作者简介:张培明,男,河南省第一建筑工程集团有限责任公司助理工程师,研究方向:建筑施工管理等;赵志慧,女,河南省第一建筑工程集团有限责任公司助理工程师,研究方向:建筑施工管理等。