岩土工程中的深基坑支护设计问题和解决措施

2023-01-25蓝会宾

中国建筑金属结构 2022年12期

蓝会宾

0 引言

随着城市化进程逐步加快，建筑行业的发展日新月异，建筑物数量不断攀升，建筑物密度增大，基坑深度加深，导致岩土工程深基坑支护作业存在一定的困难。深基坑支护设计是开展支护作业的基础性工作，直接影响到工程建设的整体质量。深基坑支护设计的质量受到多方面因素的影响，为了提高工程建设质量，保证施工安全，要提高深基坑支护设计的严密性与准确性，加强深基坑支护设计技术的应用，制定完善的深基坑支护方案，为实际施工奠定扎实的基础。

1 深基坑支护的流程

深基坑即土方开挖深度大于等于5m的基坑，包括虽然开挖深度没有达到5m，但是地质条件、土层环境、地下管线等较为复杂的基坑。深基坑支护工程是为了保证基坑四周的安全，对基坑实施支护、加固、架设等保护措施的工程。深基坑支护流程繁杂，具体包括前期准备→勘探现场、平整场地、清理障碍物→坑壁支护→降水排水→土方开挖→监测清底。深基坑支护设计是保证支护工程顺利有序开展的基础，在设计时要做到面面俱到，预测可能会对深基坑施工造成影响的因素并融入设计工作中，提高深基坑支护设计质量。岩土工程地质环境复杂，传统的深基坑支护设计技术难以满足实际的设计需要，导致后期施工存在安全隐患。在深基坑支护设计过程中应当加强先进技术的应用，采取切实可行的措施解决设计中存在的问题，保证深基坑支护结构体系设计的可靠性与合理性，在深基坑工程项目正式进行中，保证支护体系的稳定与安全。

2 深基坑的主要特征

2.1 涉及面广泛

深基坑工程往往涉及多个课题，例如岩土力学中的变形、强度、渗流，岩土工程深基坑支护是一项复杂的系统性工程。深基坑支护与基坑周围土层变形、围护结构强度等都具有非常紧密的联系。同时深基坑还与基坑、边坡及地上建筑安全产生影响，牵一发而动全身，如果深基坑出现危险，将会对周围建筑物及施工产生影响。

2.2 时空效应影响

时空效应是指深基坑在开挖后，上部的土方被挖掉，基坑暴露，打破地层原有的荷载平衡，基底土方产生引力释放，引发地基土方变形，坑底隆起。时空效应对深基坑支护的影响不容小觑，随着时间的流逝，时空效应导致支护体系承受的荷载发生改变，土体的强度不断减弱，土坡的稳定性下降，对基坑的安全性、稳定性，以及工程项目施工造成影响。

2.3 工程量大、环境复杂、风险大、危险性高

由于深基坑的开挖深度通常超过5m，开挖难度系数更高，工程量更多，工序更加复杂，加上施工现场自然环境与社会环境的影响，要想在有限工期内完成，必须做好支护设计，为有序开展施工奠定基础。深基坑支护属于临时结构体系，安全储备不高，且需要应对突如其来的各种变化，导致支护工程存在较大的风险，施工存在一定的不确定性。为了降低风险发生的可能性，需要提高设计标准，加强设计技术的应用。

3 深基坑支护设计的相关内容

岩土工程深基坑支护设计方案包含多个内容，涉及到围护结构形式、支撑、锚固系统、地下水处理、基坑支护施工设计，其中最主要的是支护体系的结构强度与变形验算，在支护设计中要综合土压力、降排水条件、地面承载能力、水压力、岩土参数等进行科学考虑，同时考虑支护结构的极限状态，提高支护结构强度，如果承载力超过支护结构能够承受的极限状态，有可能导致支护结构失稳或变形，影响后续施工。通过深基坑支护的科学设计，确定具体支护方案，如排桩支护、钢板桩支护等，在合理的支护方案下，保证深基坑项目的安全进行。因此，必须做到因时、因地制宜，科学合理进行深基坑支护设计，切实提高深基坑支护设计质量。

4 岩土工程中的深基坑支护设计问题分析

某城市广场基坑周长约330m，原设计地下室3层，基坑开挖深度为15m。该基坑东侧为城市交通干道,地下为地铁干线，地铁隧道结构边缘与本基坑东侧支护结构距离为5.7m；基坑西侧、北侧邻近护城河；基坑南侧东部距离住宅小区20m。为保障周围住宅安全，施工单位需要结合该施工区域地质情况，探究基坑支护设计问题，以下内容将对相关问题进行详细分析。

4.1 力学参数设计不合理

在上述工程岩土工程深基坑支护设计中，力学参数缺乏合理性是非常普遍的问题。深基坑地层间非均质性严重，属于不均匀型地质，地层的应力处于不断变化的状态，地质复杂且多变，每层岩土的力学参数差异较大[1]。同时，由于土体取样不合理、人员操作不恰当等因素的影响，影响岩土的物理力学参数设计，岩土的粘聚力、内摩擦角、含水量三个参数都处于变化状态，要想准确计算支护结构的实际受力，难度非常大。设计人员在进行岩土压力分析时力学分析不到位，计算岩土压力不准确，对后续选择深基坑支护结构以及施工技术造成影响，导致施工中不确定因素增加。

4.2 基坑土体取样缺乏参考价值

在该工程深基坑支护设计之前，要对基坑的土体进行勘察、取样，明确土体的力学指标与物理参数，对后续基坑支护设计与实际施工具有重要的参考价值。在实际的土体取样过程中，需要选取具有代表性的岩土样本用于检测[2]。岩土工程取样具有一定的特殊性，需要更多的岩土样本进行反复检测，一些单位为了加快取样进度，仅凭工作经验，减少钻孔次数，土体取样数量少，岩土样本的参考价值降低，岩土检测结果缺乏代表性，导致岩土取样整体质量不高。

4.3 边坡堆载问题

深基坑支护设计需要考虑边坡堆载问题，在深基坑支护施工过程中，土方堆放与机械停靠容易给边坡增加超量荷载，基坑上口边缘堆载过大，一旦荷载超过基坑的极限承受能力，就会出现边坡失稳的情况，土体强度下降，进而引发工程事故。因此，在深基坑支护设计过程中要采取恰当的预防措施，提高深基坑的承载能力，减轻基坑上口边缘堆载的重量。

4.4 地下水处理问题

地下水是深基坑支护工程中的一个重难点，容易导致基坑沉降、流砂、管涌、土体隆起，支护结构发生位移、变形等问题。如果地下水位过高，作用在支护结构上的压力过大，就更容易出现结构变形的情况。如果地下水流量过大、流速过快，还容易引发基坑坍塌。在深基坑支护设计时要特别注意这一问题，采用科学的技术措施，提高土体的耐压强度[3]。

4.5 开挖与支护统一性不足

在岩土工程中，需协调好开挖与支护施工，保证施工进度合理进行，确保施工的安全可靠进行。但在实际施工过程中，开挖与支护不统一的问题比较常见。地质情况相对比较复杂，在参数计算时会发生不精准的情况，让开挖与支护出现失调的情况；同时一部分施工单位为降低成本，缩短工期，不按照标准与要求取样，导致结果与实际情况相差较大，影响开挖与支护的统一性；一部分施工人员缺乏对空间效应产生影响的分析，造成差异较大，影响开挖与支护的统一性。

5 岩土工程中的深基坑支护设计问题的改进对策

为解决上述工程深基坑支护设计存在的问题，需要采取以下几种针对性的解决策略。

5.1 关于力学参数设计不合理问题的改进

在该工程深基坑支护设计中，周边建筑较多，支护结构受力复杂，岩土参数如何取值尤为重要。为解决力学参数设计不合理的问题，可根据地质情况、土工试验、参数建议值等综合确定。在深基坑支护设计时，采用新型支护结构计算方法，综合考虑地质、水文、气象等多方面因素[4]。深基坑支护设计中最重要的力学参数就是岩土的抗剪强度指标，抗剪强度参数包括内摩擦角ϕ与粘聚力c。测定抗剪强度指标主要采用总应力法，又称作“ϕu取零法”，适用于不透水或者弱透水的黏土层。总应力是土地承受的单位面积总力，针对饱和黏性土的抗剪强度变化趋势如图1所示。

图1 饱和黏性土抗剪强度变化趋势

采用总应力法，ϕu的取值为0不变，Cu代表土体的不排水抗剪强度，σ3是土体的水平方向应力，σ1是土体的垂直方向应力，σZ为总应力，Pa为主动土压力强度，计算主动土压力强度可以应用公式（1）：

在计算时可以使用三维计算程序，保证计算的精准性与可靠性，通过模型能简化计算，反映空间效应。通过计算，可以得出较为准确的岩土力学参数，但是由于土层的复杂性，在应用时应根据实际情况作出修正，不断更新岩土力学参数计算方法，提高设计质量。

5.2 关于基坑土体取样问题的改进

土层取样分析在深基坑支护结构设计中十分重要，在取土样的合理分析下，可以对土体的物力学指标进行确定，为深基坑支护结构设计提供参考与支持。针对基坑土体取样，为了提高取样工作的实效，通常采用环刀取样法。当深基坑面积超过300m2时，每隔50～100m2应当布置的检验点数量为1个。当深基坑面积不超过300m2时，每隔30～50m2应当布置1个检验点。环刀取样法需要先挖掘出岩土剖面，在取样过程中分层取样，每层重复三次。操作中环刀刃口垂直向下、平稳不晃，取出土样后将环刀周围的土清理干净并立即封盖，避免土壤水分蒸发。同时，立即对取样土进行称重，精确到0.01g并详细记录。为了不让环刀内的土样受到外力作用影响，应当将环刀内取足土样。土壤取样后放入密封盒，避阴放置，根据检验土体的含水率与干密度测定土体压实系数。

5.3 关于边坡堆载问题的改进

为控制边坡堆载问题，工程深基坑距离坑槽上部边缘1m范围内不能堆放弃土及物料，应当在距离坑顶超过1m的位置堆放，堆土的高度不能超过1.5m。重型机械、设备应当放在基坑1.5m外的位置。如果出现边坡超载，应当进行边坡稳定性验算。边坡稳定性系数计算公式为式（2）：

如果计算出的边坡稳定性系数等于1，可以确定坡体处于极限平衡状态，如果系数高于1，可以判定边坡较为稳定，如果系数低于1，证明边坡可能遭到破坏，边坡的稳定性低。为了提高边坡的稳定性，可以对土体进行削坡处理，减缓边坡角度、降低边坡高度，增强边坡的稳定性。

5.4 关于地下水处理问题的改进

地下水降水设计是基坑全面积设防，在设计前要对基坑范围内承压水层的顶板埋深的变化进行查阅与了解，抗突涌验算和确定降水深度需按照埋深标高及相应部位的开挖深度予以确定，在含水层标高及基础埋深基础上，合理布置降水井。在深基坑支护设计时要注意地下水问题，制定科学的地下水控制方案，地下水处理有明沟加集水井降水、轻型井点降水、深井井点降水等多种方法，方案的选择应根据工程实际进行。在地下水处理问题中，要特别注意降水设计有关参数的取值。首先，水位降深，设计降水深度在基坑范围内通常不低于基坑底面以下0.5m，如果工程涉及多层地下水时，应当根据各含水层的地下水位确定降水深度。降水深度的计算公式为式（3）：

其次，要注意渗透系数的计算，渗透系数的取值直接影响降水工程可行性，渗透系数的大小主要受到土壤质地、不均匀系数和水体粘滞性的影响。可以通过抽水试验，在基坑100m范围内抽取地下水，通过公式（4）计算渗透系数：

其中，K为渗透系数；u为孔隙介质的渗透率，η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度。通常情况下，渗透系数愈大，岩石透水性愈强。对于一些无法进行抽水试验操作的地区，无法准确获取水体参数，可参考渗透系数的经验值进行取值。强透水的粗砂砾石层渗透系数通常大于10m/昼夜，弱透水的亚沙土渗透系数为1～0.01m/昼夜，不透水的黏土渗透系数通常小于0.001m/昼夜，利用渗透系数数值，还可以计算水井出水量、水库渗漏量，为解决地下水处理问题提供更科学的数据支撑。

5.5 保持开挖与支护的统一性

除了做好地质调查与参数计算、取样工作之外，还要重视下面几项内容：第一，加强设计前的准备工作。在岩土工程深基坑支护设计工作前，要求项目单位必须做好准备工作。设计人员要做好资料收集，了解项目现场的地形、建筑总平面图等相关信息，在完成收集工作后需做好分析，对基坑底的开挖标高进行确定，对基坑各侧的开挖深度予以了解。要对地质勘查报告进行仔细阅读，了解项目所在地的地质分布情况，如果在分析过程中发现软弱土层，一定要及时了解相关参数，确定岩土力学性质。做好挡土墙设计，选择合理的挡土墙类型，并且要合理设置排水沟，以便能够在开挖的同时，防止基边出现滑落现象，确保基坑内积水可以及时通过排水沟排除，实现开挖与支护的统一，确保深基坑支护结构体系的安全，避免支护体系发生变形、沉降等各类问题。

要加强岩土资料的收集，岩土工程勘查工作顺利完成的前提是岩土资料的详细收集。岩土资料的收集一定要全面，且要考虑各个因素，为后期的科学决策提供支持。通过对勘察重点情况的仔细分析，能对项目进行全面评估，科学进行深基坑的开挖与支护设计，避免在深基坑开挖与支护中出现偏差与问题。在做好上面几项工作后，必须积极进行基坑支护设计的试验，对岩土工程结构整体问题的安全性与可靠性进行分析，比如土层试验、混凝土强度试验等。