浅谈基坑工程的概念设计

付亚鑫

（秦皇岛鑫冶勘察基础工程有限公司，河北 秦皇岛 066000）

1 基本概念

1.1 土压力计算的水土分算与合算

有效应力原理，是土力学最重要最基本的原理之一，也是基坑工程设计者必须深刻理解牢牢掌握的基本概念。如果不熟悉有效应力原理，选择试验方法时就会陷入盲目性。无论应力路径还是排水条件，试验条件与现场条件不可能完全一致，只能近似地选用较合理的方法。

采用水土分算还是水土合算方法计算土压力是当前有争议的问题。按照有效应力原理，土中骨架应力与水压力应分别考虑。从原理分析，“土水分算”优于“土水合算”，因水土分算方法概念较清楚，符合有效应力原理，但在实际应用中也存在有效指标确定困难与无法考虑土体在不排水剪切时产生的超静孔压影响等问题。

1.2 土压力计算中的强度指标

三轴剪优于直剪。但在做实际工程设计时不一定如此，因为实际操作时，三轴试验费时费力，对土样质量要求高，对试验人员素质要求高，否则试验成果不稳定，甚至反而不可靠。

按照土力学基本理论，采用水土合算原则计算土压力时，相应的抗剪强度指标应采用土的总应力强度指标C、φ。采用水土分算原则计算土压力时，相应的抗剪强度指标应采用土的有效应力强度指标C/、φ/。然而，目前的基坑工程设计中通常还是采用直剪固结快剪指标C、φ进行设计计算的。这固然与基坑工程设计的习惯有关，也与目前的岩土工程勘察报告中一般不提供土的有效强度指标C/、φ/数值，仅少量工程提供三轴固结不排水剪指标Ccu、φcu的现状有很大关系。

从符合土力学基本原理以及不断提高基坑工程设计水平的需要出发，基坑工程土压力计算应逐步向采用三轴固结不排水剪指标Ccu、φcu的方向发展。

此外，常规三轴试验通常是与竖向加荷情况相对应。在基坑开挖过程中，土体的应力路径与竖向加荷情况不同，坑底土和墙后土分别表现为竖向卸荷与侧向卸荷。由于土体的强度指标与应力路径关系密切，因此合理的强度指标确定方法应根据基坑开挖工程的特点，通过三轴卸荷试验进行。

1.3 地下水

分析基坑工程失败原因可知，直接或间接与地下水有关的占大多数，这就与设计者不熟悉水文地质原理，不清楚水文地质的基本概念有关。

强透水性地层具有静水压力，众所周知，没有争议；弱透水性地层有没有静水压力，看法就不同了。有时，弱透水层的开挖面上出水很少，并不说明静水压力低，而是由于不符合静水压力的条件。

有多层地下水且有越流渗透条件时，流线和水头的分布也不同于静水条件。因此，设计者必须牢牢掌握渗流运动的原理，当有稳定渗流时（包括越流渗透、坑内或坑外降水）进行流网分析，有利于掌握基本概念，合理地进行地下水控制设计。

2 基坑工程计算分析

基坑工程设计时进行计算是不可缺少的，但也不能盲目相信计算。应从定性的概念分析人手，抓住关键问题，在定性分析的基础上进行定量分析。

2.1 挡土结构上的土压力计算是个比较复杂的问题，从土力学这门学科的土压力理论上讲，根据不同的计算理论和假定，得出了多种土压力计算方法，其中有代表性的经典理论如朗肯土压力、库仑土压力。但不论是库伦还是朗肯建立土压力理论时，都是用于重力式挡土墙，先筑墙，再在墙背后填土（一般为无粘性土）；而现在的基坑工程，则是在土中筑墙或桩，再开挖卸荷，墙背后原状土。无论支挡结构的型式、土的性质、施工次序、土中应力路径都有很大不同。

2.2 库伦-朗肯理论假定，破裂面是平面，破坏土楔是刚体，这与实际情况出入较大，尤其是被动土压力。库伦-朗肯假定的墙为无限长，是平面问题，而基坑工程是空间问题，在基坑转角附近误差较大。

2.3 无论主动土压力还是被动土压力，都需要一定的位移量才能达到，而过大的位移量对工程又是不容许的。实际动用的土压力力一般为静止与主动之间或静止与被动之间的土压力。

2.4 作用在支护结构上的土压力及其分布规律取决于支护体的刚度及侧向位移条件。

刚性支护结构的土压力分布可由经典的库仑和朗肯土压力理论计算得到，实测结果表明，只要支护结构的顶部的位移不小于其底部的位移，土压力沿垂直方向分布可按三角形计算。但是，如果支护结构底部位移大于顶部位移，土压力将沿高度呈曲线分布，此时，土压力的合力较上述典型条件要大10%～15%，在设计中应予注意。

相对柔性的支护结构的位移及土压力分布情况比较复杂，设计时应根据具体情况分析，选择适当的土压力值，有条件时土压力值应采用现场实测、反演分析等方法总结地区经验，使设计更加符合实际情况。

由上可知，库仑-朗肯土压力理论与基坑工程的实际出入相当大，是很容易理解的，如设计者对这些概念是清楚的，就不会过分相信计算结果了。

3 现场监测和信息化施工

深基坑施工中的监测工作是指导施工、避免事故发生的必要措施，也是进行信息化施工的手段。近年来，有的基坑工程为了节约而不安排监测，或减少监测费用；有的工程对测试数据不认真分析，或者分析水平不高。因而造成各种大大小小的事故和不应有的损失。

随着施工的进展，根据定期监测得到的信息，与原来的计算结果比较，并反演计算参数，根据反演参数重新分析计算，必要时适当修改设计或施工步骤，再继续施工和监测，如此一次一次地反复，一次一次地趋于正确，这就是反分析法或信息化施工，已被广大岩土工程师接受。

注重现场监测和信息化施工，是概念设计思想的自然延伸，这方面已获共识。概念设计是一种设计思想。设计者应当具有探索精神和创造精神，不能满足于现成的公式；要充分掌握情况，深刻理解原理，不要犯概念上的错误；不能机械地照搬经验，要在相关理论的指导下，借鉴已有经验进行分析和判断；事先的定量计算只是一种估计，只有原型工程的实测数据最可信。

结语

岩土工程最突出的特点是不确定性。基坑工程设计强调概念设计，集中体现了辨证发展的理念。

[1]GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S].

[2]唐业青，李启民，崔江余.基坑工程事故分析与处理[Z].