基坑支护设计中岩土参数的分析与运用

吴银柱WU Yin-zhu；邓天炜DENG Tian-wei

（长春工程学院，长春130012）

0 引言

在现今的社会和科技高速发展的历程中，建筑向更高的方向发展，而作为主要研究岩土工程类的工程师们，更应该将眼光放到更高建筑物以下的基坑中去，基坑工程的设计与施工一直都是比较复杂且难度较高的事情。而设计作为基坑工程前期尤为重要的工作更是不能掉以轻心。特别是现在在城市中超危大基坑较多，一旦基坑变形过大甚至基坑失稳发生破坏所造成的损失都是无法估量的，所以相关从业人员一定要把握好基坑工程前期的勘察设计等工作。而本文主要是探讨基坑工程的设计工作中岩土参数的分析与运用，并结合工程实例进行分析说明。

1 基坑支护设计前期相关图纸的收集与整理

1.1 建筑总平面图

建筑总平面图一个主要作用是通过图纸了解拟支护基坑周边环境以及支护设计所需的重要信息。①相邻道路及建筑物对基坑开挖的影响、基坑所采取的支护方式对邻近建筑物基础的影响及基坑的沉降变形是否会影响到邻近道路的正常使用。②建筑红线：基坑支护中如若需要桩锚支护，其中涉及到锚杆锚索是否会超出建筑红线对周边相邻建筑以及道路造成影响。③通过建筑总平面图确定拟支护基坑形状和基坑面积大小。当基坑形状不规范时，在设计过程中应考虑存在较多的阴角和阳角，在设计过程中进行缩减，没法缩减时应考虑其不利情况下的处理方案。[1]

1.2 建筑及结构平、剖面图

建筑及结构平面图所能得到的主要信息有拟支护基坑的形状与大小，可以和建筑总平面图所得出的信息进行复核。建筑与结构平面图另一个较为重要的作用是查看电梯井、设备井、集水坑等加深结构的位置。对于此类加深结构，如若在坑边位置或者靠近坑边位置时，应在设计上考虑此处进行加强支护。

基础结构平面图中一般都有较为详细的结构标高再结合建筑及结构的剖面图中的标高从而确定基坑的深度。

2 基坑支护设计前期勘察报告的分析与运用

2.1 勘察报告的主要内容

勘察报告对于基坑支护设计来说是比较重要的一环，我们从中可以得知许多重要信息并以此为依据来进行基坑支护的方案选型及计算。

2.2 工程地质条件

勘察报告中工程地质条件最主要的内容是地基土的构成和分布特征。由此我们可以判断此场地的土层性质的好坏。

与工程地质条件紧密相关的内容还包括勘探点平面布置图以及工程地质剖面图。

在分析工程地质条件时，应当将勘察报告正文中的对各工程地质层的描述与勘探点平面图和工程地质剖面图结合在一起分析研究。

在进行支护方案选型及计算之前，应该先确认好支护分区，而支护分区的依据便是周边环境条件及地层条件。通过工程地质剖面图可分析得出其地层变化，如若地层变化不大，则可以选取具有代表性的土层：比如土质较差较厚的土层来进行计算。如若土层变化较大，则应选取变化突出的土层单独进行计算。再结合周边的环境条件，比如距基坑较近有建筑物存在的部位则可考虑划分出一个单独的支护区域。支护分区也与基坑深度有着较大的联系，基坑深度相差较大的地方也需单独划分出一个支护区域。

支护分区是一个需要综合考虑的事情，在进行支护分区时，应该综合周边环境特征、工程地质条件以及基坑深度变化来考虑。

2.3 水文地质条件

地下水对于基坑工程的安全性有很大的影响，所以对于降排水的问题应多方面综合考虑：

①在基坑工程中常见地下水类型为潜水，一般在潜水层可设置一定数量的无压非完整井进行降水。当地层中有承压水存在时，应考虑是否有流砂和管涌等现象的出现。如有此类风险，则应该在承压水层布设适当数量的承压非完整深井进行排水。即采用“潜水潜排，深水深排，潜深兼顾”的降排水方式。[2]②施工季节。如若施工季节正值雨季，则应该结合场地条件考虑地表水的拦截及排泄等措施。施工过程中应加强监测基坑内排水、地表水拦截等措施，确保深基坑施工安全。[3]③地下水的补给条件及水位变化规律。通过地勘报告中的内容可得知在此基坑周围有无河、湖存在，且其与拟支护基坑地下水存在水理联系时，会出现基坑降水困难等问题。④地下水的腐蚀性。通过水样土样腐蚀性报告，可得知哪些物质中的化学元素具有腐蚀性从而进行针对性支护。

根据以上诸多因素条件进行综合性的分析考虑，可以选取合理的降水井深度、间距、井径与距坑边距，再选择合适类型的降水井，从而得出一个合理的降排水方案。

2.4 地下障碍物及周边管线的整理

地下障碍物一般包括：回填的工业或建筑垃圾；原有建筑物的地下室和基础等；以及废弃的人防工程、管道和风井等。

现在许多基坑都位于城市当中，埋藏了许多地下管线且这些管线对于人们的生活密切相关，一些例如煤气管线等如若遭到破坏会造成极大的事故与损失。所以在基坑开挖之前一定要探明这些管线的位置，并在图纸与施工方案中标明，将其作为一个工程重点风险源进行分析。

3 基坑支护设计中方案及岩土参数的合理选取

3.1 基坑支护设计方案的选择

结合前文对基坑支护设计前期工作的论述分析，对于长春某实际工程可以得出一个合理的基坑支护设计方案。

①工程概况及周边环境：该基坑工程按自然地面开挖深度约为4.9~6.85m，距基坑东南侧约11m 有一拟建建筑物；基坑北侧、西侧和南侧为施工环路，东侧四周8.7m 为材料堆放场地。拟建基坑场地内无地下管网及地下障碍物等。

②工程地质概况：本场地的地貌单元为台地，场区地势南高北低；地层共分为7层，第1 层为杂填土，第2~6 层为粉质黏土，第7 层为全风化泥岩。土层的基坑支护设计中所需土层物理力学指标见表1。

③基坑支护设计方案的分析选择。

1）基坑西侧为施工场地主入口且施工道路距基坑较近。在基坑支护设计中，对于荷载取值的考虑会从交通荷载及基坑周边的材料、土方堆载两个方面考虑，在此项目中主要考虑到西侧为施工场地的主入口，场地中所有运输材料的大型货车等都从西侧主入口进入，再向南北分流运输；且施工道路距基坑较近，所以该施工道路荷载对基坑影响较大。综合考虑，基坑西侧采取钢管桩+锚索进行一个垂直支护的形式。

2）基坑东南侧有施工道路贴近基坑边缘，且该段为道路的拐弯处。对于该段基坑支护主要难点在于施工道路贴近基坑边缘，所以不能采用土钉墙等支护形式；且该段施工道路为拐弯处，那么所产生的交通荷载的影响用桩锚这种垂直支护形式也不能满足基坑的稳定性。所以最后考虑采用双排钢管桩+背拉这种支护形式，既能在有限的施工空间中进行基坑支护的施工也能满足基坑的整体稳定性，详见图1。

3）最终基坑支护设计方案的确定：共分为五个支护分区。1-1 区采用钢管桩+锚索支护形式，桩长9m，∅140 壁厚4.5mm 的钢管桩，腰梁采用20a 槽钢，锚索采用2s15.2 的钢绞线，桩间距0.4m；2-2 区、3-3 区及5-5 区均采用土钉墙支护形式。4-4 区采用双排钢管桩+背拉支护形式，前排桩采用长9m 桩径∅140*4.5mm，桩间距0.4m 的钢管桩，后排桩采用长9m 桩径∅140*4.5mm，桩间距1.0m 的钢管桩，排间采用15.2 钢绞线连接，间距初步为11.0~16.0m。基坑支护平面布置图详见图2。

图2 基坑支护平面布置图

3.2 结合设计软件分析选取合理的岩土参数

在基坑支护设计工作中常用的计算软件有理正深基坑支护设计软件及同济启明星系列基坑支护设计软件等。两款软件都各有优缺点，结合本文中的实际工程来说，土钉墙及桩锚这两种支护形式，理正及启明星皆可计算；对于双排桩+背拉这种支护形式运用启明星进行计算可取得更为合理的结果。

3.2.1 理正深基坑支护设计软件对土钉墙及桩锚支护结构的计算及相关岩土参数的合理分析选取

①理正中的基本信息。理正的基本信息板块中的支护结构安全等级可以直接从地勘报告中得知，其支护结构重要性系数是根据其支护结构安全等级在规范中查找得知：一级为1.1，二级为1.0，三级为0.9。

基本信息中的超载需要综合考虑多方面因素。一是考虑拟支护基坑周边的市政道路上的交通荷载与基坑周围材料与土方运输的施工道路荷载。二是考虑基坑周边的材料及土方堆载。

②理正中的土层信息。理正的土层信息主要是结合地勘报告中的土层特性和基坑设计计算参数及工程地质剖面图来选取其中的数据。

在相关数据选取之前首先需要选择一个合适的地质剖面来确定其有几层土及每层土的类型名称和层厚等。其中的重度、粘聚力、摩擦角等内容则主要对照地勘报告中的基坑设计计算参数，以物理力学指标统计表及土工实验成果表为补充进行选取。其中与锚固体摩擦阻力则需参考规范《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012 表4.7.4 锚杆的极限粘结强度标准值来选取，而土钉墙支护形式中的与土钉摩擦阻力则需参考规范《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012 表5.2.5 土钉的极限粘结强度标准值选取。[4]

③理正中的支锚信息。在该实际工程中主要采用了土钉墙及桩锚两种支护形式，所以在理正计算中关于支锚信息方面，以1-1 区采用钢管桩+锚索和2-2 区采用土钉墙支护剖面为例：1-1 区采用长9m 的∅140 壁厚4.5mm 钢管桩，钢材牌号为Q235，桩间距为0.4m，支锚信息中锚索的水平间距、竖向间距都选取为规范规定范围内的1.5m，入射角为15°，长度为13m，其中锚固段长度为7m，自由段长度为6m，锚索采用2 束15.2 钢绞线。2-2 区中土钉墙坡度比为1：0.5，共三排土钉，竖向间距为1m、1.5m、1.5m，水平间距为1.5m，土钉采用长度为6m 的φ48 钢管，其中钢材牌号为Q235。在支锚信息相关岩土参数选取过程中主要是依靠相关规范以及经验值来进行设计验算。

在理正计算中的各种数据的选取都是需要结合实际的施工环境与地质条件来综合考虑的，特别是与人生活息息相关的工程项目，更应该为了安全在设计工作中保持严谨。所以其中的所有取值都应该反复进行推敲计算，在确保工程的绝对安全的情况下兼顾其经济与环境效益。

3.2.2 同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件对双排钢管桩+背拉支护结构的计算及相关岩土参数的合理分析选取

①在软件开始模块中选取双排桩支护类型，输入基坑深度、安全等级、前后排桩的嵌入深度等基本参数值，以该实际工程项目为例：前排桩采用长9m 桩径∅140*5.0mm，桩间距0.4m，后排桩采用长9m 桩径∅140*5.0mm，桩间距1.0m，排间距为10.0~14.0m，排间采用2 束15.2 钢绞线。②地质参数模块的相关内容跟理正深基坑支护设计软件一样，通过地勘等资料进行分析选取。不过启明星中比理正多了一个Es 参数，也是可以通过地勘报告获得。③在该实际工程项目中的荷载值，由于4-4 区贴近施工道路，且其施工道路为拐弯处，所以采用的双排钢管桩+背拉的支护形式，其中前排钢管桩在基坑边缘，道路一侧，后排钢管桩在道路另一侧，详见图2。所以荷载值取软件荷载模块中的邻近荷载，荷载值可取到35kPa。

取好相关参数后，对内力变形、整体稳定、抗倾覆、坑底隆起及地表沉降等进行设计验算。

同济启明星系列软件，有FRWS 这种专门对深基坑支挡结构进行分析计算的软件，其功能作用与理正深基坑支护设计软件是相当的。但是对于内支撑这种支护形式，同济启明星可使用FRWS 与BSC-3D 软件的结合，对内支撑支护结构进行更好的分析计算。

4 结语

①支护形式的选择不仅应考虑整个基坑的稳定性还应考虑对土方和降水工程的影响。所以在前期资料的分析与运用中应结合多方面的考虑。②对于基坑支护设计中前期资料的整理和分析都应该尽量地全面与详尽。对于其运用便要严格遵循规范内容，对于规范未涉及到的地方就需要反复的对比思考和计算来得出最后的结论。③当前在基坑支护设计中常用的设计软件是理正深基坑支护设计软件，但是其计算结果一般偏保守，且对于内支撑和许多新兴的支护形式无法进行较为全面的计算。所以可以结合现在的有限元软件进行建模计算与分析，更具有严谨性。