閆云明，宋海軍，牛雅莉

YAN Yun-ming，SONG Hai-jun,NIUYa-li

（河南工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州451191）

(Schoolof Resourcesand Environment,HenanInstituteof Engineering,Zhengzhou 451191，China)

基礎(chǔ)工程設(shè)計

基于軟土基坑設(shè)計若干關(guān)鍵問題探討

閆云明，宋海軍，牛雅莉

YAN Yun-ming，SONG Hai-jun,NIUYa-li

（河南工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州451191）

(Schoolof Resourcesand Environment,HenanInstituteof Engineering,Zhengzhou 451191，China)

由于軟土土質(zhì)的特殊性和復(fù)雜性，因而在實施軟土基坑工程時，要注意其特殊性和復(fù)雜性。鑒于在進(jìn)行軟土基坑設(shè)計時不可能做到一次成功，因此，需要根據(jù)工程施工的實際情況對基坑工程進(jìn)行設(shè)計。由于軟土具有含水率大以及壓縮性好等特點，在基坑的設(shè)計以及后續(xù)的施工中都需要更高的技術(shù)支撐。針對這種情況，須加強對軟土基坑設(shè)計的理論研究。論文根據(jù)軟土的特性，對于軟土基坑設(shè)計的一些關(guān)鍵性問題進(jìn)行了詳細(xì)探討。對于基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，分析其受力以及發(fā)生的變形過程。對于預(yù)應(yīng)力錨索的計算方式及其計算方式所存在的問題進(jìn)行研究。對于基坑的地基局部穩(wěn)定性進(jìn)行測量，并計算其承載能力。對于雙排樁進(jìn)行研究并在原有的基礎(chǔ)上簡化其計算方法。

軟土基坑;增量法;地基穩(wěn)定性;預(yù)應(yīng)力

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.009

1 引言

由于軟土大多具有含水率高，壓縮性強等特點，因此，相比較其他工程設(shè)計而言，每一地區(qū)的軟土基坑工程設(shè)計難度系數(shù)更高，需要考慮的問題更多、進(jìn)行基坑設(shè)計時的要求也更多且環(huán)境影響也更為復(fù)雜[1]。并且，在進(jìn)行基坑工程設(shè)計時，不能將其視為一個簡單孤立的問題進(jìn)行研究，而是要將基坑設(shè)計當(dāng)作一個整體來進(jìn)行，充分考慮周圍的環(huán)境影響，根據(jù)實際情況，進(jìn)行軟土基坑工程設(shè)計。本文主要就軟土基坑設(shè)計的相關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期基坑工程可以順利安全的進(jìn)行。

2 簡析軟土基坑設(shè)計

2.1 在基坑設(shè)計時所用到的土工參數(shù)問題

軟土基坑設(shè)計中會涉及土與結(jié)構(gòu)之間相互作用產(chǎn)生的問題，因此，與其他的巖土工程一樣的是，土工參數(shù)是否準(zhǔn)確將會對支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性以及合理性直接產(chǎn)生影響。并且，在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的實際計算時，由于土層的抗剪強度指標(biāo)，因而，要對其進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測是很困難的[2]。不同的計算人員、不同的計算方式對于土工參數(shù)的檢測結(jié)果都可能出現(xiàn)很大的差異。并且，根據(jù)檢測人員的實際檢驗可知，對于土工參數(shù)的測量，如果采用不同的采土設(shè)備的話，也很有可能出現(xiàn)不同的參數(shù)結(jié)果。一般來說，相比較常規(guī)的采土機器來說，薄壁采土機器抽樣的結(jié)果可能會偏高。

2.2 基坑中水土壓力的取值問題分析

對于基坑中的水土壓力進(jìn)行取值是很復(fù)雜的一個問題。首先，如果土層壓力以不同的分布規(guī)律以及計算方式存在，那么對其采用不同的計算方法將會出現(xiàn)不同的結(jié)果。另外，對于基坑中的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用何種方式進(jìn)行測算，需要根據(jù)基坑的實際情況進(jìn)行，在基坑工程設(shè)計中，采用不同的規(guī)范，就會出現(xiàn)不同的對于支護(hù)結(jié)構(gòu)計算的標(biāo)準(zhǔn)[3]。根據(jù)基坑的實際設(shè)計情況來看，一般會利用水的不排水實驗進(jìn)行強度指標(biāo)的測算以及飽和重度的測算，并且再按照水土合算對于側(cè)壓力進(jìn)行測算。但是，由于在某些地區(qū)，軟土基坑按照不排水的強度指標(biāo)進(jìn)行計算的話，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)內(nèi)力以及變形過大的現(xiàn)象。因此，在實際的工程中一般都還是采用直剪固快的強度指標(biāo)進(jìn)行測算。

另外，一般來說，對于軟土的水土測算，要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，有的地區(qū)會選用水土合算，而有的地區(qū)會采用水土分算的方式。對水土是進(jìn)行分算還是合算，最終產(chǎn)生的結(jié)果具有很大差異。對基坑中的水土壓力進(jìn)行取值測算的時候，如果采用的方式是水土合算，那么對主動形式下的水壓力作用進(jìn)行了低估，而高估被動形式下的水壓力，這樣一來，將會使得基坑中的測算出現(xiàn)不準(zhǔn)確的狀況。而水土分算對于土力學(xué)的基本原理可能會更加符合，概念定義也比較清晰，但是水土分算在實際應(yīng)用的過程中，對于有些強度指標(biāo)的測算比較困難，對于土體產(chǎn)生的一些超靜孔壓影響不能很好地進(jìn)行考慮[4]。

3 軟土基坑設(shè)計中一些關(guān)鍵問題

3.1 增量法需要考慮工程的施工過程

一般來說，現(xiàn)今的基坑設(shè)計中的支護(hù)結(jié)構(gòu)一般都會采用增量法進(jìn)行計算，具體的計算方法如圖1所示。這種計算方式的基本原理就是在工程施工過程中，將每一個過程中另外所加的荷載當(dāng)作外荷載，即增量荷載，并將其運用于工程施工的每一過程中所用到的支護(hù)結(jié)構(gòu)中。這些施工過程中所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于支撐的彈簧發(fā)生了很大的變化，因此它們每個的計算體系都是不一樣的。一般來說，增量荷載由兩部分組成，即土層壓力的增量以及每一個過程中所挖掉的彈簧反力。在工程的每一過程中，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況以及其變形情況的總和是前一過程的增量荷載結(jié)果的累加。

另外，在增量法中進(jìn)行多錨式以及多撐支護(hù)結(jié)構(gòu)計算得到的結(jié)果，和將結(jié)構(gòu)當(dāng)作一種彈性支撐連續(xù)梁且不考慮工程的施工過程所得到的計算結(jié)果之間具有較大的差異。這種方式一般稱為連續(xù)梁法。并且，由于增量法以及連續(xù)梁法之間的各支護(hù)結(jié)構(gòu)的反力以及彎矩都有較大的差異，因而，如果不將施工計算得出的彎矩偏小作為考慮對象的話，就會使得基坑的設(shè)計出現(xiàn)不安全的情況。并且，由于在增量法計算中，下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐力是很小的，這些支撐力都會受到施工過程的很大影響，因此，對多錨式以及多撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)計算來說，應(yīng)該對于施工過程中產(chǎn)生的影響進(jìn)行充分的考慮，因而，在計算的時候，會選用增量法進(jìn)行計算。

圖1 增量法的計算過程

如在某酒店工程的基坑設(shè)計工程中，因要建造地下室，因而開挖的深度很深，達(dá)到20m左右。在基坑設(shè)計的過程中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐囊恍┑刭|(zhì)基本情況，充分調(diào)研咨詢之后，在工程中采用了1～4層的錨桿進(jìn)行開挖，并在實際開挖的過程中，使用增量法對工程的位移以及實測位移進(jìn)行計算。經(jīng)過科學(xué)的計算之后，發(fā)現(xiàn)位移與實測位移之間的測量差異很小。

3.2 軟土基坑設(shè)計中的支護(hù)問題

3.2.1 支護(hù)的重要意義

由于在軟土層中不僅只有一種土層，一般說，還有一些相對比較硬的土層，或是黏土，又或是各種種類不同的填土。這些土層在開挖的深度達(dá)到2.5m的時候，就很有可能出現(xiàn)崩塌的現(xiàn)象。因而，當(dāng)基坑開挖的深度超出這個范圍之后，就需要進(jìn)行必要的支護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)。但是，很多工程的施工方因為心存僥幸，因而，在超出開挖深度極限值的時候，通過各種方式，以圖基坑不發(fā)生坍塌，而不進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如開挖的速度放緩、對基坑進(jìn)行分段的開挖以及對邊坡進(jìn)行放緩等。因而，導(dǎo)致在基坑工程進(jìn)行的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)各種滑坡、坍塌的事件，從而造成工程的進(jìn)度受到影響，損失更大。

3.2.2 對于軟土基坑進(jìn)行支護(hù)的主要類型

一般來說，對于軟土基坑進(jìn)行支護(hù)的主要方式有：重力式支護(hù)、懸臂式支護(hù)以及內(nèi)撐式支護(hù)。在重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)中，主要以水泥的攪拌樁墻為主要的方式。這種方式曾經(jīng)在國內(nèi)市場上受到很大追捧，但不久又退出了歷史舞臺。主要是因為：首先，由于基坑的土質(zhì)主要是軟土，因此其強度以及摩擦力都比較低，在維護(hù)的時候，需要有很大的斷面以及插入的深度，因此，重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)的成本已經(jīng)不具備優(yōu)勢;其次，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)中的攪拌樁的長度超出一定的范圍之后，就會使得攪拌樁在使用的時候，出現(xiàn)較多的質(zhì)量問題，因而，這種支護(hù)結(jié)構(gòu)在實際使用中失去競爭優(yōu)勢。最后，由于在實際的支護(hù)過程中，由于工藝本身的短處，因而，在實際使用中質(zhì)量經(jīng)常不達(dá)標(biāo)。

綜上所述，將這種支護(hù)的形式用在軟土基坑的建設(shè)中，存在諸多的問題，因此，在實際施工過程中，對于這種方法不進(jìn)行推薦。在懸臂式支護(hù)中，當(dāng)?shù)貙幼冘浀臅r候，就會產(chǎn)生一定的抗力，從而使得水平變位增大。并且由于該支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是采用懸臂式的結(jié)構(gòu)，因此，在地表周圍的變形將會更大。另外，在支護(hù)過程中，為了使得支護(hù)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此，在進(jìn)行施工的時候，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入深度以及擋土的高度都有一定的要求。這樣一來，工程施工的工程量將會極大地增大，并且，如果用混凝土對其進(jìn)行支護(hù)的話，必然會使得工程中的配筋量增大，所造成的工程成本也必然高，因此，在實際支護(hù)中，對于這種支護(hù)結(jié)構(gòu)也不予采用。在內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)中，由于圍護(hù)的主要構(gòu)件是由混凝土的土樁組成，因此，會將支護(hù)結(jié)構(gòu)分為兩種不同的形式，即相等距離的多道縱橫的交叉對撐方式以及混凝土撐。該種支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點就是在實際施工過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形比較小，因此，在實際操作中性能也比較好。另外，當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計得比較合理的時候，其工程的造價也比較低。但是，在實際施工過程中，這種支護(hù)結(jié)構(gòu)也存在著很多的問題，如施工的工期比較長，且其支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖的條件也比較差，對于機械化工程的施工造成了較大的損失。

3.3 對于錨桿的計算

在現(xiàn)今的基坑支護(hù)設(shè)計之中，預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)該屬于一種比較常用的方式。但是，在現(xiàn)今的很多基坑設(shè)計中，對于預(yù)應(yīng)力錨桿以及主動式側(cè)彈簧的作用沒有進(jìn)行很好的考慮，另外，對于施工中的增量荷載也沒有進(jìn)行合理仔細(xì)的檢測。因而，在支護(hù)結(jié)構(gòu)中對于錨桿檢測的受力情況和計算得出的受力值之間存在著較大差異。在軟土地區(qū)基坑設(shè)計過程中，經(jīng)常都會采用預(yù)應(yīng)力錨桿對基坑進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)。一般來說，面對上述差異主要采取的方式有以下幾種。首先，當(dāng)工程已經(jīng)開挖到一定深度，這個時候開挖的地面上的彈簧消失，因而，墻體會出現(xiàn)向基坑位移的狀況；其次，當(dāng)對基坑開挖面的一定深度處進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿的施加時，應(yīng)該以一定的水平將預(yù)應(yīng)力進(jìn)行集中，并將其施加到墻體之上。在進(jìn)行這種增量的時候，會使得墻體出現(xiàn)向外部的位移增量。因而，在基坑中的外側(cè)土體向外受壓的時候，可以將其當(dāng)作錨桿與彈簧之間共同擔(dān)負(fù)的預(yù)應(yīng)力，并把墻體當(dāng)作是彈性的地基梁，對其受到集中力作用的梁進(jìn)行計算。如圖2所示。

圖2 集中力作用的彈性地基梁

但是，就目前來看，很多基坑在設(shè)計時，對于主動式的側(cè)彈簧沒有仔細(xì)地進(jìn)行考慮，因此，在計算絕對位移量的時候會出現(xiàn)值較大的狀況。并且，這種狀況在軟土中出現(xiàn)的情況更為明顯。因此，在進(jìn)行實際施工的過程中，很多的施工人員為了使得該值不發(fā)生明顯的差異，因而，在實際設(shè)計過程中，都不會對該值進(jìn)行較高的設(shè)計計算。但是，這樣一來，對于基坑所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)受力狀況與實際情況之間又有很多的不符之處。

3.4 關(guān)于軟土基坑的穩(wěn)定性問題

在軟土基坑的設(shè)計過程中，一般會以放坡開挖的方式進(jìn)行。因此，在進(jìn)行實際設(shè)計的時候，都會采用圓弧滾動的方法對基坑的整體進(jìn)行穩(wěn)定性檢測。但是，在檢測的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)對于局部地區(qū)的穩(wěn)定性檢測進(jìn)行忽視。并且，由于基坑設(shè)計中的土層是軟土，它的承載力是非常低的，因而，在進(jìn)行實際施工的時候，會對地基的局部造成很大的破壞。而這些局部的損壞，又會導(dǎo)致整個的基坑整體的邊坡?lián)p壞。因而，在進(jìn)行軟土基坑設(shè)計的時候，對基坑中地基的穩(wěn)定性需要進(jìn)行全面的檢測，不管是局部的還是整體的都要進(jìn)行檢測。如一基坑中，開挖的邊坡高度為8m，下面鋪設(shè)了3m的軟土，其主要的土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

對土層利用極限平衡法進(jìn)行測算，得到的安全系數(shù)為1.07。但是，經(jīng)過實際計算之后，所得到的軟土層的承載值卻很低，相比較8m的豎向力來說，差異明顯。這時候，利用局部檢測的方式對基坑的地基穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)地基的穩(wěn)定性已經(jīng)失去，就如同一個圓弧的滑動面。由此可以發(fā)現(xiàn)，對基坑采用圓弧滑動法進(jìn)行穩(wěn)定性測算是不科學(xué)的，這主要是因為由該種方法得到的滑動面與實際的滑動面之間存在著相關(guān)的差異，因而，當(dāng)基坑的土層是軟土的時候，不僅僅需要對基坑整體的穩(wěn)定性進(jìn)行測算，另外，還應(yīng)該注意對軟土地基的局部穩(wěn)定性進(jìn)行測算，從而保證基坑的穩(wěn)定安全。

4 結(jié)語

本文對于軟土基坑設(shè)計中的諸多關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論，其中提到的一些計算內(nèi)容主要是對軟土基坑設(shè)計中的一些特殊性能提出的。另外，在進(jìn)行計算的時候，也會同樣涉及其他的基坑設(shè)計。就目前來看，我國在進(jìn)行軟土基坑設(shè)計時，增量的方法已經(jīng)被廣泛使用，但在實際工程中，對于預(yù)應(yīng)力以及相關(guān)的軟夾層問題還會常常忽視，從而在軟土基坑設(shè)計中還存在諸多的安全隱患。因此，在以后的軟土基坑設(shè)計中，對于預(yù)應(yīng)力以及軟夾層要引起足夠的重視，以保證基坑的安全穩(wěn)定。

【1】董立國.深圳軟土地基處理和基坑圍護(hù)設(shè)計中的若干問題[J].現(xiàn)代物業(yè)(上旬刊),2014（5）:66-67.

【2】陳春鳴,趙永清,李和志,張小燕.軟土基坑支護(hù)深度滑移線解研究

[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014（3）:12-15.

【3】張玉成,楊光華,胡海英,等.珠三角深厚軟土地區(qū)淺基坑支護(hù)若干問題探討[J].巖土工程學(xué)報,2014（S1）:1-11.

【4】黃茂松,王衛(wèi)東,鄭剛.軟土地下工程與深基坑研究進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報,2012（6）:146-161.

DiscussiononSeveral Key Problems of Soft Soil FoundationPitDesign

Due to the particularity and complexity of soft soil, it is also to pay attention to the particularity and complexity of soft soil foundation pit engineering. In addition, it is impossible to succeed in the design of soft soil foundation pit, so it is needed to design the foundation pit engineeringaccordingto the actual situation of the engineering construction.Because the soft soil has the characteristic of high moisturecontentandgoodcompressibility,intheactualconstructionprocess,thedesignofthe foundation pit and the subsequent construction all need more technical support. In view of this situation, it is imperative to strengthen the theoretical research on soft soil foundation pit design. In this paper, according to the actual characteristics of soft soil, some key problems of soft soil foundation pit design are discussed in detail. Firstly, the supporting structure of foundation pit is analyzed in detail, and the main force and the deformation process are analyzed.Secondly, the calculationmethod of prestressed anchor cable and some problems existing in this calculation method are studied. Again, the foundation pit of the local stability of themeasurement, and calculate the carrying capacity. Finally, the calculation method for the study of doublerowpilesandonthebasisoftheoriginalsimplified.

softsoilfoundationpit；incrementalmethod；foundationstability；prestress

TU447

A

1007-9467（2016）09-0049-04

2016-06-21

河南省教育廳攻關(guān)項目（2011A170001）

閆云明（1963～），男，山西臨汾人，講師，從事巖土工程教學(xué)與研究，（電子信箱）473320079@qq.com。