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重慶市土木建筑學(xué)會

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深基坑工程的發(fā)展

發(fā)布日期：2013-12-04  瀏覽次數(shù)：1806
摘  要：近幾年城市高層建筑不斷涌現(xiàn)，而且向著更高、更復(fù)雜的趨勢發(fā)展。建筑功能的多樣化，建筑結(jié)構(gòu)的合理要求和場地空間非常有限使得深基坑工程越來越多。論述了深基坑工程的支護(hù)技術(shù)與原理，深基坑工程的降水和監(jiān)測，深基坑工程的發(fā)展?fàn)顩r和目前存在的問題，對深基坑工程的發(fā)展做了一些前瞻性的思考,對指導(dǎo)工程實踐和學(xué)科新領(lǐng)域的探索有重要意義。
　　關(guān)鍵詞：巖土工程；深基坑；支護(hù)；降水；監(jiān)測
    隨著社會的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，高層建筑已成為城市主要的建設(shè)項目之一，尤其在城市密集生活區(qū)，由于場地的限制，高層建筑的高度不斷的增加，基礎(chǔ)的埋深也不斷加深，而且有建筑物與建筑物之間距離近、場地下方地下管線復(fù)雜、場地周邊環(huán)境對基坑工程的影響明顯的特征。房屋建筑、市政工程或地下建筑在施工時需開挖的地坑，即為基坑。一般認(rèn)為深度在5m及以上或者地質(zhì)條件復(fù)雜，周圍環(huán)境和地下管線復(fù)雜，影響毗鄰建筑物安全的基坑即為深基坑①。深基坑工程是一個綜合性的巖土問題，有明顯的區(qū)域性，已經(jīng)成為近年巖土工程中建設(shè)的熱點。目前，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算仍基于極限平衡理論。而實際上基坑開挖后是一種動態(tài)平衡狀態(tài)。隨著時間的增長，土體強(qiáng)度逐漸下降，相當(dāng)一部分地下的土體在工作荷載狀態(tài)下仍處于小應(yīng)變狀態(tài)。Burland [1]認(rèn)為，在工作荷載作用下垂直建筑物基礎(chǔ)和深基坑周圍的土體應(yīng)變基本上要比0.1%要小，最大不超過0.5%。工程實踐證明在設(shè)計中變形和時間效應(yīng)必須給予充分考慮，但在目前的設(shè)計計算中卻常被忽視。隨著土工試驗技術(shù)的進(jìn)步以及先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與計算機(jī)技術(shù)的普及，設(shè)計方法不斷革新，施工工藝也日益完善，深基坑工程出現(xiàn)的問題也越來越復(fù)雜，迫切要求深基坑工程的理論研究與施工方法要進(jìn)一步革新。
　　1  深基坑工程支護(hù)
    1.1支護(hù)技術(shù)原理深基坑工程的支護(hù)是深基坑工程的重要組成部分，而一般的深基坑支護(hù)大多是臨時結(jié)構(gòu)，投資太大，易造成浪費，但支護(hù)結(jié)構(gòu)不安全又勢必會造成工程事故[2]。
　　深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)原理是依靠基坑中土層對進(jìn)入土層的支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平壓力與支護(hù)結(jié)構(gòu)上部的拉錨或支撐提供的與水平壓力方向相同的作用力來抵抗坑壁土和水產(chǎn)生的水平壓力來保證坑壁土的穩(wěn)定，限制坑壁土的變形，保證基坑開挖和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工能安全、順利地進(jìn)行。
　　1.2主要支護(hù)型式
    1）鋼板樁支護(hù)系采用一種型鋼板樁，利用打樁機(jī)沉入地下構(gòu)成一道連續(xù)的板墻，作為深基坑開挖臨時的擋土、擋水維護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼板樁支護(hù)是一種施工簡單，投資經(jīng)濟(jì)的施工方法，但是鋼板樁自身的柔性很大，其變形的大小在很大程度上取決于支撐和拉錨的設(shè)置。一般深度大于7m的基坑不宜采用該支護(hù)類型。
　　2）深層攪拌樁支護(hù)（水泥土墻）是利用水泥或石灰等材料作為固化劑，通過深層攪拌機(jī)械，將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌。利用固化劑和軟土之間產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的樁體。一般對于基坑深度小于6m，基坑邊與用地紅線的距離足夠的工程，往往優(yōu)先采用。
　　3）排樁支護(hù)是指以柱列式間隔布置鋼筋混凝土樁作為主要擋土結(jié)構(gòu)的一種形式。排樁支護(hù)有較大的側(cè)向剛度，可有效的限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。當(dāng)基坑深度較大，或地基條件很差，采用單排結(jié)構(gòu)不能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或變形要求時，可采用雙排樁支護(hù)。從結(jié)構(gòu)上分析，雙排支護(hù)樁如同嵌入土中的門式框架，與單排懸臂結(jié)構(gòu)、內(nèi)撐式維護(hù)結(jié)構(gòu)相比具有施工方便，不用設(shè)置內(nèi)支撐，擋土結(jié)構(gòu)受力條件好等優(yōu)點，在工程中得到應(yīng)用廣泛[3]。
　　4）地下連續(xù)墻支護(hù)是用特別的挖槽機(jī)械，在泥漿護(hù)壁的情況下開挖一定深度的溝槽，然后吊放鋼筋籠，澆筑混凝土。地下連續(xù)墻支護(hù)體系最早在1950年開始應(yīng)用于巴黎和米蘭市的地下建筑工程。國內(nèi)將地下連續(xù)墻用于城市深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最早的是廣州白天鵝賓館[4]。對于深度大于10m的基坑，該法有較好的經(jīng)濟(jì)性；維護(hù)結(jié)構(gòu)要作為主體的一部分且對防水和抗?jié)B有較嚴(yán)格要求時，或是采用逆作法施工時一般采用地下連續(xù)墻。超深基坑如30～50m，其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法滿足要求時也采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)[5]。
　　5）土釘墻支護(hù)是一種原位土體加固技術(shù)，是以一定的角度和密度，一定長度置于土體的土釘桿件及注漿體為主要受力構(gòu)件，與鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土面層共同組成的擋土結(jié)構(gòu)，承受墻后土體的主動土壓力，從而保持開挖面的穩(wěn)定，這樣的擋土墻稱為土釘墻。土釘墻支護(hù)具有節(jié)約工期，簡便易施工，工程造價低的優(yōu)點。近幾年出現(xiàn)的復(fù)合式土釘擋土墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)能很好的應(yīng)用到地下水位低的基坑支護(hù)當(dāng)中[6]。工程實踐證明，基坑深度小于10m，基坑安全等級為二級，且周邊建筑物比較密集，工期要求緊時，采用土釘墻支護(hù)是既經(jīng)濟(jì)又有效的方法[7]。
　　6）錨桿支護(hù)所用的錨桿是一種受拉構(gòu)件，整根錨桿在長度上分為錨固段和自由鍛。錨固段是它在土中以摩擦力形式傳遞荷載的部分，其上部連接自由段，自由段僅把錨固力傳遞到錨頭處，錨頭是進(jìn)行張拉和把錨固力錨定在結(jié)構(gòu)上的裝置，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生錨固力[4]。錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)是由擋土墻和錨固于基坑滑動面以外穩(wěn)定土體的錨桿組成。特別適用于位移控制要求嚴(yán)格的基坑和超深基坑。錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)。它能很好的與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)形式共同作用以達(dá)到支護(hù)的目的。
　　2  深基坑工程降水深基坑施工過程中，為保證施工安全和減少基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，當(dāng)基坑開挖深度內(nèi)存在飽和軟土層和含水層或下部承壓水對基坑底板產(chǎn)生影響時，就需進(jìn)行基坑降水。基坑降水可以防止基坑坡面和基底的滲水，保證坑底干燥，便于施工開挖。地下水位的變化會引起土顆粒有效應(yīng)力的改變。劇烈的地下水位變化是地面不均勻沉降、基坑失穩(wěn)及鄰近建筑物破壞的直接原因。沉降規(guī)律受基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑寬度、開挖深度、地層性質(zhì)等因素的影響。大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，降水引起的地面沉降是一個緩慢的過程，沉降完成往往需要幾個月時間。短期降水，在固結(jié)還未完成的情況下，地下水位就迅速回升，對地面沉降有影響但并不明顯。地下水恢復(fù)后會造成沉降地面回彈，回彈量跟沉降量有關(guān)，但回彈量一般小于沉降量。因此，在降水后，采取回灌地下水的措施，能夠補(bǔ)償降水引起的沉降[9]。

　深基坑降水方法:
　　1）在城市管網(wǎng)和建筑密集的地段，進(jìn)行深基坑開挖，當(dāng)降水引起土體固結(jié)沉降時，會危及周圍建筑物和地下管道的安全和使用，宜采用截水的方法來控制地下水。國內(nèi)外堵截地下水的方法有多種，如鋼板樁、地下連續(xù)墻、防滲帷幕等。
　　2）降水法通常指采用各類井點降低地下水位的方法。在擬建的工程基坑周圍埋設(shè)若干井點管，配置一定的抽水設(shè)備，在不擾動土的結(jié)構(gòu)的情況下，不間斷的抽走地下水，使基坑地下水降至設(shè)計深度。群井降水是深基坑開挖中經(jīng)常采用的臨時性降水方法。
　　3）帷幕-排水這種降水方案本身具有許多優(yōu)越性�；釉O(shè)置的帷幕具有兩方面的功效：一是防止基坑周邊地下水向基坑內(nèi)滲入，減少基坑內(nèi)的排水量；二是起到支護(hù)基坑側(cè)壁作用。該法能有效地控制由于基坑內(nèi)降水引起的基坑周邊地面沉降。
　　3  深基坑工程的發(fā)展趨勢在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和周圍環(huán)境限制條件下，深基坑工程支護(hù)設(shè)計與施工難度加大，對于采取多種支護(hù)型式的工程，其設(shè)計計算模型應(yīng)如何建立、計算簡圖怎樣選取、設(shè)計方法如何趨于正確，仍是當(dāng)前多種支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中急需解決的問題。
　　深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍采用傳統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)荷載法”。計算結(jié)果與深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實際受力有較大差距，既不安全也不經(jīng)濟(jì)。由于土的本構(gòu)關(guān)系尚在發(fā)展中，連續(xù)介質(zhì)有限元法缺乏真實反映土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的模型，計算參數(shù)難以準(zhǔn)確確定，還不能準(zhǔn)確計算出支護(hù)結(jié)構(gòu)及土體的位移，目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用[9]。國內(nèi)外巖土工作者對探討和建立動態(tài)設(shè)計體系已形成共識，許多學(xué)者已開始從事這方面的研究。
　　為減小深基坑工程帶來的環(huán)境效應(yīng)，如降水引起的地面附加沉降，或出于保護(hù)地下水資源的需要，有時基坑采用帷幕形式進(jìn)行支護(hù)。除地下連續(xù)墻外，一般采用旋噴樁或深層攪拌樁等工法構(gòu)筑成止水帷幕。目前，有將水利工程中防滲墻的工法引入到深基坑工程中的趨勢[10]。
　　深基坑工程監(jiān)測是深基坑工程施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)信息化施工能夠?qū)⒏鞣矫嫘畔⒓皶r反饋給基坑開挖組織者，根據(jù)預(yù)測判定施工對周圍環(huán)境造成影響的程度。對基坑支護(hù)體系變形及穩(wěn)定狀態(tài)加以評價，并預(yù)測進(jìn)一步挖土施工后將導(dǎo)致的變形及穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展，制定進(jìn)一步施工策略。
　　4  結(jié)語深基坑工程是巖土工程的一個新的領(lǐng)域，由于地質(zhì)的復(fù)雜性、受力狀態(tài)的多變性、結(jié)構(gòu)形式的多樣性，構(gòu)成了其自身的特殊性，給深基坑工程領(lǐng)域帶來了新課題。筆者對深基坑的興起和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析，重點論述了深基坑工程的支護(hù)形式、深基坑工程降水及土工試驗。對深基坑工程的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。隨著基坑支護(hù)理論水平的發(fā)展和計算機(jī)大型模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用，基坑支護(hù)的方法和監(jiān)測手段會越來越先進(jìn)，施工設(shè)備會逐步更新。在工程界和學(xué)術(shù)界的共同努力下，深基坑工程技術(shù)一定會出現(xiàn)新的突破。
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　�、� 引自中華人民共和國 建質(zhì)[2009]87號《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》一文.
　　收稿日期：2012－07－11基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51174268）作者簡介：張向東，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程和交通土建方面的教學(xué)與科研工作。
　　基金項目資助：國家自然科學(xué)基金項目（51174268）作者簡介：張向東，男，1962年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。
　　Email：Zhxd2008@yahoo.com.cn <mailto:Zhxd2008@yahoo.com.cn>。電話：18941827711
 
關(guān)鍵詞： 深基坑工程 發(fā)展
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