談巖土工程深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工及其優(yōu)化過程管理

劉堰陵

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢430015）

1 引言

長期以來，我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中投入了大量的人力、物力，推動(dòng)各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃不斷落實(shí)，隨著施工規(guī)模和施工范圍的逐步拓展，巖土工程深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工面臨著更大的壓力和更高的質(zhì)量要求，在工程深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工過程中相關(guān)人員必須堅(jiān)持精細(xì)化管理理念。

2 巖土工程深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)分析

2.1 土壓力計(jì)算

“十二五”期間，政府加大保障性住房建設(shè)力度，保障房投資高達(dá)1.3×104億元；水利工程建設(shè)的高潮也即將到來，水利固定資產(chǎn)投資將達(dá)2×104億元，眾多大型項(xiàng)目投入建設(shè)，巖土工程行業(yè)潛力巨大，前景光明。鑒于此，對(duì)深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算進(jìn)行介紹。

根據(jù)巖土工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移方向，土壓力主要分為靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。其中，靜止土壓力主要是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的擋土墻體不發(fā)生位移或不發(fā)生明顯位移時(shí)，擋土墻結(jié)構(gòu)受到的土體作用力；主動(dòng)土壓力是擋土墻結(jié)構(gòu)受到土體壓力產(chǎn)生位移后土體應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，土體對(duì)擋土墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最小壓力，主動(dòng)土壓力結(jié)構(gòu)如圖1 所示。被動(dòng)土壓力是指擋土墻受到外部壓力的作用產(chǎn)生整體位移，當(dāng)擋土墻結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力平衡狀態(tài)時(shí)土體與墻體之間的最大壓力，被動(dòng)土壓力結(jié)構(gòu)如圖2 所示。為明確各類型土壓力的具體值，支持巖土工程深基坑支護(hù)合理設(shè)計(jì)，需要借助郎肯土壓力理論進(jìn)行土壓力值實(shí)際計(jì)算。計(jì)算公式為：

式（1）、式（2）中，Ep為被動(dòng)土壓力（體現(xiàn)被動(dòng)土壓力下墻體的受力情況）；Eb為主動(dòng)土壓力；γ 為土體的重度；H為土體圍墻的高度；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)。

圖1 主動(dòng)土壓力結(jié)構(gòu)圖

圖2 被動(dòng)土壓力結(jié)構(gòu)圖

2.2 空間效應(yīng)分析

前文中主要對(duì)巖土工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算進(jìn)行了介紹，可知不同環(huán)境中巖土工程的擋土墻結(jié)構(gòu)主要存在2 種狀態(tài)，即不發(fā)生位移或不發(fā)生明顯位移以及發(fā)生位移，位移的發(fā)生主要來源于擋土墻與土層的互相作用，從這一角度上來看，要想保證巖土工程深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還應(yīng)從空間效應(yīng)上分析深基坑的結(jié)構(gòu)位移特征，以下對(duì)其進(jìn)行介紹。

在分析空間效應(yīng)時(shí)不僅應(yīng)該重點(diǎn)掌握深基坑中土體對(duì)擋土墻結(jié)構(gòu)的水平作用力，還應(yīng)分析空間環(huán)境中擋土墻結(jié)構(gòu)的承受應(yīng)力分布，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合該地區(qū)土壤環(huán)境、地質(zhì)情況、水文情況進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)探究，掌握深基坑支護(hù)施工環(huán)境中土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及空間位移情況，按照太沙基理論進(jìn)行抗隆起驗(yàn)算。其計(jì)算公式為：

式中，Pu為極限承載力；c為土壤的內(nèi)聚力；q為基底水平面以上基礎(chǔ)兩側(cè)的超載；Nc、Nq、Nγ為無量綱承載力因數(shù)；γ 為土的重度；b為土體結(jié)構(gòu)的高度系數(shù)。

該公式適用于條形荷載下的整體剪切破壞，在局部剪切破壞計(jì)算中，應(yīng)用如下公式展開：

式中，Pu為極限承載力；c為土壤的內(nèi)聚力；Nc′、Nq′、Nγ′為無量綱承載力因數(shù)；γ 為土的容量；q為基底水平面以上基礎(chǔ)兩側(cè)的超載；b為土體結(jié)構(gòu)的高度系數(shù)。

若存在較大空間位移風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采用應(yīng)力抵抗性措施，使深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性，避免由于巨大空間位移造成深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)塌陷，影響施工質(zhì)量，降低施工安全系數(shù)。另外，在空間效應(yīng)分析上，還應(yīng)重點(diǎn)掌握空間位移的移動(dòng)特征和移動(dòng)方向，以在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定抵抗力方向，明確設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

近年來，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃的不斷推進(jìn)下，巖土工程的施工比例呈現(xiàn)了明顯的上升趨勢，施工規(guī)模逐漸擴(kuò)大，施工難度與日俱增，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)有助于保證巖土工程的整體穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，相關(guān)人員應(yīng)具備全面性設(shè)計(jì)理念和精細(xì)化設(shè)計(jì)理念，能夠?qū)?shí)際施工環(huán)境中的各種施工因素和施工條件進(jìn)行全面掌握，結(jié)合理論分析現(xiàn)場實(shí)際條件，以明確極限平衡體系下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。另外，為保障工程質(zhì)量，還需在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中對(duì)施工條件和施工環(huán)境的變化性因素進(jìn)行考慮，計(jì)算出板樁墻入土深度，滿足深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的靜態(tài)平衡設(shè)計(jì)要求和動(dòng)態(tài)平衡設(shè)計(jì)要求。公式如下：

式中，t0為板樁墻的最小入土深度；y為土壓力零點(diǎn)距坑底的距離；x為基坑開挖深度。

為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)計(jì)算基坑地面向上位移δ，計(jì)算公式為：

式中，γ 為土層重度；h為土層厚度；q為基坑頂面的地面超載；D為樁嵌入長度；H為基坑開挖深度；c為樁底面處土層黏結(jié)力；φ 為樁底面處土層內(nèi)摩擦角。

3 巖土工程深基坑支護(hù)的施工分析

3.1 規(guī)范深基坑土體取樣

巖土工程深基坑支護(hù)施工與巖土工程整體質(zhì)量具有密不可分的關(guān)系，對(duì)施工安全系數(shù)產(chǎn)生明顯影響。為保證工程穩(wěn)定性，在施工前期需要進(jìn)行深基坑土體取樣，通過土樣實(shí)驗(yàn)來明確土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。以下對(duì)規(guī)范深基坑土體取樣提出2 點(diǎn)建議：

1）深基坑支護(hù)工程具有較高的復(fù)雜性施工特點(diǎn)，為保證土體取樣質(zhì)量，在實(shí)際施工前，現(xiàn)場管理人員應(yīng)對(duì)施工人員進(jìn)行有效培訓(xùn)，并組織施工人員召開技術(shù)交流會(huì)議，在會(huì)議中強(qiáng)調(diào)深基坑支護(hù)施工中的土壤取樣流程，提高施工人員對(duì)土體取樣工作的重視程度。

2）為有效降低巖土工程深基坑支護(hù)施工風(fēng)險(xiǎn)，在土體取樣中相關(guān)人員要有高度的質(zhì)量控制意識(shí)，能有效地識(shí)別土體結(jié)構(gòu)的位移風(fēng)險(xiǎn)。另外，應(yīng)對(duì)于不同施工環(huán)境中的土體進(jìn)行針對(duì)性取樣和標(biāo)準(zhǔn)化取樣，以提高土體結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)和穩(wěn)定性檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度。相關(guān)調(diào)查表明，深基坑土體取樣技術(shù)改進(jìn)前和改進(jìn)后取得的工程經(jīng)濟(jì)效益分別為68.2%和80.6%，施工人員工作效率分別為48.2%和68.8%，均呈明顯提升特征，可知優(yōu)化土體取樣技術(shù)切實(shí)可行【1】。

3.2 加強(qiáng)材料管理

按照巖土工程深基坑支護(hù)質(zhì)量管理要求，為保證空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，解決空間位移問題對(duì)施工質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響，在實(shí)際施工中應(yīng)有效加強(qiáng)材料管理力度。

巖土工程深基坑支護(hù)中材料質(zhì)量管理是不可或缺的重要管理內(nèi)容，相關(guān)人員應(yīng)充分重視材料質(zhì)量對(duì)深基坑支護(hù)工程穩(wěn)定性的影響，在材料購買時(shí)做好市場調(diào)研，選擇性價(jià)比高、質(zhì)量穩(wěn)定的施工材料，并在其進(jìn)場前和使用前做好質(zhì)量檢驗(yàn)工作，出具質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告，以支持質(zhì)量復(fù)檢和質(zhì)量追溯。另外，為避免材料儲(chǔ)存不當(dāng)造成的質(zhì)量損失，還應(yīng)在施工場地中合理規(guī)劃材料儲(chǔ)存空間，并用防水土工布對(duì)其進(jìn)行防水、防潮處理【2】。

3.3 優(yōu)化過程管理

基于巖土工程深基坑支護(hù)施工的復(fù)雜性，為全面保證工程質(zhì)量，施工現(xiàn)場管理人員應(yīng)開展過程管理工作。過程管理工作貫穿于巖土工程深基坑支護(hù)的全生命周期，管理人員要全面掌握土工程深基坑支護(hù)的施工條件、施工環(huán)境，強(qiáng)化質(zhì)量控制效果和技術(shù)管理效果。為有效降低管理難度，管理人員應(yīng)積極借鑒先進(jìn)管理技術(shù)，如BIM 建筑信息模型，發(fā)揮其可視化優(yōu)勢和模型化優(yōu)勢，對(duì)施工現(xiàn)場環(huán)境和具體施工項(xiàng)目進(jìn)行模擬，掌握施工風(fēng)險(xiǎn)，明確質(zhì)量控制重點(diǎn)。在BIM 建筑信息模型的支持下，管理人員能夠充分整合各項(xiàng)施工資源：包括材料管理資源、人員管理資源和技術(shù)管理資源，從多個(gè)方面對(duì)巖土工程深基坑支護(hù)施工進(jìn)行質(zhì)量控制。另外，為保證質(zhì)量控制效果，相關(guān)人員應(yīng)在過程管理過程中設(shè)定階段性管理目標(biāo)，并在后續(xù)施工中針對(duì)不同施工模塊中施工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)督，嚴(yán)格規(guī)范施工現(xiàn)場技術(shù)人員的施工行為，保證巖土工程深基坑支護(hù)工程施工工序的嚴(yán)謹(jǐn)性，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提升安全施工系數(shù)。

4 結(jié)語

目前，我國正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃推進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期，為保證巖土工程深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該精細(xì)化開展土壓力計(jì)算、空間效應(yīng)分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，并在深基坑支護(hù)的施工階段規(guī)范深基坑土體取樣、合理選擇力學(xué)參數(shù)、優(yōu)化過程管理，以提高巖土工程深基坑支護(hù)質(zhì)量控制水平。