随着迅猛发展的城市建设步伐,有限的土地难以满足日益增长的工程项目需求,于是人们开始转向地下、高空大力的发展建筑空间。无论是超高层建筑还是高层建筑和地下结构,基坑的支护和开挖与都是需要广大的从业人员面对的关键问题。基坑工程是集岩土工程、工程地质、岩土测试、结构工程等技术于一体的工程,涉及水文地质、场地工程、土体稳定与强度,还关系到支护结构变形内力、及土结构的相互作用,同时还关系到环境影响评价等问题。基坑工程实践先于理论研究,使得相关的分析与设计水平滞后,一定程度上阻碍其发展,而且因此深基坑支护技术的经济性以及安全性缺乏足够的理论保证。所以,对基坑的设计理论和实际施工的应用研究显得意义重大[1]。
1· 深基坑工程及支护技术简介
经济建设迅猛发展,大量涌现城市大型、超高层建筑,基坑工程呈现工程距离近、场地紧凑、规模和尺寸大、开挖深度大的特点,是大型高层建筑施工的重要环节,深基坑支护结构技术是保证安全施工的关键方法。我国施工验收规范对深基坑尚未作出明确界定,关于深基坑支护开挖,可以根据施工条件及场地,选择方法很多。其中,有100 余年历史的人工挖孔桩资历最深,逐步发展演化出现钢板桩、钻孔桩、地下连续墙、预制钢筋混凝土桩等技术,及深层搅拌桩等技术。20 世纪70 年代,在上述传统方法中世界各国开始大量引入锚固技术,出现板锚、桩锚、撑锚、管锚等联合支护的结构形式,得到了广泛应用。常处于城市中密集的深基坑工程周围有道路桥梁、建筑物、地铁隧道、地下管线、人防工程等,支护工程尽管属于临时性的工程,但技术复杂,难度远远大于上部结构的设计施工和基础建设的施工,设计中的不合理和疏忽,都会给在建工程带来极大的安全隐患,对于周围建筑的安全使用都会造成一定的威胁,并且在其施工和设计中,需要参考众多的设计参数,防止深基坑支护工程的稳定,对深基坑支护工程来说,科学的设计和事故的防范是施工中的重点[2]。
2 ·深基坑工程内容及施工特点
20 世纪80 年代初我国开始进入深基坑领域,90 年代后,我国开始大范围涌现基坑支护工程,经过发展,我国目前深基坑工程特点如下:高层化建筑越来越多,基坑开挖深度加大。开挖面积大,宽度长度达数百米,支撑系统带难度较大。基坑开挖在软弱土层中,会产生较大沉降位移,对市政实施、地下管线、周围建筑以产生威胁。场地狭窄施工工期长,重物堆放降雨等影响基坑稳定性。相邻场地施工中,降水、打桩、挖土及基础浇筑混凝土等工序相互影响制约与协调工作难度增加[3]。以结构受力特点划分,基坑支护分为以下三类类型:
(1)被动受力支护结构。依靠自身结构刚度和强度的支护结构,限制土体变形,被动的承受土压力,保持土体边坡稳定安全。常用的方法为传统支护技术如机械钻孔桩、人工挖孔桩、钢管桩、钢板桩、地下连续墙体、支撑围护结构。
(2)主动受力支护。通过不同方法和途径提高土体强度,使土体与支护材料形成共同作用。常用方法有土钉支护和搅拌桩技术等,软土地区采用搅拌桩技术较多。
(3)组合形式。组合形式同时将前两种支护方法应用到基坑工程中,在许多工程中应用成功,表现出很大的优势。
3· 深基坑支护工程当前存在的问题
(1)支护结构实际受力、设计计算不符。基于极限平衡理论的深基坑支护结构设计计算的实际受力并不简单。实践证明,采用极限平衡理论计算安全系数的支护结构,理论上绝对安全;有的支护结构安全系数比较小,但实际工程获得成功。说明极限平衡理论中参数方法选择体系存在不足,深基坑支护结构的极限平衡理论是静态设计,实际开挖土体处于动态平衡状态,时间的延长土体强度下降,产生变形,设计中应充分考虑,目前设计中却被忽视,造成不完善的设计方法。
(2)土体的物理力学参数在设计中选择不当。深基坑开挖后,土体物理力学参数可变,选取相应参数值复杂,沿用朗肯公式、库仑公式,准确计算作用在深基坑支护结构的压力很难。土体物理力学参数取值对结果影响很大,选择不当的参数,直接威胁到支护结构安全性。
(3)对存在的空间效应考虑不周。深基坑开挖资料表明:基坑周边土体向基坑内发生水平位移的规律是中间两边,长边的居中位置常发生深基坑边坡失稳,基坑开挖与空间分布有关系,基坑开挖属于空间问题。传统深基坑支护设计按平面应变处理,忽略开挖空间效应,深基坑支护结构设计中在近似长方形深基坑的软土地区产生较大偏差[4]。
(4)不完全性的深基坑土体取样。地基土层的取样分析试验,准确的物理力学指标为支护结构设计提供依据。但按照国家勘察规范进行钻探取样,为降低造价减少勘察工作量,钻孔数量有限,土样有随机性,对极其复杂的地质构造、场地多变,所取土样不能反映地基土层真实性,导致后续支护结构设计有偏差,不能实际支护需要。
4· 深基坑常见事故
随着不断增加的高层建筑,大力发展的市政建设和开发利用地下空间,产生大量的深基坑支护施工问题,成为基础工程的难点。在深基坑设计中,常见的质量事故有基坑开挖和基坑支护问题,深基坑工程,常见的事故主要有:支护结构整体失稳,常见有两种:支护结构顶部较大位移,向基坑内倾覆滑动;支护桩底发生位移,桩身后仰支护结构倒塌。支护结构破坏断裂,基坑周围产生地面沉降,影响周围地下管线、建筑物、道路安全使用。基坑底部隆起变形的后果破坏基坑底土体稳定性,降低坑底土体承载力;造成基坑周围地面沉降;基坑内设有内支撑时,坑底隆起造成支撑体系中立柱的上抬,破坏支撑体系[5]。
5· 深基坑支护结构的施工要求
支撑体系布置设计应考虑:因地制宜选择支撑体系和材料,优化其综合技术经济指标。受力明确的支撑体系,各杆件的力学性能充分协调发挥,经济合理,安全可靠,在控制变形和稳定性上满足保护周围环境的设计要求。布置支撑体系能可靠安全的前提下,最大限度方便土方开挖,方便主体结构施工要求。选支护结构遵循“经济、安全、合理”原则,综合周边环境、基坑平面尺寸、场地工程地质、安全性要求、施工季节、水文地质条件、施工机械设备、施工便捷性、地区经验做法、社会效益、相应行业条例规范、经济性要求等因素,合理的选择深基坑支护结构,可以优化细节。深基坑支护结构设计选型时,基坑侧壁变形控制安全和等级需确立并考虑。确立基坑侧壁安全等级后,查阅相关规范条例给定变形限值,指导深基坑支护结构的设计。基坑支护具有多样性,支护工程施工途径非唯一。设计是基坑支护成败的关键,制约着基坑工程的经济安全。
6· 结束语
基坑支护是临时性施工措施,对于在建工程的稳定和安全都极为重要,对于周边环境的影响极大,深基坑的支护在设计和选择中必须遵循相关的规范,科学的原则上进行计算,同时还应该考虑实际的土体情况,地质地基情况和周围环境的具体情况,综合考虑各项因素,方案的确定中,对于开挖的深度和排水的方式,水文情况,施工的安全和稳定性的保障措施等,只有全面的考虑,秉承科学的原则,才会真正的起到环境保护,资源节约,安全施工的原则,保证工程的快速和高质量。