基坑是建筑工程的一部分,其发展与建筑业的发展密切相关,随着我国城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现,以及大型市政设施的施工和大量地下空间的开发,必然会有大量的深基坑工程产生.同时,密集的建筑物、基坑周围复杂的地下设施使得放坡开挖基坑这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要,因此,深基坑开挖与支护引起了各方面的广泛重视.
7．1．1 基坑工程的特点
(1)安全储备小、风险大.一般情况下,基坑工程作为临时性措施,基坑围护体系在设计计算时有些荷载,如地震荷载不加考虑,相对于永久性结构而言,在强度、变形、防渗、耐久性等方面的要求较低一些,安全储备要求可小一些,加上建设方对基坑工程认识上的偏差,为降低工程费用,对设计提出一些不合理的要求,实际的安全储备可能会更小一些.因此,基坑工程具有较大的风险性,必须要有合理的应对措施.
(2)制约因素多.基坑工程与自然条件的关系较为密切,设计施工中必须全面考虑气象、工程地质和水文地质条件及其在施工中的变化,充分了解工程所处的工程地质和水文地质、周围环境与基坑开挖的关系及相互影响.基坑工程作为一种岩土工程,受到工程地质和水文地质条件的影响很大,区域性强.我国幅员辽阔,地质条件变化很大,有软土、砂性土、砾石土、黄土、膨胀土、红土、风化土、岩石等,不同地层中的基坑工程所采用的围护结构体系差异很大,即使是在同一个城市,不同的区域也有差异,因此,围护结构体系的设计、基坑的施工均应根据具体的地质条件因地制宜,不同地区的经验可以参考借鉴,但不可照搬照抄.另外,基坑工程围护结构体系除受地质条件制约以外,还要受到相邻的建筑物、地下构筑物和地下管线等的影响,周边环境的容许变形量、重要性等也会成为基坑工程设计和施工的制约因素,甚至成为基坑工程成败的关键,因此,基坑工程的设计和施工应根据基本的原理和规律灵活应用,不能简单引用.基坑支护开挖所提供的空间是为主体结构的地下室施工所用,因此,任何基坑设计,在满足基坑安全及周围环境保护的前提下,应合理地满足施工的易操作性和工期要求.
(3)计算理论不完善.基坑工程作为地下工程,所处的地质条件复杂,影响因素众多,人们对岩土力学性质的了解还不深入,很多设计计算理论,如岩土压力、岩土的本构关系等,还不完善,还是一门发展中的学科.作用在基坑围护结构上的土压力不仅与位移等大小、方向有关,还与时间有关.目前,土压力理论还不完善,实际设计计算中往往采用经验取值,或者按照朗肯土压力理论或库仑土压力理论计算,然后根据经验进行修正.在考虑地下水对土压力的影响时,是采用水土压力合算还是分算更符合实际情况,在学术界和工程界认识还不一致,各地制定的技术规程或规范中的规定也不尽相同.至于时间对土压力的影响,即考虑土体的蠕变性,目前,在实际应用中较少顾及.实践发现,基坑工程具有明显的时空效应,基坑的深度和平面形状对基坑围护体系的稳定性和变形有较大的影响,土体所具有的流变性对作用于围护结构上的土压力、土坡的稳定性和围护结构变形等有很大的影响.这种规律尽管已被初步的认识和利用,形成了一种新的设计和施工方法,但离完善还是有较大的差距.岩土的本构模型目前已多得数以百计,但真正能获得实际应用的模型寥寥无几,即使是获得了实际应用,但和实际情况还是有较大的差距.基坑工程的设计计算理论的不完善,直接导致了工程中的许多不确定性,因此,要和监测、监控相配合,更要有相应的应急措施.
(4)综合性知识经验要求高.基坑工程的设计和施工不仅需要岩土工程方面的知识,也需要结构工程方面的知识.同时,基坑工程中设计和施工是密不可分的,设计计算的工况必须和施工实际的工况一致才能确保设计的可靠性.所有设计人员必须了解施工,施工人员必须了解设计.设计计算理论的不完善和施工中的不确定因素会增加基坑工程失效的风险,所以,需要设计施工人员具有丰富的现场实践经验.
(5)环境效应要考虑.基坑开挖必将引起基坑周围地基中地下水位的变化和应力场的改变,导致周围地基中土体的变形,对临近基坑的建筑物、地下构筑物和地下管线等产生影响,影响严重的将危及相邻建筑物、地下构筑物和地下管线的安全和正常使用,必须引起足够的重视.另外,基坑工程施工产生的噪声、粉尘、废弃的泥浆、渣土等也会对周围环境产生影响,大量的土方运输也会对交通产生影响,因此,必须考虑基坑工程的环境效应.
7．1．2 基坑工程的内容
典型基坑工程是由地面向下开挖的一个地下空间.基坑四周一般为垂直的挡土结构,挡土结构一般是在开挖面基底下有一定插入深度的板墙结构.常用材料为混凝土、钢、木等,挡土结构有土钉墙、复合锚索、排桩锚索、钢筋混凝土板桩、柱列式灌注桩、水泥土搅拌桩、地下连续墙等.
基坑工程设计广义上讲包括勘察、支护结构设计、施工、监测和周围环境的保护等几个方面的内容,比其他基础工程更突出的特殊性是其设计和施工完全是相互依赖,密不可分的.施工的每一个阶段,结构体系和外面荷载都在变化,而且施工工艺的变化,挖土次序和位置的变化,支撑和留土时间的变化等不确定因素非常复杂,且都对最后的结果产生直接影响.因此,绝非最后设计计算简图所能单独决定的.目前的设计理论尚不完善,对设计参数的选取还需改进,还不能事先完全考虑诸多复杂因素,在基坑工程施工中处理不当时可能会出现一些意外的情况,但只要设计、施工人员重视,并密切配合加强监测分析,及时发现和解决问题,及时总结经验,基坑工程的难题会得到有效处理.因此,基坑工程的设计中须考虑施工中每一个工况的数据,而基坑工程的施工中须完全遵照设计文件的要求去做,只有这样,工程才会圆满完成,也只有这样,设计理论和施工技术才会获得快速发展.
城市基坑工程通常处于房屋和生命线工程的密集地区,为了保护这些已建建筑物和构筑物的正常使用和安全运营,常需对基坑工程引起的周围地层移动限制在一定变形值之内,也即分别要求挡土结构的水平位移和其邻近地层的垂直沉降限制在某标准值之内,甚至也限制墙体垂直沉降和地层的水平移动值满足周围环境要求,以变形控制值来分成几类标准,用以完善设计基坑工程的方法,取代单纯验算强度和稳定性的传统做法,在软土地区,变形在控制设计限值方面起着主导作用.
基坑工程的支护结构为支挡和支撑构件,为了满足变形要求可以加大和加密支护结构,但有时更经济有效的办法是在基坑底部进行地基处理,用搅拌桩、注浆等措施改善土体刚度和强度等性质.完整地讲基坑工程的结构构件包括支撑、挡墙和地基加固体三者的整体.
