摘 要：本文針對當(dāng)前基坑工程因設(shè)計問題而造成工程事故或浪費的現(xiàn)狀問題，分析了產(chǎn)生問題的原因，指出設(shè)計方法存在的缺陷，并針對問題提出了對策。

　　隨著高層建筑的增多和城市用地的日益減少，基坑工程設(shè)計和施工涉及的地質(zhì)條件、巖土性質(zhì)、場地環(huán)境、工程要求、地下水動態(tài)、施工順序和方法 等許多問題越趨復(fù)雜，使基坑的開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為一個具有挑戰(zhàn)性的巖土工程熱門難題。而基坑工程的迅猛涌現(xiàn)與相應(yīng)設(shè)計理論和方法的滯后，給基坑圍結(jié) 構(gòu)護(hù)設(shè)計工作帶來了極大的因難，也使基坑工程的設(shè)計與工程實際狀況存在較大偏差，其結(jié)果是造成工程事故或浪費。

　　1、當(dāng)前基坑圍護(hù)設(shè)計現(xiàn)狀

　　當(dāng)前基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可謂種類繁多，眾采紛紜，形成了多種設(shè)計方法并存的局面。但綜觀基坑工程實際，傳統(tǒng)設(shè)計方法因具有理論上容 易理解和接受、計算模型簡單、計算方便快捷等特點，在工程實際廣為工程設(shè)計人員所習(xí)用。實際運用中又多是采用一種經(jīng)驗估算，這里所謂經(jīng)驗估算就是按照以往 的工程經(jīng)驗，結(jié)合土質(zhì)的特性，選定擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型及入土深度，事先確定擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力分布，然后根據(jù)極限平衡理論（如等值梁、靜力平衡等方法）進(jìn)行 圖解、數(shù)值解或查取已有表格來確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。這種傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法是當(dāng)前基坑工程設(shè)計的主流。

　　隨著基坑工程日趨復(fù)雜化以及計算機的應(yīng)用，許多巖土工作者又熱衷于數(shù)值分析方法的應(yīng)用，如土抗力法，差分法，邊界元法和有限元法等新方法， 并且不少科研機構(gòu)和高�；�于不同分析模型開發(fā)了一些應(yīng)用軟件，應(yīng)該說這對設(shè)計人員是有幫助的。但是這些方法在理論上尚需完善，關(guān)鍵是在如何選取土的本構(gòu)關(guān) 系與計算模型，土的參數(shù)如何確定，以及塑性區(qū)范圍與穩(wěn)定性之間的定量關(guān)系等問題上仍然存在困難，因此尚無直接用平面有限元的計算結(jié)果作為設(shè)計依據(jù)的實例。目前新方法尚未能作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法，多作為某些重大工程問題處理時的一種輔助的分析手段，以進(jìn)行對比。

　　盡管基坑工程實踐不斷增多，在技術(shù)上也有了長足的進(jìn)步。但縱觀基坑工程的實際情況不難發(fā)現(xiàn)，基坑圍護(hù)設(shè)計存在著兩種傾向，一方面由于設(shè)計安 全度不足而造成基坑失穩(wěn)事故的比例較大，另一方面由于設(shè)計過于保守而又造成很大的浪費。一項對103項基坑工程事故進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查分析，統(tǒng)計出事故發(fā)生的 原因，結(jié)果表明與設(shè)計有關(guān)的工程事故比例高達(dá)45%1；而一份十幾個工程的測試數(shù)據(jù)又表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實測應(yīng)力明顯小于設(shè)計值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來2，設(shè)計明顯過于保守。說明現(xiàn)行設(shè)計理論和方法與基坑工程的實際有較大的偏差，確實應(yīng)在設(shè)計方法及其影響因素等方面找找原因。

　　2、 原因分析

　　大量的工程實例表明，上述兩種情況在實際中確實屢見不鮮，究其原因可歸結(jié)為以下兩個方面：

　　1）計算以強度和穩(wěn)定性為主，忽略變形控制

　　上面提到，當(dāng)前的設(shè)計方法是以極限平衡理論為依據(jù)。實際上大多沿用傳統(tǒng)擋土墻設(shè)計計算方法，它只能進(jìn)行強度和穩(wěn)定性計算，無法提供基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計所必須的變形值。所以基坑設(shè)計計算均以強度和穩(wěn)定性為主，而并未研究解決在邊坡失穩(wěn)之前的變形過程。但在當(dāng)前的基坑工程中，由于周邊環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán) 格，基坑變形控制已成為重要的設(shè)計內(nèi)容�；�坑的允許變形和水平、垂直位移的計算是一個較建筑自身允許沉降和沉降計算更為復(fù)雜的課題，又是基坑工程，尤其在軟土地區(qū)和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)無法回避的問題�；�坑工程仍然必須滿足穩(wěn)定性和變形兩方面的要求，與基礎(chǔ)允許沉降有所不同在于基坑工程的允許變形往 往主要取決于周邊環(huán)境的要求，按變形控制已成為許多基坑工程設(shè)計的基本依據(jù)�？梢�，現(xiàn)行的設(shè)計方法并不能完全考慮基坑工程實際應(yīng)考慮的問題，這樣設(shè)計結(jié)果與實際工程的工作狀態(tài)就必然產(chǎn)生差異。

　　2）設(shè)計多以經(jīng)驗估算為主

　　由于基坑工程的復(fù)雜性、不確定性以及對圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受水土壓力認(rèn)識的局限性，迄今為止對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計還沒有一個成熟的理論和計算模式， 未形成完整的、具有普遍指導(dǎo)意義的設(shè)計理論體系，使得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算仍過多地取決于經(jīng)驗，隨意性較大；另一方面，由于土力學(xué)發(fā)展水平所限，有些實 際問題土力學(xué)理論尚無法解決，在研究運用中不得不對土的性質(zhì)作了許多不符實際簡化或假定。例如，對基坑工程經(jīng)常遇到的軟土，其強度隨時間變化的流變性質(zhì)， 雖然已有一些研究成果，但理論上尚不成熟，試驗方法尚不完善，應(yīng)用于工程還剛剛開始，實際中還需要經(jīng)驗；對于非飽和土，應(yīng)用非飽和理論進(jìn)行土壓力計算還未 開始，目前用的還是傳統(tǒng)的土力學(xué)理論，常規(guī)試驗方法測定的強度指標(biāo)，計算結(jié)果自然與實際出入很大；再如某些飽和粉土的流動性、地下水的滲透破壞等等，有的 問題至今對其認(rèn)識還很不夠，有的問題很難計算。

　　在這種情況下，基坑工程設(shè)計依靠經(jīng)驗是必然的了，而且有時經(jīng)驗顯得十分的重要。應(yīng)該說經(jīng)驗是長期工程實踐中積累的寶貴財富，基坑圍護(hù)設(shè)計和 施工，應(yīng)該充分借鑒現(xiàn)有的成功經(jīng)驗，融入自身的特點和要素才能有所創(chuàng)新。但經(jīng)驗總歸是經(jīng)驗，并不能等同于具有普遍指導(dǎo)意義的理論，況且基坑工程具有較強的 區(qū)域性，不同地區(qū)會遇到各種不同的、包含極其復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、現(xiàn)有的理論和經(jīng)驗根本無法解決的問題。這樣基坑圍護(hù)設(shè)計只能借鑒已有的工程經(jīng)驗在實際中摸索，設(shè)計結(jié)果就難以把握了。

　　3、傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法的缺陷。

　　傳統(tǒng)設(shè)計方法以庫侖—朗肯理論為基礎(chǔ)，采用極限平衡法求解，它假定作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)前后墻上的土壓力分別達(dá)到被動土壓力和主動土壓力，在此基礎(chǔ)上再把超靜定的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題簡化為靜定問題求解。國內(nèi)采用較多的有等值梁法和靜力平衡法。這種方法應(yīng)用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，存在以下缺點：

　　1）庫侖—朗肯理論本身包含著與基坑工程實際很不一致的假定；

　　和靜力平衡法。這種方法應(yīng)用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，存在以下缺點：

　　2）難以反映基坑開挖過程中各種因素對墻上土壓力分布的影響；

　　3）無法提供設(shè)計所需的墻體水平位移的數(shù)值，即不能考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形；

　　4）假定支撐為不動支點，不考慮施工過程中支撐設(shè)置前后支撐力的變化，等等。

　　傳統(tǒng)設(shè)計方法以開挖的最終狀態(tài)為基礎(chǔ)，它至少在以下幾個方面與開挖的實際情況是不相符的：

　　1）側(cè)土壓力計算問題

　　基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力具有不確定性，它是土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果，土壓力大小和分布隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型、剛度、支點數(shù)量而異，在開挖過程中隨結(jié)構(gòu)的 變形而動態(tài)地變化，同時它具有施工效應(yīng)、時間效應(yīng)、空間效應(yīng)等特性，這些是傳統(tǒng)擋土墻設(shè)計理論無法考慮的問題。土壓力只有在主（被）動極限平衡狀態(tài)下才可 作為已知的定值，而主（被）動極限平衡狀態(tài)是否達(dá)到，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移是密切相關(guān)的。在基坑外側(cè)的主動區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)側(cè)位移量級達(dá)（0.1～0.3）%H后，就可能出現(xiàn)主動極限平衡狀態(tài)，而基坑內(nèi)側(cè)的被動區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)要向坑內(nèi)位移約達(dá)（2～5）%H，才能達(dá)到被動極限平衡狀態(tài)，這樣大的位移量又是圍護(hù) 結(jié)構(gòu)的安全所不允許的，因此該部位作用的實際上不是被動土壓力，而是某種土抗力，它隨著圍護(hù)樁墻的位移大小而變化，是個不確定量。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，將 不確定土壓力當(dāng)作定值的外荷載來求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及驗算穩(wěn)定性，其計算結(jié)果的不準(zhǔn)確是可想而知的。

　　2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體變形問題

　　圍護(hù)系統(tǒng)和土體的變形是圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分與土體及外界因素相互作用的反映，是結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化與調(diào)整的宏觀結(jié)果。其特征和數(shù)值是整個系統(tǒng)是否正常 工作的最直觀的標(biāo)志，又是突發(fā)性事故的前兆，因而是施工控制的主要依據(jù)。土層的沉降及位移更直接地影響到周圍建筑物、地下管線及道路交通的正常運營。但傳 統(tǒng)設(shè)計方法由于所采用的是剛塑性模型理論，只能進(jìn)行強度與穩(wěn)定分析而難以進(jìn)行變形計算。雖然目前尚有一些經(jīng)驗方法可進(jìn)行估算，但有地區(qū)局限性并缺乏足夠的 理論依據(jù)。

　　3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算問題

　　傳統(tǒng)設(shè)計方法對有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，支撐力也是通過開挖最終狀態(tài)的系統(tǒng)靜力平衡條件確定的。而基坑實際施工過程中，支撐是在土層開挖， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)有一定變形后設(shè)置的。下一道支撐是在上一道支撐受力變形，基坑繼續(xù)開挖后設(shè)置的，并非同時設(shè)置，實際受力條件與設(shè)計條件明顯相異，其數(shù)值理所當(dāng)然 偏離設(shè)計值。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也是按開挖的最終狀態(tài)的土壓力和支撐力計算的。如前所述，側(cè)土壓力和支撐力在開挖過程中是不斷變化的，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力也隨著改變，而不可能是固定不變的。雖然近來有些工程用增量法進(jìn)行進(jìn)行考慮施工過程的內(nèi)力計算，但因為在內(nèi)力計算中仍然引用靜力平衡條件，而無法考慮形變相容和位 移協(xié)調(diào)關(guān)系，所以仍然是相當(dāng)粗糙的。

　　綜上所述，傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法未能準(zhǔn)確的反映基坑工程的真實狀況，或者說傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法存在種種缺陷并不完全適用于技術(shù)要求越來越高的基坑工程圍護(hù)設(shè)計，這正是設(shè)計預(yù)估值與實際工作狀態(tài)存在較大差異的原因所在。

　　4、問題的對策

　　傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法存在諸多的缺陷使得越來越復(fù)雜的基坑工程問題無法妥善解決，新的、更有效的設(shè)計理論和方法尚未成熟，在不確定因素太多的 基坑圍護(hù)體系設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的安全度就難以把握，要使設(shè)計符合實際情況是太難了，至少在目前的技術(shù)發(fā)展水平上是太難了。工程設(shè)計者只有兩種選擇，一是設(shè)計得比較保守，以確保安全而造成浪費；二是要冒較大的風(fēng)險，以節(jié)省投資而將帶來事故隱患。不論作何種選擇，應(yīng)該說對工程的安全與經(jīng)濟都難兩全。如此情形下，工程設(shè)計人員的責(zé)任是在設(shè)計中采取合理的對策，盡可能地使設(shè)計貼近基坑工程的真實狀況。實際運用中可從下列兩方面考慮：

　　4.1 土壓力估算

　　土壓力是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要荷載，若能較準(zhǔn)確地估算土壓力，對基坑工程意義十分重大。但由于影響土壓力的不確定因素太多，要精確地加以確定是很困難的，甚至是不可能的。當(dāng)前沒有精確的理論來保證其正確可靠性的情況下，可從以下兩方面入手：

　　1）通過現(xiàn)場測試和室內(nèi)模型試驗，并依此為基礎(chǔ)，提出簡單實用而盡可能合理的土壓力計算模式。

　　2）計算時著重考慮的因素：土的物理力學(xué)性質(zhì)（重度、抗剪強度）；擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對土體的變位方向和大小；地面坡度、地面荷載與鄰近基礎(chǔ)荷載及可能的動荷載；地下水位及其變化；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度；基坑工程的施工方法與施工順序等等。

　　4.2 動態(tài)設(shè)計

　　傳統(tǒng)設(shè)計方法的主要問題在于一個“靜”字，以開挖的最終狀態(tài)為對象，進(jìn)行定值的設(shè)計。然而基坑開挖工程與其它工程的最大不同之處又在于一個“動”字，在開挖過程中，包含某些土質(zhì)參數(shù)在內(nèi)的各種參量，諸如側(cè)土壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土體應(yīng)力及應(yīng)變等等都在變化，且其變化規(guī)律目前還未被充分掌握，這就產(chǎn)生了設(shè)計結(jié)果與實際情況的差別。對此，比較有效的對策是根據(jù)施工過程的信息反饋不斷修正設(shè)計，以指導(dǎo)施工，這就是動態(tài)設(shè)計。

　　動態(tài)設(shè)計必須建立在嚴(yán)密的現(xiàn)場監(jiān)測基礎(chǔ)之上，通過對開挖全過程實施監(jiān)測，將信息及時反饋，以掌握圍護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑內(nèi)外土體變形移動，隨時調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計，或采取相應(yīng)措施，以確保施工安全，即所謂信息化施工。

　　動態(tài)設(shè)計基本思路是：在設(shè)計方案的優(yōu)化后，通過動態(tài)計算模型，按施工過程對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐次分析，預(yù)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的性狀，例如位移、沉降、土壓力、孔隙水壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等，并在施工過程中采集相應(yīng)的信息，經(jīng)處理后與預(yù)測結(jié)果比較，從而作出決策，修改原設(shè)計中不符合實際的部分。將所采集的信息作為已知量，通過反分析推求較符合實際的土質(zhì)參數(shù)，并利用所推求的較符合實際的土質(zhì)參數(shù)再次預(yù)測下一施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體的性狀，又采集下一施工階段的相應(yīng)信息。如此反復(fù)循環(huán)，不斷采集信息，不斷修改設(shè)計并指導(dǎo)施工，將設(shè)計置于動態(tài)過程中。通過分析預(yù)測指導(dǎo)施工，通過施工信息反饋修改設(shè)計，使設(shè)計及施工逐漸逼近實際。

　　動態(tài)設(shè)計就是要使設(shè)計盡可能逼近實際情況，充分挖掘圍護(hù)結(jié)構(gòu)潛力，實現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟和安全二者達(dá)到最佳狀態(tài)。

　　結(jié)語

　　對于基坑這類具有相當(dāng)復(fù)雜性和不確定性的工程，設(shè)計工作往往只能得到在某種條件下的近似的預(yù)估值，因此對某特定的基坑工程，全面考察其影響土壓力的所有因素，提出盡可能符合實際土壓力計算模式是重要的一步。應(yīng)該著重強調(diào)的是，在完善傳統(tǒng)設(shè)計理論和方法，研究、開發(fā)和推廣更適用于基坑工程特性的新理論、新方法（如數(shù)值分析方法）的同時，進(jìn)行動態(tài)設(shè)計和信息化施工是必須的，而施工監(jiān)測是其最重要的手段，它一方面檢經(jīng)驗設(shè)計的正確性，另一方面有利于積累資料為改進(jìn)設(shè)計理論和施工技術(shù)提供依據(jù)。施工監(jiān)測的數(shù)據(jù)和成果是判別設(shè)計是否安全和經(jīng)濟的依據(jù)，也成為工程決策機構(gòu)必不可少的“眼睛”和“了望塔”，應(yīng)當(dāng)納入工程法規(guī)，通過指令強制推行。這樣才能有效地確�；�坑圍護(hù)的設(shè)計盡可能地逼近工程實際狀況，既避免造成浪費，又可減少甚至杜絕工程事故的發(fā)生，真正達(dá)到工程技術(shù)人員一直追求的最優(yōu)設(shè)計。