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

　　隨著(zhù)高層建筑的增多和城市用地的日益減少，基坑工程設計和施工涉及的地質(zhì)條件、巖土性質(zhì)、場(chǎng)地環(huán)境、工程要求、地下水動(dòng)態(tài)、施工順序和方法 等許多問(wèn)題越趨復雜，使基坑的開(kāi)挖和圍護結構的設計成為一個(gè)具有挑戰性的巖土工程熱門(mén)難題。而基坑工程的迅猛涌現與相應設計理論和方法的滯后，給基坑圍結 構護設計工作帶來(lái)了極大的因難，也使基坑工程的設計與工程實(shí)際狀況存在較大偏差，其結果是造成工程事故或浪費。

　　1、當前基坑圍護設計現狀

　　當前基坑工程的圍護結構設計方法可謂種類(lèi)繁多，眾采紛紜，形成了多種設計方法并存的局面。但綜觀(guān)基坑工程實(shí)際，傳統設計方法因具有理論上容 易理解和接受、計算模型簡(jiǎn)單、計算方便快捷等特點(diǎn)，在工程實(shí)際廣為工程設計人員所習用。實(shí)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，結合土質(zhì)的特性，選定擋土圍護結構類(lèi)型及入土深度，事先確定擋土結構上的土壓力分布，然后根據極限平衡理論（如等值梁、靜力平衡等方法）進(jìn)行 圖解、數值解或查取已有表格來(lái)確定支護結構的內力和變形。這種傳統設計理論和方法是當前基坑工程設計的主流。

　　隨著(zhù)基坑工程日趨復雜化以及計算機的應用，許多巖土工作者又熱衷于數值分析方法的應用，如土抗力法，差分法，邊界元法和有限元法等新方法， 并且不少科研機構和高�；�于不同分析模型開(kāi)發(fā)了一些應用軟件，應該說(shuō)這對設計人員是有幫助的。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關(guān) 系與計算模型，土的參數如何確定，以及塑性區范圍與穩定性之間的定量關(guān)系等問(wèn)題上仍然存在困難，因此尚無(wú)直接用平面有限元的計算結果作為設計依據的實(shí)例。目前新方法尚未能作為圍護結構設計的基本方法，多作為某些重大工程問(wèn)題處理時(shí)的一種輔助的分析手段，以進(jìn)行對比。

　　盡管基坑工程實(shí)踐不斷增多，在技術(shù)上也有了長(cháng)足的進(jìn)步。但縱觀(guān)基坑工程的實(shí)際情況不難發(fā)現，基坑圍護設計存在著(zhù)兩種傾向，一方面由于設計安 全度不足而造成基坑失穩事故的比例較大，另一方面由于設計過(guò)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)行細致的調查分析，統計出事故發(fā)生的 原因，結果表明與設計有關(guān)的工程事故比例高達45%1；而一份十幾個(gè)工程的測試數據又表明，圍護結構的實(shí)測應力明顯小于設計值，圍護結構的強度遠遠沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)2，設計明顯過(guò)于保守。說(shuō)明現行設計理論和方法與基坑工程的實(shí)際有較大的偏差，確實(shí)應在設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(shí)例表明，上述兩種情況在實(shí)際中確實(shí)屢見(jiàn)不鮮，究其原因可歸結為以下兩個(gè)方面：

　　1）計算以強度和穩定性為主，忽略變形控制

　　上面提到，當前的設計方法是以極限平衡理論為依據。實(shí)際上大多沿用傳統擋土墻設計計算方法，它只能進(jìn)行強度和穩定性計算，無(wú)法提供基坑圍護結構設計所必須的變形值。所以基坑設計計算均以強度和穩定性為主，而并未研究解決在邊坡失穩之前的變形過(guò)程。但在當前的基坑工程中，由于周邊環(huán)境保護的要求越來(lái)越嚴 格，基坑變形控制已成為重要的設計內容�；�坑的允許變形和水平、垂直位移的計算是一個(gè)較建筑自身允許沉降和沉降計算更為復雜的課題，又是基坑工程，尤其在軟土地區和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)復雜地區無(wú)法回避的問(wèn)題�；�坑工程仍然必須滿(mǎn)足穩定性和變形兩方面的要求，與基礎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計的基本依據�？梢�(jiàn)，現行的設計方法并不能完全考慮基坑工程實(shí)際應考慮的問(wèn)題，這樣設計結果與實(shí)際工程的工作狀態(tài)就必然產(chǎn)生差異。

　　2）設計多以經(jīng)驗估算為主

　　由于基坑工程的復雜性、不確定性以及對圍護結構所承受水土壓力認識的局限性，迄今為止對基坑圍護結構設計還沒(méi)有一個(gè)成熟的理論和計算模式， 未形成完整的、具有普遍指導意義的設計理論體系，使得基坑圍護結構的設計計算仍過(guò)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(shí) 際問(wèn)題土力學(xué)理論尚無(wú)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(shí)際簡(jiǎn)化或假定。例如，對基坑工程經(jīng)常遇到的軟土，其強度隨時(shí)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，應用于工程還剛剛開(kāi)始，實(shí)際中還需要經(jīng)驗；對于非飽和土，應用非飽和理論進(jìn)行土壓力計算還未 開(kāi)始，目前用的還是傳統的土力學(xué)理論，常規試驗方法測定的強度指標，計算結果自然與實(shí)際出入很大；再如某些飽和粉土的流動(dòng)性、地下水的滲透破壞等等，有的 問(wèn)題至今對其認識還很不夠，有的問(wèn)題很難計算。

　　在這種情況下，基坑工程設計依靠經(jīng)驗是必然的了，而且有時(shí)經(jīng)驗顯得十分的重要。應該說(shuō)經(jīng)驗是長(cháng)期工程實(shí)踐中積累的寶貴財富，基坑圍護設計和 施工，應該充分借鑒現有的成功經(jīng)驗，融入自身的特點(diǎn)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意義的理論，況且基坑工程具有較強的 區域性，不同地區會(huì )遇到各種不同的、包含極其復雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、現有的理論和經(jīng)驗根本無(wú)法解決的問(wèn)題。這樣基坑圍護設計只能借鑒已有的工程經(jīng)驗在實(shí)際中摸索，設計結果就難以把握了。

　　3、傳統設計理論和方法的缺陷。

　　傳統設計方法以庫侖—朗肯理論為基礎，采用極限平衡法求解，它假定作用在圍護結構前后墻上的土壓力分別達到被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力，在此基礎上再把超靜定的結構力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜定問(wèn)題求解。國內采用較多的有等值梁法和靜力平衡法。這種方法應用于基坑圍護結構的設計中，存在以下缺點(diǎn)：

　　1）庫侖—朗肯理論本身包含著(zhù)與基坑工程實(shí)際很不一致的假定；

　　和靜力平衡法。這種方法應用于基坑圍護結構的設計中，存在以下缺點(diǎn)：

　　2）難以反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中各種因素對墻上土壓力分布的影響；

　　3）無(wú)法提供設計所需的墻體水平位移的數值，即不能考慮圍護結構和土體的變形；

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

　　傳統設計方法以開(kāi)挖的最終狀態(tài)為基礎，它至少在以下幾個(gè)方面與開(kāi)挖的實(shí)際情況是不相符的：

　　1）側土壓力計算問(wèn)題

　　基坑圍護結構土壓力具有不確定性，它是土體與圍護結構之間相互作用的結果，土壓力大小和分布隨圍護結構類(lèi)型、剛度、支點(diǎn)數量而異，在開(kāi)挖過(guò)程中隨結構的 變形而動(dòng)態(tài)地變化，同時(shí)它具有施工效應、時(shí)間效應、空間效應等特性，這些是傳統擋土墻設計理論無(wú)法考慮的問(wèn)題。土壓力只有在主（被）動(dòng)極限平衡狀態(tài)下才可 作為已知的定值，而主（被）動(dòng)極限平衡狀態(tài)是否達到，與圍護結構的位移是密切相關(guān)的。在基坑外側的主動(dòng)區，圍護結構向坑內側位移量級達（0.1～0.3）%H后，就可能出現主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，而基坑內側的被動(dòng)區，圍護結構要向坑內位移約達（2～5）%H，才能達到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，這樣大的位移量又是圍護 結構的安全所不允許的，因此該部位作用的實(shí)際上不是被動(dòng)土壓力，而是某種土抗力，它隨著(zhù)圍護樁墻的位移大小而變化，是個(gè)不確定量。在圍護結構的設計中，將 不確定土壓力當作定值的外荷載來(lái)求解圍護結構的內力及驗算穩定性，其計算結果的不準確是可想而知的。

　　2）圍護結構和土體變形問(wèn)題

　　圍護系統和土體的變形是圍護結構各部分與土體及外界因素相互作用的反映，是結構內力變化與調整的宏觀(guān)結果。其特征和數值是整個(gè)系統是否正常 工作的最直觀(guān)的標志，又是突發(fā)性事故的前兆，因而是施工控制的主要依據。土層的沉降及位移更直接地影響到周?chē)�建筑物、地下管線(xiàn)及道路交通的正常運營(yíng)。但傳 統設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，但有地區局限性并缺乏足夠的 理論依據。

　　3）圍護結構內力計算問(wèn)題

　　傳統設計方法對有支撐的圍護結構設計中，支撐力也是通過(guò)開(kāi)挖最終狀態(tài)的系統靜力平衡條件確定的。而基坑實(shí)際施工過(guò)程中，支撐是在土層開(kāi)挖， 圍護結構有一定變形后設置的。下一道支撐是在上一道支撐受力變形，基坑繼續開(kāi)挖后設置的，并非同時(shí)設置，實(shí)際受力條件與設計條件明顯相異，其數值理所當然 偏離設計值。圍護結構的內力也是按開(kāi)挖的最終狀態(tài)的土壓力和支撐力計算的。如前所述，側土壓力和支撐力在開(kāi)挖過(guò)程中是不斷變化的，圍護結構內力也隨著(zhù)改變，而不可能是固定不變的。雖然近來(lái)有些工程用增量法進(jìn)行進(jìn)行考慮施工過(guò)程的內力計算，但因為在內力計算中仍然引用靜力平衡條件，而無(wú)法考慮形變相容和位 移協(xié)調關(guān)系，所以仍然是相當粗糙的。

　　綜上所述，傳統設計理論和方法未能準確的反映基坑工程的真實(shí)狀況，或者說(shuō)傳統設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(lái)越高的基坑工程圍護設計，這正是設計預估值與實(shí)際工作狀態(tài)存在較大差異的原因所在。

　　4、問(wèn)題的對策

　　傳統設計理論和方法存在諸多的缺陷使得越來(lái)越復雜的基坑工程問(wèn)題無(wú)法妥善解決，新的、更有效的設計理論和方法尚未成熟，在不確定因素太多的 基坑圍護體系設計中，結構的安全度就難以把握，要使設計符合實(shí)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。工程設計者只有兩種選擇，一是設計得比較保守，以確保安全而造成浪費；二是要冒較大的風(fēng)險，以節省投資而將帶來(lái)事故隱患。不論作何種選擇，應該說(shuō)對工程的安全與經(jīng)濟都難兩全。如此情形下，工程設計人員的責任是在設計中采取合理的對策，盡可能地使設計貼近基坑工程的真實(shí)狀況。實(shí)際運用中可從下列兩方面考慮：

　　4.1 土壓力估算

　　土壓力是基坑圍護結構的主要荷載，若能較準確地估算土壓力，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。當前沒(méi)有精確的理論來(lái)保證其正確可靠性的情況下，可從以下兩方面入手：

　　1）通過(guò)現場(chǎng)測試和室內模型試驗，并依此為基礎，提出簡(jiǎn)單實(shí)用而盡可能合理的土壓力計算模式。

　　2）計算時(shí)著(zhù)重考慮的因素：土的物理力學(xué)性質(zhì)（重度、抗剪強度）；擋土圍護結構相對土體的變位方向和大��；地面坡度、地面荷載與鄰近基礎荷載及可能的動(dòng)荷載；地下水位及其變化；圍護結構的剛度；基坑工程的施工方法與施工順序等等。

　　4.2 動(dòng)態(tài)設計

　　傳統設計方法的主要問(wèn)題在于一個(gè)“靜”字，以開(kāi)挖的最終狀態(tài)為對象，進(jìn)行定值的設計。然而基坑開(kāi)挖工程與其它工程的最大不同之處又在于一個(gè)“動(dòng)”字，在開(kāi)挖過(guò)程中，包含某些土質(zhì)參數在內的各種參量，諸如側土壓力、結構內力、土體應力及應變等等都在變化，且其變化規律目前還未被充分掌握，這就產(chǎn)生了設計結果與實(shí)際情況的差別。對此，比較有效的對策是根據施工過(guò)程的信息反饋不斷修正設計，以指導施工，這就是動(dòng)態(tài)設計。

　　動(dòng)態(tài)設計必須建立在嚴密的現場(chǎng)監測基礎之上，通過(guò)對開(kāi)挖全過(guò)程實(shí)施監測，將信息及時(shí)反饋，以掌握圍護結構和基坑內外土體變形移動(dòng)，隨時(shí)調整施工參數，優(yōu)化設計，或采取相應措施，以確保施工安全，即所謂信息化施工。

　　動(dòng)態(tài)設計基本思路是：在設計方案的優(yōu)化后，通過(guò)動(dòng)態(tài)計算模型，按施工過(guò)程對圍護結構進(jìn)行逐次分析，預測圍護結構在施工過(guò)程中的性狀，例如位移、沉降、土壓力、孔隙水壓力、結構內力等，并在施工過(guò)程中采集相應的信息，經(jīng)處理后與預測結果比較，從而作出決策，修改原設計中不符合實(shí)際的部分。將所采集的信息作為已知量，通過(guò)反分析推求較符合實(shí)際的土質(zhì)參數，并利用所推求的較符合實(shí)際的土質(zhì)參數再次預測下一施工階段圍護結構及土體的性狀，又采集下一施工階段的相應信息。如此反復循環(huán)，不斷采集信息，不斷修改設計并指導施工，將設計置于動(dòng)態(tài)過(guò)程中。通過(guò)分析預測指導施工，通過(guò)施工信息反饋修改設計，使設計及施工逐漸逼近實(shí)際。

　　動(dòng)態(tài)設計就是要使設計盡可能逼近實(shí)際情況，充分挖掘圍護結構潛力，實(shí)現圍護結構的經(jīng)濟和安全二者達到最佳狀態(tài)。

　　結語(yǔ)

　　對于基坑這類(lèi)具有相當復雜性和不確定性的工程，設計工作往往只能得到在某種條件下的近似的預估值，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(shí)際土壓力計算模式是重要的一步。應該著(zhù)重強調的是，在完善傳統設計理論和方法，研究、開(kāi)發(fā)和推廣更適用于基坑工程特性的新理論、新方法（如數值分析方法）的同時(shí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設計和信息化施工是必須的，而施工監測是其最重要的手段，它一方面檢經(jīng)驗設計的正確性，另一方面有利于積累資料為改進(jìn)設計理論和施工技術(shù)提供依據。施工監測的數據和成果是判別設計是否安全和經(jīng)濟的依據，也成為工程決策機構必不可少的“眼睛”和“了望塔”，應當納入工程法規，通過(guò)指令強制推行。這樣才能有效地確�；�坑圍護的設計盡可能地逼近工程實(shí)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，真正達到工程技術(shù)人員一直追求的最優(yōu)設計。