摘 要：本文針對(duì)當(dāng)前基坑工程因設(shè)計(jì)問(wèn)題而造成工程事故或浪費(fèi)的現(xiàn)狀問(wèn)題，分析了產(chǎn)生問(wèn)題的原因，指出設(shè)計(jì)方法存在的缺陷，并針對(duì)問(wèn)題提出了對(duì)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(jì)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(fù)雜，使基坑的開(kāi)挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為一個(gè)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(jì)理論和方法的滯后，給基坑圍結(jié) 構(gòu)護(hù)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的因難，也使基坑工程的設(shè)計(jì)與工程實(shí)際狀況存在較大偏差，其結(jié)果是造成工程事故或浪費(fèi)。

　　1、當(dāng)前基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

　　當(dāng)前基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可謂種類繁多，眾采紛紜，形成了多種設(shè)計(jì)方法并存的局面。但綜觀基坑工程實(shí)際，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法因具有理論上容 易理解和接受、計(jì)算模型簡(jiǎn)單、計(jì)算方便快捷等特點(diǎn)，在工程實(shí)際廣為工程設(shè)計(jì)人員所習(xí)用。實(shí)際運(yùn)用中又多是采用一種經(jīng)驗(yàn)估算，這里所謂經(jīng)驗(yàn)估算就是按照以往 的工程經(jīng)驗(yàn)，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(lái)確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法是當(dāng)前基坑工程設(shè)計(jì)的主流。

　　隨著基坑工程日趨復(fù)雜化以及計(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)和高�；�于不同分析模型開(kāi)發(fā)了一些應(yīng)用軟件，應(yīng)該說(shuō)這對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)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(wèn)題上仍然存在困難，因此尚無(wú)直接用平面有限元的計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)的實(shí)例。目前新方法尚未能作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)比。

　　盡管基坑工程實(shí)踐不斷增多，在技術(shù)上也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但縱觀基坑工程的實(shí)際情況不難發(fā)現(xiàn)，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)存在著兩種傾向，一方面由于設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)于保守而又造成很大的浪費(fèi)。一項(xiàng)對(duì)103項(xiàng)基坑工程事故進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查分析，統(tǒng)計(jì)出事故發(fā)生的 原因，結(jié)果表明與設(shè)計(jì)有關(guān)的工程事故比例高達(dá)45%1；而一份十幾個(gè)工程的測(cè)試數(shù)據(jù)又表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)應(yīng)力明顯小于設(shè)計(jì)值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)2，設(shè)計(jì)明顯過(guò)于保守。說(shuō)明現(xiàn)行設(shè)計(jì)理論和方法與基坑工程的實(shí)際有較大的偏差，確實(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)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(jié)為以下兩個(gè)方面：

　　1）計(jì)算以強(qiáng)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(jì)方法是以極限平衡理論為依據(jù)。實(shí)際上大多沿用傳統(tǒng)擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算方法，它只能進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，無(wú)法提供基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所必須的變形值。所以基坑設(shè)計(jì)計(jì)算均以強(qiáng)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(guò)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(lái)越嚴(yán) 格，基坑變形控制已成為重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容�；�坑的允許變形和水平、垂直位移的計(jì)算是一個(gè)較建筑自身允許沉降和沉降計(jì)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(wú)法回避的問(wèn)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(jì)的基本依據(jù)�？梢�(jiàn)，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法并不能完全考慮基坑工程實(shí)際應(yīng)考慮的問(wèn)題，這樣設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際工程的工作狀態(tài)就必然產(chǎn)生差異。

　　2）設(shè)計(jì)多以經(jīng)驗(yàn)估算為主

　　由于基坑工程的復(fù)雜性、不確定性以及對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受水土壓力認(rèn)識(shí)的局限性，迄今為止對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒(méi)有一個(gè)成熟的理論和計(jì)算模式， 未形成完整的、具有普遍指導(dǎo)意義的設(shè)計(jì)理論體系，使得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算仍過(guò)多地取決于經(jīng)驗(yàn)，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(yùn)用中不得不對(duì)土的性質(zhì)作了許多不符實(shí)際簡(jiǎn)化或假定。例如，對(duì)基坑工程經(jīng)常遇到的軟土，其強(qiáng)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(yàn)方法尚不完善，應(yīng)用于工程還剛剛開(kāi)始，實(shí)際中還需要經(jīng)驗(yàn)；對(duì)于非飽和土，應(yīng)用非飽和理論進(jìn)行土壓力計(jì)算還未 開(kāi)始，目前用的還是傳統(tǒng)的土力學(xué)理論，常規(guī)試驗(yàn)方法測(cè)定的強(qiáng)度指標(biāo)，計(jì)算結(jié)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(duì)其認(rèn)識(shí)還很不夠，有的問(wèn)題很難計(jì)算。

　　在這種情況下，基坑工程設(shè)計(jì)依靠經(jīng)驗(yàn)是必然的了，而且有時(shí)經(jīng)驗(yàn)顯得十分的重要。應(yīng)該說(shuō)經(jīng)驗(yàn)是長(zhǎng)期工程實(shí)踐中積累的寶貴財(cái)富，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)和 施工，應(yīng)該充分借鑒現(xiàn)有的成功經(jīng)驗(yàn)，融入自身的特點(diǎn)和要素才能有所創(chuàng)新。但經(jīng)驗(yàn)總歸是經(jīng)驗(yàn)，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(qiáng)的 區(qū)域性，不同地區(qū)會(huì)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(yàn)根本無(wú)法解決的問(wèn)題。這樣基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)只能借鑒已有的工程經(jīng)驗(yàn)在實(shí)際中摸索，設(shè)計(jì)結(jié)果就難以把握了。

　　3、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法的缺陷。

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以庫(kù)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(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力，在此基礎(chǔ)上再把超靜定的結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜定問(wèn)題求解。國(guó)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(jì)中，存在以下缺點(diǎn)：

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

　　和靜力平衡法。這種方法應(yīng)用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(duì)墻上土壓力分布的影響；

　　3）無(wú)法提供設(shè)計(jì)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(dòng)支點(diǎn)，不考慮施工過(guò)程中支撐設(shè)置前后支撐力的變化，等等。

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以開(kāi)挖的最終狀態(tài)為基礎(chǔ)，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(cè)土壓力計(jì)算問(wèn)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(diǎn)數(shù)量而異，在開(kāi)挖過(guò)程中隨結(jié)構(gòu)的 變形而動(dòng)態(tài)地變化，同時(shí)它具有施工效應(yīng)、時(shí)間效應(yīng)、空間效應(yīng)等特性，這些是傳統(tǒng)擋土墻設(shè)計(jì)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(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(dòng)區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)側(cè)位移量級(jí)達(dá)（0.1～0.3）%H后，就可能出現(xiàn)主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，而基坑內(nèi)側(cè)的被動(dòng)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(dòng)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(shí)際上不是被動(dòng)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(gè)不確定量。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，將 不確定土壓力當(dāng)作定值的外荷載來(lái)求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及驗(yàn)算穩(wěn)定性，其計(jì)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(wèn)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(gè)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(yùn)營(yíng)。但傳 統(tǒng)設(shè)計(jì)方法由于所采用的是剛塑性模型理論，只能進(jìn)行強(qiáng)度與穩(wěn)定分析而難以進(jìn)行變形計(jì)算。雖然目前尚有一些經(jīng)驗(yàn)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(jì)算問(wèn)題

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，支撐力也是通過(guò)開(kāi)挖最終狀態(tài)的系統(tǒng)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(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(kāi)挖后設(shè)置的，并非同時(shí)設(shè)置，實(shí)際受力條件與設(shè)計(jì)條件明顯相異，其數(shù)值理所當(dāng)然 偏離設(shè)計(jì)值。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也是按開(kāi)挖的最終狀態(tài)的土壓力和支撐力計(jì)算的。如前所述，側(cè)土壓力和支撐力在開(kāi)挖過(guò)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(lái)有些工程用增量法進(jìn)行進(jìn)行考慮施工過(guò)程的內(nèi)力計(jì)算，但因?yàn)樵趦?nèi)力計(jì)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(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(jì)理論和方法未能準(zhǔn)確的反映基坑工程的真實(shí)狀況，或者說(shuō)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hù)設(shè)計(jì)，這正是設(shè)計(jì)預(yù)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(duì)策

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法存在諸多的缺陷使得越來(lái)越復(fù)雜的基坑工程問(wèn)題無(wú)法妥善解決，新的、更有效的設(shè)計(jì)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(jì)中，結(jié)構(gòu)的安全度就難以把握，要使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者只有兩種選擇，一是設(shè)計(jì)得比較保守，以確保安全而造成浪費(fèi)；二是要冒較大的風(fēng)險(xiǎn)，以節(jié)省投資而將帶來(lái)事故隱患。不論作何種選擇，應(yīng)該說(shuō)對(duì)工程的安全與經(jīng)濟(jì)都難兩全。如此情形下，工程設(shè)計(jì)人員的責(zé)任是在設(shè)計(jì)中采取合理的對(duì)策，盡可能地使設(shè)計(jì)貼近基坑工程的真實(shí)狀況。實(shí)際運(yùn)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(duì)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(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(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)模型試驗(yàn)，并依此為基礎(chǔ)，提出簡(jiǎn)單實(shí)用而盡可能合理的土壓力計(jì)算模式。

　　2）計(jì)算時(shí)著重考慮的因素：土的物理力學(xué)性質(zhì)（重度、抗剪強(qiáng)度）；擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)土體的變位方向和大��；地面坡度、地面荷載與鄰近基礎(chǔ)荷載及可能的動(dòng)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)象，進(jìn)行定值的設(shè)計(jì)。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(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(jì)結(jié)果與實(shí)際情況的差別。對(duì)此，比較有效的對(duì)策是根據(jù)施工過(guò)程的信息反饋不斷修正設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)施工，這就是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

　　動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)必須建立在嚴(yán)密的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)開(kāi)挖全過(guò)程實(shí)施監(jiān)測(cè)，將信息及時(shí)反饋，以掌握圍護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑內(nèi)外土體變形移動(dòng)，隨時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，或采取相應(yīng)措施，以確保施工安全，即所謂信息化施工。

　　動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)基本思路是：在設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化后，通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，按施工過(guò)程對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐次分析，預(yù)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力等，并在施工過(guò)程中采集相應(yīng)的信息，經(jīng)處理后與預(yù)測(cè)結(jié)果比較，從而作出決策，修改原設(shè)計(jì)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(shù)，并利用所推求的較符合實(shí)際的土質(zhì)參數(shù)再次預(yù)測(cè)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(jì)并指導(dǎo)施工，將設(shè)計(jì)置于動(dòng)態(tài)過(guò)程中。通過(guò)分析預(yù)測(cè)指導(dǎo)施工，通過(guò)施工信息反饋修改設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)及施工逐漸逼近實(shí)際。

　　動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)就是要使設(shè)計(jì)盡可能逼近實(shí)際情況，充分挖掘圍護(hù)結(jié)構(gòu)潛力，實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)和安全二者達(dá)到最佳狀態(tài)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)算模式是重要的一步。應(yīng)該著重強(qiáng)調(diào)的是，在完善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)值分析方法）的同時(shí)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工是必須的，而施工監(jiān)測(cè)是其最重要的手段，它一方面檢經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，另一方面有利于積累資料為改進(jìn)設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)提供依據(jù)。施工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和成果是判別設(shè)計(jì)是否安全和經(jīng)濟(jì)的依據(jù)，也成為工程決策機(jī)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(guò)指令強(qiáng)制推行。這樣才能有效地確�；�坑圍護(hù)的設(shè)計(jì)盡可能地逼近工程實(shí)際狀況，既避免造成浪費(fèi)，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(jì)。