6. 深基坑 高边坡工程勘察设计的土力学问题之一

深基坑、高边坡工程中的土力学问题

超深基坑工程在我国的出现，既显示了我国岩土工程的成就和发展水平，也对我国岩土工程界提出了挑战，许多工程成功的经验值得我们去总结，不少事故的教训也值得我们去记取。在实用技术不断取得进展的同时，希望基本理论的研究也能同步发展。

从1980年代以来的30年间我国的深基坑工程的发展，大体上经历了三个阶段。

最初的十年间，基坑工程开始在当时的一线城市出现，但基坑的开挖深度很少超过10m。那时采用的围护结构大多是水泥土搅拌桩

重力式结构或排桩加止水帷幕。止水帷幕大多采用水泥土搅拌桩，也有用旋喷桩的。当时地下连续墙已开始使用，但用得并不多，逆作法刚开始试验使用。那时发生了一些工程事故，深基坑工程引起了社会的广泛注意，岩土工程界人士开始研究基坑工程的数值计算方法和计算程序，施工监测也开始引起人们的重视。但当时还没有技术标准，一些城市和企业编制了有关基坑开挖的一些技术指南。

在第二个十年间，在更多的一线城市和一些发展比较快的二线城市出现深基坑工程, 开始出现超深、超大的深基坑工程，基坑面积达到2～3万平方米，深度达到20m左右。我国的深基坑工程技术水平和管理水平有了明显的提高。总结了前十余年的工程经验教训，陆续出台了几本基坑工程的技术标准，包括全国的标准和一些地方的标准，同时也出现了商品化的基坑工程设计计算软件。设计方法和施工技术

有了较大的发展，地下连续墙得到了广泛的应用。SMW工法开始用于工程，两墙合一的设计方法刚开始使用，逆作法施工得到了推广应用，有些城市，如上海和广州已编制了逆作法的工法。

在第三个十年间，我国的深基坑工程技术出现了明显的飞跃。在更多的城市中，大规模地兴建高层建筑和地下铁道，地下工程向更深部发展空间，出现了更深、更大的深基坑工程，基坑面积如天津市117大厦达9.6万平方米，上海虹桥综合交通枢纽达到35万平方米。开挖深度如苏州东方之门22m，上海世博变电站34m，上海董家渡修复基坑41m，润杨大桥南锚碇29m，北锚碇50m。深基坑工程施工与相邻环境的相互影响更趋严峻，在一些城市里又出现了新一波的深基坑工程事故。

出现了一些新的施工设备与工法，从国外引进了新的设备，发展形成了超深水泥土搅拌桩工艺，成桩深度可达50~60m，可适用于标准贯入锤击数达到100的砂土层，卵石层。例如CSM工法—铣削深层搅拌技术，形成矩形槽段改良土体，其施工深度可达50m，可用于粉砂、砂层、砂砾石层等，可以切削强度35MPa以内的岩石或混凝土。TRD工法将链锯型切割刀具插入地基，掘削至墙体设计深度可达60m，可适用于贯入击数100以内的土层及q u≤5MPa的软岩中施工。基坑工程的技术标准进行了新一轮的修订，也推出了与之相关的一些配套的专门的标准。

超深基坑工程技术的发展，对土力学的研究提出了一些有待研究和解决的问题。

超深基坑工程的施工明显地改变了土体的应力条件，而且应力变化的路径也不同于加载条件。在一般工程条件下，在土体中产生了沿加载路径的应力变化，而在基坑开挖时，土体中的应力是沿着卸载路径变化的。

如何结合超深基坑工程的实践，研究卸载应力路径对设计、计算和土工试验的影响是一个值得重视的研究方向。

例如，《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011对于抗隆起稳定性的验算公式，所用的是由十字板试验测定的总强度，这个原位测试的总强度反映了土层在原位应力条件下的不排水强度。但是在超深基坑工程的坑底以下的土层，在开挖基坑土体卸荷以后由原来的正常压密状态，变为超压密状态。但目前的一般工程解法都没有考虑土体压密状态变化对土的抗剪强度的影响。

基坑开挖以后，处于超压密状态土的不排水强度与正常压密状态的不排水强度存在如下的关系:

m NC

u OC u n p S p S = C

S C C C C m −= 式中：n —超压密比； oc

u p s

—超压密土（即基坑开挖以后土所处的状态）的不排水强度与当前的固结压力之比； Nc

u p s —正常压密土（即基坑开挖以前土所处的状态）的不排

水强度与当前的固结压力之比；

m—可用单向固结试验、K0固结试验和等向固结试验测定土的压缩指数C c和膨胀指数C s进行计算。

但关注这方面的研究比较少。

超深基坑工程的施工对土体强度变形特性和建筑物地基基础的性状产生了许多重要的影响，也值得关注和研究。

超深基坑工程的开挖、降水等施工过程，极大地改变了土体的原始应力条件和原始物理状态，在深基坑工程的勘察设计中，如何研究这些因素对土的抗剪强度和变形特性影响的规律性是一个研究的方向。

降水改变了土体的应力条件与水文条件，对土的强度和变形特性有什么样的影响也是值得研究的课题，可以采用原位测试的方法或降水前后取土试验的方法来研究。例如，对上海软土，有些对比试验资料显示，降水可以使不排水强度提高35%。

抗剪强度试验的加载条件如何模拟超深基坑工程土体的应力变化条件，研究卸载应力路径条件下的三轴抗剪强度试验。卸载应力路径的三轴试验对仪器有特殊的要求，由于常规三轴仪的轴向压力与周围压力是联动的，因此不能做这种试验，需要采用轴向压力与周围压力完全分开施加的特殊三轴仪做试验。

已有的研究表明，卸载应力路径试验的黏聚力和内摩擦角都比常规三轴试验的结果小，开挖的深度越深，减小的百分比越大。

超深基坑工程施工条件对地基基础性状所产生的影响也不容忽

视。开挖产生的负孔隙水压力对土体稳定性产生重要的影响，开挖产生的负孔隙水压力能提高土的抗剪强度，但这个强度增加量会随着负压的消散而消逝。因此挖方边坡失稳最危险的时刻不在挖方结束时，而在负孔隙水压力消散的过程中，因强度减低。安全度下降而发生破坏。在负孔隙水压力消散以前，基坑处于破坏风险极高的状态。曾经发生的一些基坑的重大事故用血的教训验证这个客观规律。

30多年来，由于高层建筑、地下空间的发展，深基坑工程的规模之大、深度之深，成为岩土工程中事故最为频繁的领域，给岩土工程界提出了许多技术难题。因此也是岩土工程中发展最为活跃的领域之一，成为岩土工程的技术热点和难点。总结深基坑工程的经验对工程质量的提高和工程经验的积累都具有重要的价值。

所谓技术难点是指1.土力学的强度、变形、渗透三大课题在基坑工程中全部都出现了；2.施工因素对工程质量和的影响既巨大而又具有非常的不确定性；3.土力学的各种破坏模式相互交叉，互为因果，设计计算模式具有很强的不清晰性。

所谓技术热点是指：1.事故的频率高，灾害的涉及面宽，对社会的影响非常大，引起政府和社会的高度关注；2. 工程费用占造价的比例非常高，业主对基坑工程的压价，方案不合理和安全度过低是高事故率的潜在因素；3.施工方过度追求高速度和低成本是高事故率的直接引发因素。

7. 土与挡土结构的接触压力