2 深基坑存在的主要问题
2.1深基坑事故概况
近年来，我国经济建设飞速发展，各类基础设施和许多大型、超深的基坑和深基础工程正在进行规划、设计和施工。由于设计、施工、地质勘察和运行管理方面的缺陷和失误，导致不少基坑发生了质量事故，有的则涉及人身安全，造成了不必要损失，已经日益引起人们的重视。
在这些事故中，有80%以上(某地曾达到90%)是与水有关系的。由于对基坑渗流理解不深，造成了一些本来可以避免的工程事故。
从事故的原因来分析，涉及到规划设计、地质勘探、施工工艺和运行管理以及质量监控等等方面。笔者认为设计是重要环节：有的设计本身就存在问题，即使再认真施工，仍避免不了发生渗流破坏和基坑事故。目前各地、各部门所采用的基坑支护规范也存在一些差别。总之，在深基坑的设计施工中，还存在着一些似是而非的、认识不完全一致的模糊问题，需要集思广益、取长补短，深入探讨和解决这些问题。
2.2基坑事故原因分析
根据多年从事地基基础工程设计、施工、科研和管理工作的体会，笔者认为目前大型深基坑工程还存在着以下一些问题和隐患：
(1)设计：应当说绝大部份的深基坑设计工作都是很好的，但是也有一些基坑设计不太符合实际或者失误。比如，在存在着地下水或者承压水时，只考虑满足基坑支护结构(如地连墙和排桩)的强度和稳定要求，未进行专门的渗流计算，而将墙或防渗体底放在透水层中，成为“悬挂式”结构，因而发生了很多基坑透水、管涌和突涌事故。
(2)工程地质和水文地质勘察深度不够，数据不准确，判断有失误;设计、施工人员对地质复杂程度认识不足，导致施工过程中发生事故。有的工程本来存在承压水，可是勘察单位却误判为潜水，直到基坑出了事故才明白过来。
(3)施工草率，质量缺陷太多，特别是导致地连墙或其他防渗体(水泥搅拌桩、高压喷射灌浆、注浆等)出现孔洞或裂隙，接头之间没有搭接，成裤衩状，使基坑外侧地下水“短路”，直接涌入基坑，几个月处理不完。还有施工过程中，运行维护不够，降水(抽水)工作无法正常进行，造成事故。
(4)有关规范条文已不能适应目前复杂的地质条件和基坑规模。目前，很多深基坑的开挖深度超过了 30m，基坑面积超过了20万平米，位于复杂的多层地基和多层承压水之中;有些规范还不能完全适应这些情况。
我们知道，对于深基坑工程来说，地下水是个很重要和很麻烦的事。基坑深度越深，则坑内外水位差(水头)也就越大;基坑面积越大，则隔水层的平面连续性可能越差，甚至出现“漏洞”，发生事故的可能性也就越大。
2.3岩石基坑的事故
对于岩石地基上的基坑或者底部位于岩石地基中的大型深基坑来说，渗流稳定问题仍然是存在的。比如基坑底部位于风化岩或软岩中时，当坑内外水位差很大而支护结构底部入土(岩)深度不足时，往往会出现坑底大量漏水而很难排干，造成基坑底部的风化岩、土泥化、流泥;或者渗水把岩体中的细颗粒或易溶于水的物质挟带出来，也可导致基坑或周边建筑物破坏;当承压水头很高时，就会顶破上部岩土层而导致基坑破坏。
有人对花岗岩的强风化层和弱(中)风化层的透水性有误解，认为把地连墙底部放在此层，就可以解决深基坑渗流问题;这是错误的。好多地方的花岗岩的这两层里面，都是透水层，很多供水井就打在这里边;有人把它当成不透水层，显然是不对的。
3.深基坑设计的新思路
一个完整的深基坑工程的设计，应当包括以下几个方面的内容：
(1)支护结构的内力计算与细部设计;
(2)深基坑工程的防渗和降水(回灌)设计;
(3)深基坑工程的地基处理设计;
(4)深基坑工程的检测和监测设计。
对于存在地下水的基坑来说，防渗和降水的设计是非常重要的，本文将重点加以讨论。
既然深基坑的破坏80-90%以上是由地下水和渗流引起的，那么深基坑的设计施工就应当从控制地下水的危害入手，防水，治水，以达到深基坑的安全稳定，这也就是写作本文的目的。
以往的基坑支护设计是按照抗倾覆或者是抗深层圆弧滑动等结构条件来计算基坑地连墙的入土深度的;没有考虑或者是没有全面考虑基坑渗流稳定问题;也没有考虑地连墙的经济性问题。实践证明，这种设计导致了一些基坑出现问题。
我认为应当改变一下这种深基坑设计思路(路线)。本文的指导思想是用基坑的渗流稳定条件来确定入土深度，具体地说，是由以下几个计算条件来确定入土深度的：
(1)渗流稳定条件;
(2)支护结构的经济条件(应力和配筋优化);
(3)一般稳定条件，如总体稳定、圆弧滑动稳定、踢脚稳定条件等;
(4)构造要求。
其中第一个条件求得的入土深度hd1，是地连墙入土深度最小下限值;如果比它再小，基坑就会不稳定。所以这个条件不但是必要的，而且是必须的。
第二个条件是要求所采用的入土深度hd2，应当使结构内力(主要是弯矩)尽可能小，使结构的钢筋用量和砼用量合理，以达到经济合理的目标。由于内力(弯矩)随着基坑底面以下入土深度的增加而变小，那么hd2应当大些为好;通常应大于由第一个条件确定的入土深度,hd2> hd1。至于究竟hd2多大，我们应当选用几个不同的入土深度进行内力和配筋计算。由计算结果中，选用内力(弯矩)最小(或较小)时的入土深度，作为入土深度的设计值。
第三个条件是现行基坑支护规程所要求的;采用此条件求出的入土深度hd3，常常是小于第一个条件求出的入土深度hd1，如果以此作为设计值是不安全的。所以它只是一个必要的条件 不是必须的条件，通常作为校核条件;一般情况下，不会成为控制条件;设计入土深度应当选用有上面第二个条件确定的hd2。只有在河口区、滨海区和湖区的深基坑工程中，有可能成为控制条件。
第四个条件是根据通常做法(构造要求)提出的，比如，通常要求基坑防渗体应深入到下部不透水层中1.5-2.0m。日本要求有水平支撑时入土深度不小于1.5 m;钢板桩挡土墙的入土深度不小于3.0m，等等。
按照这种思路(路线)进行设计，是由第一个渗流稳定条件来解决基坑的安全问题;由第二个条件解决支护结构的经济性(造价最低)问题;而把第三个地基土稳定条件作为校核条件。
以往的设计，大多只按第三个设计条件进行计算，选出一个入土深度，即按此进行结构配筋。
总之我们推荐的深基坑的新设计思路(路线)为：
(1)首先进行深基坑渗流分析和计算，确定入土深度的最小设计值hd1。
(2)选用一个或多个入土深度(均应大于hd1),通过试算，求出弯矩与入土深度的关系曲线，选用最小或较小的弯矩所对应的入土深度值hd2，作为设计入土深度。显然，hd2 ≥hd1。
(3)在弯矩和入土深度hd2已经确定的条件下，选择几个不同地连墙厚度(或桩的直径与间距)，进行配筋计算。当弯矩一定时，钢筋用量与混凝土方量成反比。由此可以选出钢筋和混凝土造价之和最小或较小的那个墙厚作为设计墙厚。
(4)其他的设计步骤同以往。
显然这种设计思路(路线)把地基土、地下水的稳定性和支护结构物经济性综合考虑，并且以地下水的渗流稳定为前提条件，以支护结构的经济性为目标，这样做出的设计应当是更合理、安全的。
4.深基坑渗流分析简介
4.1基坑地下水渗流特性
我们知道，土体是由固体、液体和气体组成的三相体系。土中的自由水在压力作用下，可在土的孔隙中流动，这便是渗流;而土体在外荷载或自重作用下，也会发生运动，对孔隙水也要产生压(阻)力;因此可以说，水的渗流是土与水相互作用的结果。
4.1.1潜水条件下的基坑渗流特点
随着基坑的不断往下开挖，基坑内外的土体的物理力学性能都发生了很大变化;渗透水流对土体的作用和影响也发生了很大变化。此时，作用在基坑外侧的渗透水流的作用力是向下的，它对土体产生了压缩作用;同时由于渗流的作用，作用在地连墙等支护结构上的水压力也小于静水压力,这对于基坑稳定都是有利的。
当渗流穿过墙底进入基坑内侧时，渗透水流的方向变成了向上，渗流水压力就变成了浮托力，使土体重度减少;而它对支护结构的水压力加大了。
潜水情况下，会发生贴壁(即沿着地连墙墙壁内外表面的第一根流线)渗流不稳定问题。
4.1.2承压水条件下的基坑渗流特点
当基坑承受承压水作用时，坑底地基主要承受两个方面的作用，一个是在承压水的向上浮托力作用下，当地基土(岩)自重不足以压住水的浮托力，就有可能突涌、冒砂等破坏;再一个是土层内部的粘性土或砂性土的厚度太薄时，会造成了内部土层的渗流不稳定。一般情况下，承压水不存在像潜水情况下 的贴壁渗流不稳定问题。
由以上分析，可知潜水和承压水条件下的渗流情况是不同的。
4.2潜水情况下深基坑的渗流分析
潜水情况下的基坑渗流主要表现在靠近基坑边缘地段的地基发生管涌和流土等破坏现象，这个地段宽度大约为入土深度的一半。渗流分析主要是核算沿着地连墙内外边缘(此为最短的渗透路径)上地基土的渗流稳定性(见图1)。
图1 潜水基坑渗流分析图
沿着地连墙内外边缘(第一根流线)上的平均渗流坡降可写为：
i=hw/(hw+2 hd) ≤〔i〕
式中，hw-水头，即基坑内外水位差。
hd-入土深度。
i –渗流坡降，
〔i〕-允许渗流坡降，对于粉细砂地基，通常可取〔i〕=0.1-0.2;对于级配不良地基，可取〔i〕=0.1-0.3。
对于多层地基来说，上述公式不能用，可以采用简化的计算公式或电算程序求得各个计算断面(点)上的水头、坡降和流速等参数，核查是否满足允许渗流坡降的要求。
4.3承压水情况下深基坑的渗流分析
在承压水作用下，深基坑的抗承压水的稳定主要是坑底地基的抗浮稳定问题。
从风险程度来看，施工期间坑底地基抗浮稳定总是脆弱些，更应得到足够的关注。
目前有几种计算坑底抗浮的方法，多是以上部荷重与下部浮托力相平衡且有一定安全系数来考虑的。实际上这只是一种平衡(即荷载平衡)。由于土的凝聚力不同而造成的内部抗渗透能力不同，所以还需要核算第二种平衡条件，也就是渗透压力和坡降的平衡问题(见图2)。
图2 坑底抗浮稳定计算图
可按下面三种计算情况，核算基坑内部地基土的抗承压水突涌稳定性。
4.3.1计算情况
①坑底表层为不透水层。
②上部不透水层全部被挖除，基坑底和地连墙底直接位于透水层中。
③成层(互层)地基情况。
4.3.2计算内容
1)核算地基土的抗承压水突涌的稳定性，要进行两个方面的核算：
①荷载平衡计算：
含水层顶板以上土的饱和重应大于承压水的浮托力，
γst≥kγwhw
式中：t——地层厚度(全部上覆土)
γs——地层的饱和重度，不是浮重度
γw——水的重度
hw——含水层顶板以上的承压水头;不是基坑内外水位之差
k——安全系数，取k=1.1-1.05。
②土体内部渗流计算。
当含水层顶板以上不但有隔水层，还有透水层交互存在时，如果其中某一种地层的厚度很薄或抗渗性能很差时，还应该核算该地层的渗流坡降是否小于允许值。此时，粘性土的允许坡降可采用5～8;对于砂性土，则根据土的性质差异，而采用不同数值，如粉细砂，[i]=0.1-0.2，砾石[i]=0.15～0.40，个别工程粉细砂地基也有用[i]=0.07的。
2)核算承压水沿地连墙内壁的贴壁渗流计算。通常情况下，这种贴壁渗流不是控制的，可不计算。
4.4作用于基坑支护结构上的水压力
图3水压力比较图
我们知道，渗流是地下水在地基土(岩)中流动形成的。要流动，就必须有能量推动 ，那就是水的势能(即水头)。地下水在地基 中流动的时候，必须克服地基土的阻力，才能使渗流持续下去;这样就消耗了能量，也就是使原来的势能水头不断减少。由此可见，渗流过程是一种消耗能量的过程。
当我们分析作用在基坑地连墙上的水压力时，不再是静水压力，而是渗流水压力，它通常小于静水压力;也就是说，只要基坑存在着水流的流动(即渗流)，作用在其上的水压力就会小于该处的静水压力。
在图3中，经过计算对比，作用在基坑上的渗流水压力只有的58%。这就是说，在基坑支护设计中考虑渗流水压力的影响，可使地连墙中承受的弯矩比按静水压力计算的变小，所配置的钢筋减少。当然，静水压力的折减幅度会因基坑的地质和地下水条件的不同而有所变化，钢筋用量也会有所变化。
声明：中国勘测联合网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述，文章内容仅供参考。
