淺析高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程施工

徐其穩(wěn)

（安徽兩淮地質(zhì)基礎(chǔ)工程公司　230088）

淺析高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程施工

徐其穩(wěn)

（安徽兩淮地質(zhì)基礎(chǔ)工程公司230088）

在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行建筑深基坑支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使建筑保持穩(wěn)定的同時(shí)減少建筑施工的資金投入，并提高建筑建設(shè)的施工速度，從而推動(dòng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。所以，基于這種認(rèn)識(shí)，本文從設(shè)計(jì)方法與步驟、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)結(jié)果這幾個(gè)方面對(duì)高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了分析。而在此基礎(chǔ)之上，則結(jié)合了工程實(shí)例對(duì)高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程施工問題進(jìn)行了研究，從而為關(guān)注這一話題的人們提供一些參考。

高層建筑；深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；工程實(shí)踐

引言

作為高層建筑設(shè)計(jì)的難題，深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)一直涉及著較多的力學(xué)問題，困擾著高層建筑的設(shè)計(jì)者。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用有限元法進(jìn)行高層建筑深基坑支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，則可以很好的解決相關(guān)的力學(xué)問題，從而更好的促進(jìn)高層建筑的建設(shè)發(fā)展。因此，相關(guān)單位和人員有必要對(duì)高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程施工問題進(jìn)行研究，從而更好的完成高層建筑的建設(shè)工作。

1　高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法與步驟

常用于進(jìn)行高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法有兩種，既零階方法和一階方法。其中，零階方法需要進(jìn)行變量的應(yīng)用，卻不需要進(jìn)行偏導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用。具體來說，就是利用曲線擬合進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的關(guān)系的建立，從而通過計(jì)算求得設(shè)計(jì)變量的范圍。而在進(jìn)行狀態(tài)變量和設(shè)計(jì)變量的數(shù)值約束范圍設(shè)計(jì)之后，則可以通過解決約束的優(yōu)化問題來解決設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題。而一階方法則是通過增加罰函數(shù)來將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為非約束問題。不同于零階方法，一階方法可以取得最小化的真實(shí)有限元結(jié)果，使結(jié)果更加精確。此外，在進(jìn)行高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還要遵循著一定的步驟來進(jìn)行[1]。①要利用設(shè)計(jì)變量為參數(shù)，進(jìn)行模型的建立，并通過施加荷載、分析選項(xiàng)等步驟進(jìn)行有限元的計(jì)算，進(jìn)行指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的求取。而在此基礎(chǔ)之上，則可以進(jìn)行優(yōu)化方案的制定。②在進(jìn)行優(yōu)化方案制定時(shí)，要進(jìn)行優(yōu)化變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的制定，并進(jìn)行優(yōu)化工具和優(yōu)化方法的選擇。④最后在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，要分析設(shè)計(jì)序列結(jié)果，并進(jìn)行結(jié)果的處理。

1.2設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程

在進(jìn)行高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下盡量減少支撐系統(tǒng)所耗費(fèi)的混凝土的體積。以長寬分別為60m和40m的某大廈深基坑為例，基坑內(nèi)鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)如圖1。由于該體系結(jié)構(gòu)的東西方向長度較長，所以可以在中部南北兩對(duì)邊進(jìn)行截面為1000mm×850mm的3道對(duì)撐的設(shè)置，而對(duì)撐間距為8m。同時(shí)，需要進(jìn)行截面為600mm×600mm的連系桿件的設(shè)置。而基坑四角為截面為1000mm×850mm的角撐，并采用截面為500mm×500mm的連系桿件，角撐間距為6m。此外，在結(jié)構(gòu)中部，需要進(jìn)行截面為600mm×600mm的平面八字撐的設(shè)置，并進(jìn)行截面為1000mm×1000mm的四周圍檁的設(shè)計(jì)。

圖1　基坑內(nèi)鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)平面圖

在進(jìn)行上面提到的基坑的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)：①要進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的確定，既鋼筋混凝土支撐的截面的高度為H，而寬度為B。在進(jìn)行這些變量的計(jì)算時(shí)，可以將支撐截面分成四部分。具體來說，就是分別進(jìn)行外部圍檁、基坑四角斜撐和中部南北對(duì)邊三道對(duì)撐、對(duì)撐中部和角撐間的連系桿件、平面八字撐的截面設(shè)置。而四部分截面的初始數(shù)值可以為0.5m×0.5m，設(shè)計(jì)變量的變化范圍則設(shè)計(jì)在0.2～0.8m之間。②需要對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行設(shè)置。具體來說，就是以混凝土抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值為優(yōu)化設(shè)計(jì)的狀態(tài)變量上限，并保證支撐平面框架梁的最大變形不超過0.01m。④要進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置。具體來講，就是在滿足設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量約束的情況下，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)所用的最小混凝土體積的求取[2]。⑤則要利用一階有限元法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。而考慮到建筑建設(shè)的實(shí)際問題，可以將彈性模量設(shè)置為1.6×104MPa。而根據(jù)有限元計(jì)算方法，系統(tǒng)承受的均布力為200kN/m。而經(jīng)過計(jì)算，就可以得到支撐平面框架的最大位移點(diǎn)，同時(shí)也能得到對(duì)應(yīng)的最大軸應(yīng)力支撐單元。而在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，則需要將這些位移點(diǎn)和圍檁長短邊中點(diǎn)當(dāng)做是狀態(tài)變量進(jìn)行控制。

1.3優(yōu)化結(jié)果

在利用有限元法完成計(jì)算后，則可以將所有支撐截面都限制在所設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，而控制點(diǎn)的位移和對(duì)應(yīng)的支撐梁單元的軸向應(yīng)力也不會(huì)超出設(shè)計(jì)值。從本質(zhì)上來講，優(yōu)化的過程實(shí)際上是由控制點(diǎn)的位移所控制。在上述工程中，根據(jù)施工尺寸和規(guī)范的要求，將支撐截面的四部分截面分別設(shè)置為0.8m×0.8m、0.6m× 0.8m、0.4m×0.4m、0.4m×0.4m。而經(jīng)過有限元計(jì)算，原工程所需的鋼筋混凝土體積為542.234m3，而優(yōu)化后則只需要使用322.732m3。所以，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省了約40%的混凝土材料，從而達(dá)成了優(yōu)化的目的。

2　高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程施工

為了進(jìn)一步進(jìn)行高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的研究，本文以某大樓的基坑為例，進(jìn)行了工程施工內(nèi)容的分析，從而為高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)施工提供實(shí)踐指導(dǎo)。

2.1工程情況

大樓的基坑為120m×48m，采用的是排樁式擋土墻，基坑深度為8m。而大樓維護(hù)結(jié)構(gòu)主要為沉管灌注排樁墻加現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐體系，鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示。其中，第一道支撐截面為800mm×600mm，支撐中心距地表0.9m，而圈梁截面則為1000×800mm。第二道支撐截面為600mm×800mm，支撐中心距地表4.7m，而圈梁截面則為800×600mm。而中800@900沉管灌注排樁墻的厚度則為0.65m，彈性模量E= 25000MPa，v=2.0。此外，基坑可以分別開挖至地表下4.7m和8.0m。而在距基坑北側(cè)25m的距離可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)S25的設(shè)置，并進(jìn)行該店地表沉降量的監(jiān)測(cè)。

圖2　鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)布置圖

2.2工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于該基坑的支撐為平面析架系統(tǒng)，所以可以將支撐的截面分為四部分。具體來講，既為截面為B1×H1的外部圍檁、截面為B2×H2基坑四角處的三道斜撐、截面為B3×H3基坑中部南北兩對(duì)邊的三道對(duì)撐和截面為B4×H4的析架這四個(gè)部分。①可以將四部分截面初始化成原工程的設(shè)計(jì)值，并且將設(shè)計(jì)變量范圍設(shè)定為0.2～1m之間。②根據(jù)平面有限元法進(jìn)行各道支撐的最大軸力的計(jì)算可知，第一道支撐的最大軸力為157.8kN/m，而第二道為245.8kN/m。而在將第一道軸力均勻分布在支撐周圍的同時(shí)，滿足墻體和支撐接觸點(diǎn)的變形條件，則可以計(jì)算出第一道支撐點(diǎn)的位移為0.017m。④經(jīng)過100次優(yōu)化迭代，則可以求出優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)序列。從計(jì)算結(jié)果可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)的截面都處在合理范圍內(nèi)，而優(yōu)化前的工程混凝土用量為848.62m3，優(yōu)化之后則為662m3，大約節(jié)省了20%的混凝土材料。而在考慮施工要求和規(guī)范的情況下，則可以使各截面為0.6m×1.0m、0.4m×0.7m、0.6m× 0.8m、0.6m×0.8m。

2.3計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較

在工程開挖的過程中，通過檢測(cè)深層土體水平位移可以發(fā)現(xiàn)，排樁墻體水平位移的工程檢測(cè)值與利用有限元計(jì)算的數(shù)值較為接近。一方面，計(jì)算出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移值與工程檢測(cè)值較為接近。另一方面，從S25的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，第一次開挖結(jié)束后沉降值為27mm，而計(jì)算出的值為24.3mm。而第二次開挖后沉降值為40mm，而計(jì)算出的值為34.7mm。所以，計(jì)算出的位移曲線計(jì)算值與工程監(jiān)測(cè)值也較為吻合。而優(yōu)化的過程主要受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移控制，所以基坑內(nèi)支撐體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

2.4工程的施工

在完成設(shè)計(jì)之后，就要對(duì)高層建筑的深基坑支護(hù)進(jìn)行施工。而在施工的過程中，需要注意一些問題：①在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇時(shí)，需要根據(jù)工程實(shí)際情況和施工機(jī)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)樁的選擇。在基坑較深和圍護(hù)樁允許的情況下，可以進(jìn)行兩排支護(hù)樁的選擇。而這樣一來，則可以使樁體間的協(xié)同工作得到保障，并使周圍護(hù)樁的受力情況得以改善，以便減少樁體的配筋量。此外，還要從多方面進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的比較和分析，以便進(jìn)行較好的支護(hù)方式的選擇。②在進(jìn)行施工支護(hù)流程的確定時(shí)，要依次做好施工準(zhǔn)備工作、支護(hù)樁施工、錨桿施工和再土方開挖等工作。其中，各個(gè)環(huán)節(jié)的施工都有相應(yīng)的要求。例如，攪拌樁施工的定位誤差不能超過50mm，垂直度偏差不能超過1%。而錨索施工則需要采用分段施工方式進(jìn)行，并要在每次鉆孔前進(jìn)行注漿施工。所以，需要按照固定的要求，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的施工，從而保證工程施工的質(zhì)量。再者，在地下水位較高的情況下，需要進(jìn)行深基坑周圍土體的止水控制，從而防止工程受到此方面的影響。而在具體進(jìn)行止水控制的過程中，則要從防水、降水和排水三方面進(jìn)行工程施工情況的考慮。

3　結(jié)論

總而言之，進(jìn)行高層建筑的深基坑支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使支護(hù)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定的同時(shí)，進(jìn)行施工成本的降低，從而促進(jìn)高層建筑的發(fā)展。而通過研究高層建筑的深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，可以進(jìn)一步掌握高層建筑的深基坑支護(hù)的優(yōu)化方法和步驟，從而更好的進(jìn)行建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，本文對(duì)高層建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程施工問題進(jìn)行的研究，可以為高層建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，從而合理的進(jìn)行建筑資源的配置，進(jìn)而促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展。

[1]劉曉熹.淺談高層建筑深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工[J].江西建材，2013，04（01）：66～67.

[2]江洪潮.深基坑支護(hù)技術(shù)方案的選擇及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長江大學(xué)，2012.

TU753

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1673-0038（2015）19-0036-02

2015-4-23