淺析高層建筑深基坑支護優化設計與工程施工

徐其穩

（安徽兩淮地質基礎工程公司　230088）

淺析高層建筑深基坑支護優化設計與工程施工

徐其穩

（安徽兩淮地質基礎工程公司230088）

在進行高層建筑設計時，進行建筑深基坑支護的優化設計，可以使建筑保持穩定的同時減少建筑施工的資金投入，并提高建筑建設的施工速度，從而推動建設事業的發展。所以，基于這種認識，本文從設計方法與步驟、設計過程和設計結果這幾個方面對高層建筑深基坑支護優化設計問題進行了分析。而在此基礎之上，則結合了工程實例對高層建筑深基坑支護優化設計的工程施工問題進行了研究，從而為關注這一話題的人們提供一些參考。

高層建筑；深基坑支護優化設計；工程實踐

引言

作為高層建筑設計的難題，深基坑支護設計一直涉及著較多的力學問題，困擾著高層建筑的設計者。而隨著科學技術的發展，應用有限元法進行高層建筑深基坑支護的優化設計，則可以很好的解決相關的力學問題，從而更好的促進高層建筑的建設發展。因此，相關單位和人員有必要對高層建筑深基坑支護優化設計與工程施工問題進行研究，從而更好的完成高層建筑的建設工作。

1　高層建筑深基坑支護優化設計

1.1優化設計的方法與步驟

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

1.2設計的優化過程

在進行高層建筑深基坑支護優化設計時，要在滿足設計要求的情況下盡量減少支撐系統所耗費的混凝土的體積。以長寬分別為60m和40m的某大廈深基坑為例，基坑內鋼筋混凝土支撐系統如圖1。由于該體系結構的東西方向長度較長，所以可以在中部南北兩對邊進行截面為1000mm×850mm的3道對撐的設置，而對撐間距為8m。同時，需要進行截面為600mm×600mm的連系桿件的設置。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，在結構中部，需要進行截面為600mm×600mm的平面八字撐的設置，并進行截面為1000mm×1000mm的四周圍檁的設計。

圖1　基坑內鋼筋混凝土支撐系統平面圖

在進行上面提到的基坑的支護優化設計時：①要進行設計變量的確定，既鋼筋混凝土支撐的截面的高度為H，而寬度為B。在進行這些變量的計算時，可以將支撐截面分成四部分。具體來說，就是分別進行外部圍檁、基坑四角斜撐和中部南北對邊三道對撐、對撐中部和角撐間的連系桿件、平面八字撐的截面設置。而四部分截面的初始數值可以為0.5m×0.5m，設計變量的變化范圍則設計在0.2～0.8m之間。②需要對狀態變量進行設置。具體來說，就是以混凝土抗壓強度的設計值為優化設計的狀態變量上限，并保證支撐平面框架梁的最大變形不超過0.01m。④要進行目標函數的設置。具體來講，就是在滿足設計變量和狀態變量約束的情況下，進行整個系統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行優化計算。而考慮到建筑建設的實際問題，可以將彈性模量設置為1.6×104MPa。而根據有限元計算方法，系統承受的均布力為200kN/m。而經過計算，就可以得到支撐平面框架的最大位移點，同時也能得到對應的最大軸應力支撐單元。而在進行優化計算時，則需要將這些位移點和圍檁長短邊中點當做是狀態變量進行控制。

1.3優化結果

在利用有限元法完成計算后，則可以將所有支撐截面都限制在所設計的范圍之內，而控制點的位移和對應的支撐梁單元的軸向應力也不會超出設計值。從本質上來講，優化的過程實際上是由控制點的位移所控制。在上述工程中，根據施工尺寸和規范的要求，將支撐截面的四部分截面分別設置為0.8m×0.8m、0.6m× 0.8m、0.4m×0.4m、0.4m×0.4m。而經過有限元計算，原工程所需的鋼筋混凝土體積為542.234m3，而優化后則只需要使用322.732m3。所以，經過優化設計，節省了約40%的混凝土材料，從而達成了優化的目的。

2　高層建筑深基坑支護優化設計工程施工

為了進一步進行高層建筑深基坑支護優化設計問題的研究，本文以某大樓的基坑為例，進行了工程施工內容的分析，從而為高層建筑深基坑支護優化設計施工提供實踐指導。

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。而大樓維護結構主要為沉管灌注排樁墻加現澆鋼筋混凝土支撐體系，鋼筋混凝土支撐結構布置圖如圖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25m的距離可以進行監測點S25的設置，并進行該店地表沉降量的監測。

圖2　鋼筋混凝土支撐結構布置圖

2.2工程優化設計

由于該基坑的支撐為平面析架系統，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基坑中部南北兩對邊的三道對撐和截面為B4×H4的析架這四個部分。①可以將四部分截面初始化成原工程的設計值，并且將設計變量范圍設定為0.2～1m之間。②根據平面有限元法進行各道支撐的最大軸力的計算可知，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，滿足墻體和支撐接觸點的變形條件，則可以計算出第一道支撐點的位移為0.017m。④經過100次優化迭代，則可以求出優化設計的最優序列。從計算結果可以看出，優化設計的截面都處在合理范圍內，而優化前的工程混凝土用量為848.62m3，優化之后則為662m3，大約節省了20%的混凝土材料。而在考慮施工要求和規范的情況下，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計算結果與實測結果的比較

在工程開挖的過程中，通過檢測深層土體水平位移可以發現，排樁墻體水平位移的工程檢測值與利用有限元計算的數值較為接近。一方面，計算出的圍護結構的最大水平位移值與工程檢測值較為接近。另一方面，從S25的沉降監測結果來看，第一次開挖結束后沉降值為27mm，而計算出的值為24.3mm。而第二次開挖后沉降值為40mm，而計算出的值為34.7mm。所以，計算出的位移曲線計算值與工程監測值也較為吻合。而優化的過程主要受到圍護結構的位移控制，所以基坑內支撐體系的優化設計是可行的。

2.4工程的施工

在完成設計之后，就要對高層建筑的深基坑支護進行施工。而在施工的過程中，需要注意一些問題：①在進行支護結構的選擇時，需要根據工程實際情況和施工機構進行基礎樁的選擇。在基坑較深和圍護樁允許的情況下，可以進行兩排支護樁的選擇。而這樣一來，則可以使樁體間的協同工作得到保障，并使周圍護樁的受力情況得以改善，以便減少樁體的配筋量。此外，還要從多方面進行深基坑支護結構的比較和分析，以便進行較好的支護方式的選擇。②在進行施工支護流程的確定時，要依次做好施工準備工作、支護樁施工、錨桿施工和再土方開挖等工作。其中，各個環節的施工都有相應的要求。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行，并要在每次鉆孔前進行注漿施工。所以，需要按照固定的要求，并結合實際進行各個環節的施工，從而保證工程施工的質量。再者，在地下水位較高的情況下，需要進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。而在具體進行止水控制的過程中，則要從防水、降水和排水三方面進行工程施工情況的考慮。

3　結論

總而言之，進行高層建筑的深基坑支護的優化設計，可以使支護結構保持穩定的同時，進行施工成本的降低，從而促進高層建筑的發展。而通過研究高層建筑的深基坑支護優化設計問題，可以進一步掌握高層建筑的深基坑支護的優化方法和步驟，從而更好的進行建筑的優化設計。因此，本文對高層建筑深基坑支護優化設計與工程施工問題進行的研究，可以為高層建筑的優化設計提供參考，從而合理的進行建筑資源的配置，進而促進建筑行業的發展。

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

[2]江洪潮.深基坑支護技術方案的選擇及其優化設計[D].長江大學，2012.

TU753

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1673-0038（2015）19-0036-02

2015-4-23