建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型和優(yōu)化分析

摘要：基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型是建筑施工過程中最常見的問題，也是影響建筑施工質(zhì)量的重要因素。文章就建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型分類展開討論，從建立系統(tǒng)優(yōu)化模型和新型基坑結(jié)構(gòu)支護(hù)方法這兩個(gè)方面對(duì)建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了探討，希望能夠減少建筑基坑質(zhì)量的問題。

關(guān)鍵詞：建筑基坑；支護(hù)結(jié)構(gòu)；選型設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法；建筑施工 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU753 文章編號(hào)：1009-2374（2016）03-0107-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.054

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)體制的不斷改革，建筑施工問題也越來越受到企業(yè)的重視。目前，企業(yè)在工程實(shí)施過程中對(duì)深基坑支護(hù)的類型認(rèn)識(shí)還不夠到位，對(duì)基坑深度較深、基坑覆蓋范圍小的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)無從選擇。因此為保障施工過程的安全性，設(shè)計(jì)人員要高度重視對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求最大限度降低工程風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)安全而健康的發(fā)展。

1 建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型分類

1.1 鋼鐵樁

作為建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)重要部分之一的鋼鐵樁在抵擋土體的側(cè)壓力和防止地下水入侵地基具有積極的作用。目前我國(guó)生產(chǎn)的鋼鐵樁的主要材料是鉗口、熱軋鋼材。熱軋鋼材是有鎖扣的，鎖扣的作用是將鉗口和所有的鋼材連接起來組成鋼板樁墻體，起到保護(hù)基地和墻面的作用。直腹版形、U形和Z形是建筑工程施工過程中最常見的三種鋼板樁形式，通過鋼板樁鎖扣這個(gè)小設(shè)計(jì)將鋼材進(jìn)行有效連接，對(duì)工程墻面形成一層保護(hù)膜，最終達(dá)到基地支護(hù)墻面和保護(hù)基坑不被破壞的目的。在實(shí)際建筑施工過程中，鋼鐵樁在工程中的使用方法簡(jiǎn)單，可以重復(fù)使用，進(jìn)而降低企業(yè)的采購成本，并提高施工效率。但是鋼鐵樁在施工過程中的重復(fù)利用也存在一些問題，比如鋼鐵樁在對(duì)基坑安裝過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。國(guó)家對(duì)建筑施工過程中的噪音分貝有嚴(yán)格規(guī)定，所以基坑的安裝過程就會(huì)受到一定的限制，增加施工難度。另外，如果設(shè)計(jì)人員沒有對(duì)鋼板樁的施工過程進(jìn)行科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，就會(huì)導(dǎo)致鋼板樁側(cè)壓墻面。墻面的變形不僅會(huì)影響基坑的牢靠性和鋼板樁的形狀，還會(huì)降低鋼板樁對(duì)基坑的支護(hù)效果，進(jìn)而影響整個(gè)工程的質(zhì)量。據(jù)工程專家指出，鋼鐵樁在對(duì)基坑安裝時(shí)最好的基坑深度是保持在7m以下，這樣可以最大限度地穩(wěn)定基坑。

1.2 地下連續(xù)墻

采用澆筑形式對(duì)建筑進(jìn)行施工是目前企業(yè)慣用的地下連續(xù)墻的一種施工方式，具體方法是在墻體內(nèi)安裝鋼筋，固定好基坑，防止地下水的滲入。提升墻體的支撐度和穩(wěn)定度是保證工程基地牢靠和質(zhì)量的重要部分，可以在土地性能差、水位不深的地區(qū)將地下連續(xù)墻技術(shù)運(yùn)用到施工程序中去，降低企業(yè)的施工難度。實(shí)踐研究表明，地下連續(xù)墻技術(shù)與其他技術(shù)相比，在工程施工過程中的安全系數(shù)是最高的，可以在7m以上的基坑中使用。但是任何技術(shù)都不是萬能的，地下連續(xù)墻技術(shù)亦是如此。如果基坑土地是巖石結(jié)構(gòu)組成的，地下連續(xù)墻技術(shù)就會(huì)增加工程造價(jià)，增加對(duì)基坑的挖掘工序。另外，企業(yè)的工程如果是在市中心，還需要注意噪音污染和泥漿污染，企業(yè)要最大限度地將污染控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，同時(shí)施工人員要做好安全防范措施，避免出現(xiàn)泥漿流到施工場(chǎng)外的現(xiàn)象，減少對(duì)環(huán)境的污染。

1.3 深沉攪拌樁

深沉攪拌樁亦稱水泥土墻，是建筑基坑施工中比較常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)之一。深沉攪拌樁的施工原料主要是混凝土，其方法是將混凝土通過管道注入土地中，利用雙頭攪拌機(jī)或者三頭攪拌機(jī)將土體和混凝土攪拌均勻，在光照、風(fēng)吹作用下形成防水性墻體。其施工程序相對(duì)而言較簡(jiǎn)單，對(duì)技術(shù)的專業(yè)性要求比較低。但是深沉攪拌樁技術(shù)在工程施工方案中會(huì)受到施工空間的限制。例如在進(jìn)行施工時(shí)，混凝土不能單獨(dú)在墻面上使用，必須要和鋼筋一起使用，否則就會(huì)出現(xiàn)墻面變形甚至倒塌的現(xiàn)象。另外這種施工技術(shù)還不能完全達(dá)到基坑支護(hù)的條件，不能提升墻面的剛性和穩(wěn)定性，最終會(huì)影響基坑的質(zhì)量和安全。

1.4 排樁

排樁在基坑中的施工是對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行穿孔技術(shù)設(shè)計(jì)和鉆孔灌注樁打造支護(hù)排列結(jié)構(gòu)，對(duì)排樁進(jìn)行鉆孔是建筑基坑施工技術(shù)的要求，也是提高樁柱緊密度的有效方法。排樁根據(jù)排列形式可以分為密排布置形式、疏排布置形式和規(guī)則排密布置形式。施工人員可以根據(jù)基坑深度、基坑覆蓋范圍、基坑所需的排樁支護(hù)選擇合適的布置形式。密排布置形式的排樁相對(duì)疏排布置形式和規(guī)則排密布置形式來說，其剛度、穩(wěn)定性都要更強(qiáng)。因此，施工人員要重視樁體之間的銜接性，提升基坑之間的緊密度，保證基坑的支護(hù)效果。施工人員還可以在不同的樁體之間安插鋼筋混凝土冒梁，鋼筋混凝土冒梁是保證墻面和基坑牢固的重要支撐點(diǎn)，使樁柱在基坑中形成一個(gè)整體，通過鉆孔灌注樁對(duì)基坑的攪拌起到防水的目的。灌注樁技術(shù)在基坑中的專業(yè)技術(shù)要求不太復(fù)雜，操作流程簡(jiǎn)單，可以降低噪音。

2 建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 建立系統(tǒng)優(yōu)化模型

建立科學(xué)的系統(tǒng)優(yōu)化模型是設(shè)計(jì)人員調(diào)整、優(yōu)化基坑結(jié)構(gòu)的首要目標(biāo)。在傳統(tǒng)工程程序中，設(shè)計(jì)人員對(duì)基坑支護(hù)數(shù)據(jù)采用手工輸入方式并進(jìn)行人工核算，這樣的形式會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差，進(jìn)而影響工程的整體質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)人員要改變以往人工計(jì)算工程造價(jià)的這種模式，將計(jì)算機(jī)作為工程造價(jià)的主要工具，將計(jì)算機(jī)優(yōu)化模型作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要模型。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在教育、工程及其他方面得到廣泛運(yùn)用，比如工程造價(jià)模型COSYSMO。COSYSMO是一個(gè)系統(tǒng)的工程造價(jià)模型，模型的建立主要有七步方法，如圖1所示。COSYSMO模型的參數(shù)可以根據(jù)工程造價(jià)師的預(yù)測(cè)來估計(jì)，直接對(duì)企業(yè)的基坑結(jié)構(gòu)成本部門負(fù)責(zé)，其專業(yè)性更強(qiáng)、計(jì)算數(shù)據(jù)更加精確。

圖1 七步建模方法論

2.2 建立新型基坑結(jié)構(gòu)支護(hù)方法

建立系統(tǒng)優(yōu)化模型后，設(shè)計(jì)人員就要對(duì)新型模型基坑支護(hù)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)原理是“極限平衡”原理，極限平衡原理在工程的實(shí)際運(yùn)用中并不能保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也不能得出精確的數(shù)據(jù)結(jié)論。因此，設(shè)計(jì)人員在對(duì)新型模型基坑支護(hù)方法設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的原料、基坑覆蓋的范圍、基坑深度、工程復(fù)雜性等，多方面對(duì)方法設(shè)計(jì)進(jìn)行多角度的衡量，從而實(shí)現(xiàn)基坑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。首先，設(shè)計(jì)人員要掌握建筑數(shù)據(jù)，通過對(duì)工程環(huán)境的勘察找出基坑支護(hù)設(shè)備在施工過程中的漏洞，結(jié)合國(guó)外基坑結(jié)構(gòu)的支護(hù)方法，找到適合自身企業(yè)的基坑結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)方案。例如，現(xiàn)在工程中使用的灰色系統(tǒng)理論模型法，設(shè)計(jì)人員就可以利用這個(gè)方法找出最優(yōu)方案；其次，設(shè)計(jì)人員要發(fā)揮自己的專業(yè)知識(shí)，以積極主動(dòng)的態(tài)度參與到工程施工中去，為找到科學(xué)的基坑支護(hù)計(jì)算方法提出專業(yè)性指導(dǎo)和建議，將提高建筑基坑的設(shè)計(jì)質(zhì)量作為目標(biāo)，從而推動(dòng)我國(guó)建筑業(yè)的快速發(fā)展；最后，設(shè)計(jì)人員要將模型方法運(yùn)用到實(shí)際工程中去，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，在實(shí)踐中使方法得到推廣。

3 工程實(shí)例

某建筑開發(fā)商在開發(fā)附近的一塊地，建筑面積是8000m2，房屋總共10層。地下有1層，基坑面積是800m2。基坑深度為3m，工程專家對(duì)基坑周長(zhǎng)的估計(jì)是120m。這項(xiàng)工程在成都龍泉驛站街道辦事處，臨近居民區(qū)。據(jù)測(cè)量，該工程的用地距居民區(qū)的建筑有160m左右。施工人員在基坑的施工過程中使基坑結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和移位，給居民的安全造成了嚴(yán)重影響。工程設(shè)計(jì)人員打算采用灰色系統(tǒng)理論模型法來預(yù)測(cè)計(jì)算基坑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。工程管理人員最終采用鉆孔灌注樁技術(shù)來對(duì)基坑進(jìn)行分析，如圖2所示。這次采用的分別為排樁的樁徑為Φ400mm、Φ500mm、Φ600mm。鉆孔的深度為30～45m，鉆孔后排的直徑為700mm，排樁之間的間距為220mm，基坑支護(hù)主要是Φ600mm。將排樁進(jìn)行鉆孔灌注后，將其運(yùn)用到對(duì)基坑施工過程中可以作為擋土墻面。

表1 灰色系統(tǒng)理論模型法預(yù)測(cè)基坑參數(shù)

圖2 鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基坑的施工過程

根據(jù)表1得出數(shù)據(jù)結(jié)論，基坑評(píng)價(jià)數(shù)值與水平位移的深度不成比例，這是因?yàn)殂@孔灌注樁在對(duì)基坑施工過程會(huì)形成對(duì)墻面的抵擋作用，雙排水泥攪拌樁可以防止水的滲透，維持墻面的穩(wěn)定，墻面發(fā)生水平位移的距離越遠(yuǎn)，錨桿所承受的拉力越大。在實(shí)際工程中，運(yùn)用灰色理論模型法對(duì)基坑進(jìn)行參數(shù)預(yù)測(cè)是在工程部考慮采取鋼筋混凝土鉆孔灌注樁技術(shù)的情況下，對(duì)工程的可靠度、工期等因素的綜合考慮，對(duì)建立深基坑支護(hù)選型方案具有積極的作用，幫助企業(yè)擇優(yōu)選擇，降低企業(yè)的成本，促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)市政工程的快速發(fā)展，建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作是當(dāng)前我國(guó)施工人員需要考慮的首要工作。基坑的安全和穩(wěn)定不僅可以保障施工人員的安全，還可以增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，使企業(yè)的安全效益與經(jīng)濟(jì)效益有機(jī)地結(jié)合在一起，進(jìn)而促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：王俊英（1972-），女，云南宣威人，曲靖市設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，研究方向：房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）