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基坑工程的优化设计注意事项

345 2021-09-09 10:18:48

基坑工程是一门系统工程,它既要解决复杂的工程技术问题(如土体的强度与稳定问题、支护结构变形问题以及周围土体的变形问题等),又要达到较高的经济效益,需要运用多种技术。同时,基坑工程又是一门风险工程,事故发生率比较高,其中有的是过分追求较低的工程造价而忽视了技术的可靠性,也有的是某一项技术措施失效,还有的是各种技术措施不协调等。另外,由于基坑的几何尺寸、水文地质和周围环境的差异,不同的基坑工程需要采用不同的设计方案,而每—种方案都有其特点。有的造价低,

有的工期短,有的安全度高。 这些方案需要讲行全面的、量化的比较,找一个直正优秀的方案。因此,基坑工程需要优化设计。

基坑工程的优化设计按其阶段不同,可分为方案优化设计和施工图优化设计。方案优化设计是根据工程所需要达到的目标,对多种基坑开挖与支护方案进行比选,从中优选出一个或几个相对优越的方案。然后,再对优选的方案进行细部优化,即施工图优化。

基坑工程优选比较的依据可简述为以下四个方面;

(1)技术的可靠性、先进性以及施工的可行性分析

(2)经济效益评价

(3)对环境影响的评价

(4)工期的比较

一、基坑开挖支护方案优化设计

1 定性分析

经验丰富的高级技术人员,根据经验很快就能判定某个基坑工程的几个或一个比较优秀的开挖支护方案,这就是经验和专家的作用。在现阶段,无论是设计人员还是施工单位都应该重视经验的积累。

定性分析方法就是根据经验对方案进行比选。例如在没有特殊限制条件下,下面几种开挖支护方案及措施应该首先考虑。

1.1 放坡开挖

放坡开挖是一切有条件采用的基坑开挖方案中最为经济的方

案,它省工省料,宜优先采用。《建筑基坑工程技术规范》给出 了自立边坡的放坡要求,见表 4-6,表 4-7。分级放坡开挖时,应设置分级过渡平台,施工时应按 上陡下缓的原则进行开挖。开挖深度较大,且情况复杂时,应对边坡稳定性进行验算,必要时进行有效加固及 支护处理。 特别—提的是,熟悉当地的地质条件。根据当地经验和具体情况进一步挖掘潜力有着非常重要的意义。

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1.2 钢板桩临时支护

当基坑较深,施工场地狭窄,或基坑附近有建筑物、行车道时,宜采用临时性钢板桩方案。尤其是大中型施工单位,承建基坑工程较多时,钢板桩可重复使用,虽然一次性投资较大,但周转次数越多,其经济效益就越好,有条件时,不失为一种好的支护结构。

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有的悬臂板桩入土深度受到限制,又不具备锚拉条件,为保证钢板桩的稳定,可在基坑内作临时性斜撑, 即先将基坑中部挖至设计标高,基坑四周靠近板桩处保留部分土方,在浇灌好中部混凝土垫层后将斜撑支持在垫层上,再分段挖去剩留的部分地基土,同时抓紧底板钢筋绑扎。底板四周的模板可采用砖砌体,底板混凝十浇灌完成后, 此砖模亦不拆除。般情况下。底板混赛

土浇灌完毕,及时回填底板四周,板桩的悬臂可减少 1.5~2.0m(即一个底板的厚度)。

1.3 轻型井点加局部支护

当地下水位略膏干基底。土质条件活宜干井点降水。基坑挖土深度在一7m 左右,北京、济南、深圳在一10m 左右,采用轻型井点降水。再在接近坑底部分加设挡墙、砂袋或短桩等局部支护,

在—般情况下是能满足 工程要求的。如北京亮马河大厦基坑深—12m,就是采用轻型井点降水下部加设挡墙施工的,经济效益也不错。

1.4 拉结式支护桩支护

当基坑深度较大(超过 10m),或基坑边缘有附加荷载,或土体的含水量增大时,都会导致支护结构产生较大位移。如果在桩后进行拉结,就可以改变支护结构的受力状态,变悬臂桩为拉结桩。这样,支护桩的桩径就可以变小,钢筋可以减少,省时省工,取得可观的经济效益。

具体措施为; 利用裙房的工程桩及地梁进行拉结;利用锚梁进行拉结。

1. 5"二墙合一"连续墙支护

当基坑深度较大(超过 2 层地下室),地下水位较高,周围场地不开阔的情况下,无论采用何种支护结构,基坑开挖的工程费用都将非常高昂。 如果采用"二墙合一"的地下连续墙,既作为深基坑围护的挡土挡水结构,又作为永久性地下室承重外墙,则可取得一举两得的效果。

"二墙合一"地下连续墙"逆作法"与常规的深基坑支护开挖相比较有以下突出的优点∶

(1) 由于地下连续墙的刚度大,止水性好,深基坑开挖将不影响邻近建筑物、地下设施等的安全,对解决城市密集建筑群中的施工十分有效。

(2)地下室利用地下连续墙作围护外墙,而地下室的纵横隔墙在深基坑开挖过程中又被利用为支撑,起到了永久性结构与临时性结构相结合的作用,既节约了大量的投资,又精减了施工工序。

(3) 建筑物上部结构的施工和地下结构的施工平行立体作业,,可加快施工速度,缩短总工期。

(4)上部结构可使基坑开挖少受风雨的影响。 1.6 钢筋混凝土灌注桩和水泥土搅拌桩组合支护

我国许多地区地下水位较高,基坑开挖经常需要考虑止水问题。因此,对带有弧形的基坑(长方形基坑也可效仿),弧形部分可完全由 多排水泥搅拌桩构成集防水与挡土为-体的拱型支护体,充分利用拱型支护轴向承压的有利特点,但需要在拱脚处接钢筋混凝十支护桩,拱脚处钢筋混凝十支护桩所受的水平推力 又可以用来抵消其主动土压力,产生事半功倍的效果,见图 4-1。

1.7 充分利用基坑的空间效应

实测资料和空间分析都表明∶无论基坑的长边或短边,支护桩桩顶圈梁(相同尺寸)的周边作用荷载均是角点处大,中间小,中间部分圈梁出现微小拉力,而向基坑方向的位移则是中间大,角点处小;支护桩桩顶位移、桩身变形以及桩身钢筋应力都是中间桩比角点处桩大。因此,为了使整个支护桩受力均匀,达到经济合理的目的,可采用单排桩与双排桩混合形式,将桩顶圈梁做成宽扁梁,并在转角处加水平支撑,如图 4-2 所示。


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同样道理,也可以统一使用单排桩,采取将中间部分的支护桩长度加大,或者将中间部分的支护桩间距调小,总之适当增大基坑中间 支护桩的抵抗能力, 或者适当减小基坑中间支护桩的荷载,使整个支护桩的可靠度一致。

2.经验加权评分法

对于 A、B、C、D、E等几个方案,往往很难判断哪一个方案更优越。因为每一种方案都有其特点,有的比较省钱,有的施工速度快,有的环境影响小,有的安全度最高,而这些方面又很难直接进行量化(大小)的比较,因此,给方案比选带来一定的困难。为了解决上述问题,可采用十分简便的经验加权评分法进行方案比选。


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从上述的分析计算过程可以看出,综合评分这种方法尽管可以考虑较多的影响因素,但考虑的方式是评分,那么评分的标准是否科学、准确与可靠,将直接影响评价结果的正确性。因此读者在应用时还需慎重。

3 设计的比较方法

基坑工程设计时内力分析是一个强有力的工具,可以研究所选结构是否安全或过于保守。以分析理论为基础进行优化是种设计方法(在细部优化设计时讨论)。另—种是以规范为基础讲行优化。按照分析理论有时过于复杂,而规范又不能兼容并包,所得结果很难是真正优化结果。优化中因素繁多,如材料、 人工的

真实价格,各个部分结论的相互影响,是否便于施工,这些因素很难用优化条件或约束条件表现。当前在设计中一般参考类似规模的工程来选定方案,经过内力、变形分析作少量修改。长期设计过程中这种传统的方法很少改变。要想改变现有情况,优化学者必须作出充分努力。在方案或初步设计阶段中的优化可能存在着更大的活力和前途。

以上提到参考已有的工程选择优化方案。 如果根据多数的工程经验进行选择,这便是设计中的比较方法,至少是设计者不自觉地运用了比较方法。

比较方法是-种古老的逻辑推理方式,广泛应用在各项自然

科学和人文科学。很多政治家、军事家和技术专家都能根据所掌握的经验进行比较,找出 正确的对策,获得辉煌的成功。"判断"是—种高超艺术,但是其中也有科学规律。在这里希望能将过去在 "判断"工作体会到一些规律总结起来,使 "比较" 可以遵循一定的途径,选择哪些是所需要考虑的重要因素, 总的是使比较方法进一步科学化。

比较方法也近干"经验法则"。由干人类知识无涯。比较方法也不会终止。 比较方法中不确定因素较多,统计数字的离散性较大,可能包含大量的模糊数学问题。为便于实用,不想在数学方面作过多讨论。以下仅讨论两个方面,第一个是如何按照比较方法进行方案优化;第二个如何根据统计规律,利用比较方法作好优良的工程对策。

我们将一类支护结构统计分析进行比较。例如对基坑支护结构,可 以有多种评价,如"可靠性"等都属于模糊数学的范畴,可以用适当的方法确定其隶属函数。 在结构计算方面比较容易进行确定性的分析和统计,应当详细分析基坑开挖的环境要求。在进行方案设计时首先应当参考已经作出的资料库,即统计资料,着重比较条件较为近似的工程和评价较高的工程,由此确定初步方案。当进—步改进时,应 当注意方案的修改并不仅限干结构,。 也应 当句括施工及其它相关因素。它们相互影响,只有全面改讲才能收到较大的效益。

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