浅析高层建筑深基坑支护优化设计与工程施工

徐其稳

（安徽两淮地质基础工程公司　230088）

浅析高层建筑深基坑支护优化设计与工程施工

徐其稳

（安徽两淮地质基础工程公司230088）

在进行高层建筑设计时，进行建筑深基坑支护的优化设计，可以使建筑保持稳定的同时减少建筑施工的资金投入，并提高建筑建设的施工速度，从而推动建设事业的发展。所以，基于这种认识，本文从设计方法与步骤、设计过程和设计结果这几个方面对高层建筑深基坑支护优化设计问题进行了分析。而在此基础之上，则结合了工程实例对高层建筑深基坑支护优化设计的工程施工问题进行了研究，从而为关注这一话题的人们提供一些参考。

高层建筑；深基坑支护优化设计；工程实践

引言

作为高层建筑设计的难题，深基坑支护设计一直涉及着较多的力学问题，困扰着高层建筑的设计者。而随着科学技术的发展，应用有限元法进行高层建筑深基坑支护的优化设计，则可以很好的解决相关的力学问题，从而更好的促进高层建筑的建设发展。因此，相关单位和人员有必要对高层建筑深基坑支护优化设计与工程施工问题进行研究，从而更好的完成高层建筑的建设工作。

1　高层建筑深基坑支护优化设计

1.1优化设计的方法与步骤

常用于进行高层建筑深基坑支护优化设计的方法有两种，既零阶方法和一阶方法。其中，零阶方法需要进行变量的应用，却不需要进行偏导数的应用。具体来说，就是利用曲线拟合进行目标函数和设计变量的关系的建立，从而通过计算求得设计变量的范围。而在进行状态变量和设计变量的数值约束范围设计之后，则可以通过解决约束的优化问题来解决设计的优化问题。而一阶方法则是通过增加罚函数来将优化问题转化为非约束问题。不同于零阶方法，一阶方法可以取得最小化的真实有限元结果，使结果更加精确。此外，在进行高层建筑深基坑支护优化设计时，还要遵循着一定的步骤来进行[1]。①要利用设计变量为参数，进行模型的建立，并通过施加荷载、分析选项等步骤进行有限元的计算，进行指定状态变量和目标函数的求取。而在此基础之上，则可以进行优化方案的制定。②在进行优化方案制定时，要进行优化变量、状态变量和目标函数的制定，并进行优化工具和优化方法的选择。④最后在进行优化分析时，要分析设计序列结果，并进行结果的处理。

1.2设计的优化过程

在进行高层建筑深基坑支护优化设计时，要在满足设计要求的情况下尽量减少支撑系统所耗费的混凝土的体积。以长宽分别为60m和40m的某大厦深基坑为例，基坑内钢筋混凝土支撑系统如图1。由于该体系结构的东西方向长度较长，所以可以在中部南北两对边进行截面为1000mm×850mm的3道对撑的设置，而对撑间距为8m。同时，需要进行截面为600mm×600mm的连系杆件的设置。而基坑四角为截面为1000mm×850mm的角撑，并采用截面为500mm×500mm的连系杆件，角撑间距为6m。此外，在结构中部，需要进行截面为600mm×600mm的平面八字撑的设置，并进行截面为1000mm×1000mm的四周围檩的设计。

图1　基坑内钢筋混凝土支撑系统平面图

在进行上面提到的基坑的支护优化设计时：①要进行设计变量的确定，既钢筋混凝土支撑的截面的高度为H，而宽度为B。在进行这些变量的计算时，可以将支撑截面分成四部分。具体来说，就是分别进行外部围檩、基坑四角斜撑和中部南北对边三道对撑、对撑中部和角撑间的连系杆件、平面八字撑的截面设置。而四部分截面的初始数值可以为0.5m×0.5m，设计变量的变化范围则设计在0.2～0.8m之间。②需要对状态变量进行设置。具体来说，就是以混凝土抗压强度的设计值为优化设计的状态变量上限，并保证支撑平面框架梁的最大变形不超过0.01m。④要进行目标函数的设置。具体来讲，就是在满足设计变量和状态变量约束的情况下，进行整个系统所用的最小混凝土体积的求取[2]。⑤则要利用一阶有限元法进行优化计算。而考虑到建筑建设的实际问题，可以将弹性模量设置为1.6×104MPa。而根据有限元计算方法，系统承受的均布力为200kN/m。而经过计算，就可以得到支撑平面框架的最大位移点，同时也能得到对应的最大轴应力支撑单元。而在进行优化计算时，则需要将这些位移点和围檩长短边中点当做是状态变量进行控制。

1.3优化结果

在利用有限元法完成计算后，则可以将所有支撑截面都限制在所设计的范围之内，而控制点的位移和对应的支撑梁单元的轴向应力也不会超出设计值。从本质上来讲，优化的过程实际上是由控制点的位移所控制。在上述工程中，根据施工尺寸和规范的要求，将支撑截面的四部分截面分别设置为0.8m×0.8m、0.6m× 0.8m、0.4m×0.4m、0.4m×0.4m。而经过有限元计算，原工程所需的钢筋混凝土体积为542.234m3，而优化后则只需要使用322.732m3。所以，经过优化设计，节省了约40%的混凝土材料，从而达成了优化的目的。

2　高层建筑深基坑支护优化设计工程施工

为了进一步进行高层建筑深基坑支护优化设计问题的研究，本文以某大楼的基坑为例，进行了工程施工内容的分析，从而为高层建筑深基坑支护优化设计施工提供实践指导。

2.1工程情况

大楼的基坑为120m×48m，采用的是排桩式挡土墙，基坑深度为8m。而大楼维护结构主要为沉管灌注排桩墙加现浇钢筋混凝土支撑体系，钢筋混凝土支撑结构布置图如图2所示。其中，第一道支撑截面为800mm×600mm，支撑中心距地表0.9m，而圈梁截面则为1000×800mm。第二道支撑截面为600mm×800mm，支撑中心距地表4.7m，而圈梁截面则为800×600mm。而中800@900沉管灌注排桩墙的厚度则为0.65m，弹性模量E= 25000MPa，v=2.0。此外，基坑可以分别开挖至地表下4.7m和8.0m。而在距基坑北侧25m的距离可以进行监测点S25的设置，并进行该店地表沉降量的监测。

图2　钢筋混凝土支撑结构布置图

2.2工程优化设计

由于该基坑的支撑为平面析架系统，所以可以将支撑的截面分为四部分。具体来讲，既为截面为B1×H1的外部围檩、截面为B2×H2基坑四角处的三道斜撑、截面为B3×H3基坑中部南北两对边的三道对撑和截面为B4×H4的析架这四个部分。①可以将四部分截面初始化成原工程的设计值，并且将设计变量范围设定为0.2～1m之间。②根据平面有限元法进行各道支撑的最大轴力的计算可知，第一道支撑的最大轴力为157.8kN/m，而第二道为245.8kN/m。而在将第一道轴力均匀分布在支撑周围的同时，满足墙体和支撑接触点的变形条件，则可以计算出第一道支撑点的位移为0.017m。④经过100次优化迭代，则可以求出优化设计的最优序列。从计算结果可以看出，优化设计的截面都处在合理范围内，而优化前的工程混凝土用量为848.62m3，优化之后则为662m3，大约节省了20%的混凝土材料。而在考虑施工要求和规范的情况下，则可以使各截面为0.6m×1.0m、0.4m×0.7m、0.6m× 0.8m、0.6m×0.8m。

2.3计算结果与实测结果的比较

在工程开挖的过程中，通过检测深层土体水平位移可以发现，排桩墙体水平位移的工程检测值与利用有限元计算的数值较为接近。一方面，计算出的围护结构的最大水平位移值与工程检测值较为接近。另一方面，从S25的沉降监测结果来看，第一次开挖结束后沉降值为27mm，而计算出的值为24.3mm。而第二次开挖后沉降值为40mm，而计算出的值为34.7mm。所以，计算出的位移曲线计算值与工程监测值也较为吻合。而优化的过程主要受到围护结构的位移控制，所以基坑内支撑体系的优化设计是可行的。

2.4工程的施工

在完成设计之后，就要对高层建筑的深基坑支护进行施工。而在施工的过程中，需要注意一些问题：①在进行支护结构的选择时，需要根据工程实际情况和施工机构进行基础桩的选择。在基坑较深和围护桩允许的情况下，可以进行两排支护桩的选择。而这样一来，则可以使桩体间的协同工作得到保障，并使周围护桩的受力情况得以改善，以便减少桩体的配筋量。此外，还要从多方面进行深基坑支护结构的比较和分析，以便进行较好的支护方式的选择。②在进行施工支护流程的确定时，要依次做好施工准备工作、支护桩施工、锚杆施工和再土方开挖等工作。其中，各个环节的施工都有相应的要求。例如，搅拌桩施工的定位误差不能超过50mm，垂直度偏差不能超过1%。而锚索施工则需要采用分段施工方式进行，并要在每次钻孔前进行注浆施工。所以，需要按照固定的要求，并结合实际进行各个环节的施工，从而保证工程施工的质量。再者，在地下水位较高的情况下，需要进行深基坑周围土体的止水控制，从而防止工程受到此方面的影响。而在具体进行止水控制的过程中，则要从防水、降水和排水三方面进行工程施工情况的考虑。

3　结论

总而言之，进行高层建筑的深基坑支护的优化设计，可以使支护结构保持稳定的同时，进行施工成本的降低，从而促进高层建筑的发展。而通过研究高层建筑的深基坑支护优化设计问题，可以进一步掌握高层建筑的深基坑支护的优化方法和步骤，从而更好的进行建筑的优化设计。因此，本文对高层建筑深基坑支护优化设计与工程施工问题进行的研究，可以为高层建筑的优化设计提供参考，从而合理的进行建筑资源的配置，进而促进建筑行业的发展。

[1]刘晓熹.浅谈高层建筑深基坑支护的设计与施工[J].江西建材，2013，04（01）：66～67.

[2]江洪潮.深基坑支护技术方案的选择及其优化设计[D].长江大学，2012.

TU753

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1673-0038（2015）19-0036-02

2015-4-23