结合中文文献谈基坑工程二三事

2017-06-19 10:53  来源:中国岩土网  阅读:2278
文章结合中文文献,简要地从基坑工程计算理论的进步、施工方法的突破、操作机械的使用和新工程材料的发现4个方面,介绍了我国基坑工程在近20a来的发展情况,以期供同行参考,共勉

结合中文文献谈基坑工程二三事

[摘要]:文章结合中文文献,简要地从基坑工程计算理论的进步、施工方法的突破、操作机械的使用和新工程材料的发现4个方面,介绍了我国基坑工程在近20a来的发展情况,以期供同行参考,共勉。

0引言

近年来,我国逐渐形成一支“基坑工程”队伍,大家从事的工作简单地讲,就是为祖国繁荣、社会进步和经济发展,在想各种办法“挖坑”,即“基坑”。规范JGJ120-2012中解释,基坑是指:为进行建(构)筑物地下部分的施工由地面向下开挖出的空间。当然,这是学者们的儒雅说法,干基坑工作的同行都清楚,基坑就是岩土中挖的坑。既然是在岩土中挖坑,那么要干什么工作才能实现顺利地挖坑。

古人讲“治大国如烹小鲜”,那么搞基坑工程也只能算作一碟小菜了。如何做好一桌菜,大概分为“煎、烤、炒、炸;蒸、煮、焖、炖”这8个字。其实,搞基坑工程也就是“搞土”和“搞水”两件事,大致概括为搞土 “撑、拉、锚、顶”;搞水“止、降、排、灌”8个字。基坑工程看似简单,实则受岩土自身情况的复杂性影响,基坑工程属于一项跨学科、综合性、高难度和高风险的工程。由于本人水平和知识有限,故下文借助中国知网,从往年发表的学术文献中窥探时间在1996.01.31~2016.12.31这20a间,我国基坑工程的进展。

在中国知网高级检索页面,从“全文”栏目中检索“基坑”两字,结果如图1所示。从图1可看出,论文数量在1996~2004年期间,增长曲线平缓,表明这期间工程实践与课题研究较少;2004~2014期间,论文增长曲线基本成陡变型上升,表明这期间工程实践与学术研究爆发式的发展。该情况与我国高校土木工程学生扩招和房地产黄金发展期高度吻合。从2014年论文数量开始出现下滑趋势,这一现象也符合从2014年房地产开始进入过剩期,去库存阶段(除一线和强二线城市)的基本国情。

图片未命名

从图1可看出,近年来,发表的与基坑有关的论文多于10000篇/a,但众所周知,如此多的论文中含有大量用来评职称所撰写的“凑数”论文,即所谓的“垃圾论文”。在中国知网高级检索页面,从“篇名”栏目中检索“基坑”两字,并设置按他引次数排序,结果如图2所示。从图2可看出,被引用次数较多的论文基本发表在三大“EI岩土期刊”和“EI土木期刊”上,且年份集中在1998~2001期间,论文作者基本为名校教授、院士和知名设计院技术领导、勘察设计大师等;论文内容基本涵盖理论计算、数值分析、性状研究和测试技术。

本人认为岩土工程能否进步,大致取决于计算理论、施工方法、操作机械和工程材料,这4个方面的新发现。因此,下文结合20a来的论文文献,从上述4个方面,简要地总结和分析深基坑工程的技术进展。

1 计算理论的进步

①“增量法”可考虑逐步加撑或加锚和逐步开挖过程的支护结构内力和位移计算,目前被设计计算普遍采用。②“地基反力法”可以考虑支撑轴力、墙体弯矩、土压力等随开挖过程的变化,能合理解释结构刚度和土刚度的作用,目前地基反力法以 m 法应用最为广泛。③“3D有限元”三维空间有限元研究了基坑开挖过程中围护结构变形、土压力的空间分布及基坑的几何尺寸效应,目前在复杂基坑,以及地铁周边基坑工程,必须使用3D有限元计算,方可通过地铁专家设计审查。④“极限平衡法”,基于地基承载力的概念或圆弧滑动法从基于极限平衡法研究基坑抗隆起稳定性。⑤“多块体上限法”应用到饱和黏土基坑抗隆起稳定性分析。⑥“水土分算与合算”提出了在一定条件下“水土合算”可能有一定微观基础,提出了两种算法的使用条件。⑦“考虑基坑宽度的计算”推导出考虑基坑宽度影响的抗倾覆、抗隆起稳定安全系数计算公式。⑧“圆环支撑刚度系数”提出了圆环支撑体系水平刚度系数的简易计算方法,并给出了解析式的修正式。⑨“有效应力”粗粒土使用有效应力强度指标;对于黏性土一般采用固结不排水(CU)强度指标较为合理。⑩“土体硬化模型参数”土体硬化模型已成为基坑数值分析中最常用的本构模型之一,通过各种实验获得了软土基坑工程数值分析中确定HS模型参数时的参考值。⑾“土拱效应”建立了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩身内力和变形的计算模型。⑿“有限土体土压力”明确了支护结构后有限土体土压力的计算与取值方法,并写入河南、北京等地方规范。

2施工方法的突破

20a年来,我国深基坑工程施工方法,取得了重大突破,如:⑴“深基坑时空间效应”在软土地区,特别是靠近地铁的基坑工程,均采用大坑划分为若干小坑施工的方法,减少开挖对周边环境的影响。⑵“桩间软土和坑内被动区加固”在软弱土地区采用搅拌桩或高压旋喷桩等对桩间土体或坑内被动区加固,减小开挖变形。⑶“两墙合一”支护墙兼做地下室外墙,节约材料、降低造价,特别是地铁深基坑或紧贴地铁的深基坑普遍采用。⑷“主体地下结构与支护结构相结合”在环境保护要求,工期进度要求高的工程常采用相结合的施工方法,上海华东院王卫东教授已经出版专著并写入规范。⑸“承压水五面隔渗”对承压水水位较高地区,环境保护要求极高的工程,采用基坑四周隔断地下水,坑底注浆或搅拌桩封底加固隔断承压水的措施。⑹“中心岛顺作、周边环板逆作”对于超大型基坑工程,设置内支撑造价高昂,工期特长的情况,常采用该方法,在上海、南京等地较普遍。⑺“混凝土拱效应高抗压性”主要在采用混凝土圆环、圆弧内支撑,充分发挥混凝土高抗压性能和拱形受力较高的性能,在天津地区非常普遍,一个基坑六七个圆环相切的混凝土内支撑。⑻“中心施工、坑边留土反压”在天津地区常见,且天津大学郑刚教授进行了很有价值的研究。⑼“SMW工法”技术已经成熟,且已经形成规范JGJT 199-2010 。⑽“PCMW工法”即搅拌桩内插预制桩的施工方法,在江苏地区已普遍使用,南京工业大学黄广龙教授研发出预制支护管桩和预制矩形支护桩,并形成江苏省图集和规范。⑽“HCMW”工法,采用水泥土桩内插预制工字型桩(现场后张法)的施工方法,在江苏常州等地较多地使用。⑾“波浪形支护结构”采用预制半圆形桩,通过扣件连续形成波浪形支护结构,在水利工程河边护岸工程较多地使用,个别基坑工程也采用。⑿“咬合桩施工方法”常见有钢筋混凝土桩和素混凝土桩咬合,也有钢筋混凝土桩和水泥土咬合等,该方法技术成熟,在昆明、合肥、南京等地均有采用。⒀“U形预制桩”该方法支护桩采用预制U形桩,通过扣件连接形成挡土结构,类似于拉森钢板桩,在方法在江苏镇江等地已有使用。⒁“HUC组合钢板桩”组合了拉森钢板桩和H型钢,刚度较大,江苏等软土地区已有使用。⒂“桩墙合一”支护灌注桩作地下室外墙的一部分,已在南京、上海等地采用。⒃“内支撑兼作栈桥”第一道混凝土内支撑兼作施工栈桥,全国大部分地区普遍采用。⒄“可回收锚杆”通过通电熔化锚固端头的锚杆,在多个地区使用,技术较成熟。⒅“高压旋喷锚桩”采用高压旋喷形成的大直径锚杆,即锚桩平衡土压力,较传统锚杆,施工更便捷,质量更可靠。⒆“长短桩组合法”在地层较好,为满足支护结构嵌固要求,使用该方法,在山东等地采用。⒇“MJS工法”将硬化材料泥浆的配料直至加压输送、喷射、地层切削、混合、强制排泥、集中泥浆这一系列工序作为监控对象。是一种能进行水平地基加固和360°全方位地基加固的施工工法,对于周边环境及地基扰动影响积极微小;能实施大深度地基加固及水面下的施工,并且可以选择排泥场所。(21)“鱼腹梁钢支撑”采用预应力钢绞线,通过锁定在钢围檩上平衡土压力,在全国多个地采用。(22)“装配式组合H型钢内支撑”通过组合多根H型钢形成内支撑,在杭州、南京、南昌等地已使用。新型支护结构和支护方法较多,不再列举,新型支撑亦很多,详见图3。

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3 施工机械的发明

(1)TRD切割止水施工机械。可达到60m深度的连续成墙施工,有效补充地下连续墙用于止水造价高昂的短板;(2)CSM双轮铣止水施工机械。可到60m深,转角容易,补充了TRD施工机械转角难的不足,且造价较TRD低;(3)五轴搅拌桩止水施工机械。较三轴搅拌桩施工速度快,造价低;(4)六轴搅拌桩止水施工机械。施工速度快,造价较三轴低;(5)旋挖机。相比于传统泥浆护壁钻孔灌注桩,施工速度快,无泥浆污染;(6)超长螺旋钻机。施工压灌桩,相比于传统钻孔灌注桩,速度快,无泥浆污染,相比旋挖机,噪音小;(7)SH400C连续墙抓斗成槽机。成槽深度可达70m,对于一般建筑深基坑均能满足要求。(8)凿岩机。能够较快地实现破除岩石,造价相对人工挖孔较低。(9)双轮铣成槽机。可以穿透中风化岩层,形成超深地下连续墙。

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4  工程材料的发现

(1)GFRP玻璃纤维。因该材料抗拉强度非常高,GFRP筋已经用于基坑支护,代替土钉中的钢筋,,在支护桩中代替钢筋使用,效果较好,在已南京地区应用。特别在地铁盾构始发井和接收井,代替钢筋,解决了盾构机难以切割的问题;(2)GS土体固化剂。又名地基加固特种砂浆,是一种新型的软土增强加固材料,用于止水搅拌桩,强度可达3.0~5.0MPa,解决了软土地区止水搅拌桩强度达不到1.0MPa,质、安监站验收不通过的问题,在上海地区已较普遍地使用;(3)T63热处理带肋高强钢筋。该钢筋抗拉强度可达540~630MPa,解决了混凝土围檩和混凝土栈桥配筋较多,节点处钢筋绑扎困难的问题,且造价相比于III级钢,可节约15%,在江苏省较普遍地使用。

5结语

(1)通过20a来中文文献的分析,从计算理论、施工方法、工程机械和工程材料,分析了我国现阶段深基坑工程进展和技术能力。

(2)我国幅员辽阔,地质地貌区别很大,各地区施工经验与方法不同,工程技术发展各异,本文仅仅从个人了解的知识,浅谈基坑工程的粗浅认识。全文参考了杨光华、王卫东、郑刚、黄茂松、黄广龙、李广信等诸多教授与学者的成果,谨此表示感谢!

(3)限于篇幅,文中所提内容的参考论文,未一一列出,感兴趣的同仁可通过中国知网下载,详阅。限于水平,不足之处,敬请指点与谅解!


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我有话说

全部评论(5)

  • 暮光薄凉发表于 08月08日 10:06这家伙很懒,没有个性签名!
  • 辛苦辛苦,大赞大赞,好好学习
点评:
  • lz1228发表于 07月28日 17:17再累再苦,就当自己是个二百五;再难再险,只当自己是个二皮脸~~
  • 总结得很全面,赞
点评:
  • 13879789334发表于 07月28日 10:23这家伙很懒,没有个性签名!
  • 言简意赅通俗易懂,美文一篇。赞,赞,赞!
点评:
  • hanhxqgwry发表于 07月06日 18:35在交流中不断学习,在学习中不断进步,在进步中为社会添砖加瓦。
  • 弄明白一个行业历史,现状,发展与展望,计算理论,施工实践,施工机械,工程材料,就是地道的行业专家了。赞,佩服!
点评:
  • 梦无痕发表于 06月19日 15:30熟练地采选,了解物化遥,掌握勘测监,精通水工环。
  • “撑、拉、锚、顶”,“止、降、排、灌”
点评:

赵升峰

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硕士注册岩土工程师
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