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袁静 · 深耕岩土谋创新

袁静 · 深耕岩土谋创新

  • 分类:新闻资讯
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  • 来源:
  • 发布时间:2021-10-16 10:55
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【概要描述】很感佩年少懵懂时,幸运地选择了岩土工程专业。“土力学之父”卡尔 · 太沙基曾说过:“岩土工程与其说是门技术,不如说是门艺术”。岩土体是自然和历史的产物,兼具“时间”和“空间”的双重不确定性,以及“科学”和“艺术”的双重精神内涵。 依据确定的工程项目、不确定的岩土体条件,设计出符合工程特点、安全经济、具有实践创新性的方案,将考验项目负责人对项目的理解深度和设计水平,也是岩土工程设计的魅力所在。 多年来,得益于博士阶段打下的理论基础,以及数十个复杂工程项目实践的积累,逐步领悟到:真正优秀的岩土工程设计,在于针对岩土材料的不确定性,抓住工程项目自身及其周边环境特点,精准判断项目的关键点和难点,因地制宜、有的放矢,定向精准设计,从而做到同等造价条件下安全度更高,或同等安全度条件下造价更低。好的设计方案应由设计者赋予其灵魂,体现设计者的独特意图。而要达到这一点,需要加强概念设计,与时俱进,勇于创新,敢于突破。同时善于将理论研究与工程实践相结合,在实践中发现问题、解决问题,逐步提升设计水平。

袁静 · 深耕岩土谋创新

【概要描述】很感佩年少懵懂时,幸运地选择了岩土工程专业。“土力学之父”卡尔 · 太沙基曾说过:“岩土工程与其说是门技术,不如说是门艺术”。岩土体是自然和历史的产物,兼具“时间”和“空间”的双重不确定性,以及“科学”和“艺术”的双重精神内涵。
依据确定的工程项目、不确定的岩土体条件,设计出符合工程特点、安全经济、具有实践创新性的方案,将考验项目负责人对项目的理解深度和设计水平,也是岩土工程设计的魅力所在。
多年来,得益于博士阶段打下的理论基础,以及数十个复杂工程项目实践的积累,逐步领悟到:真正优秀的岩土工程设计,在于针对岩土材料的不确定性,抓住工程项目自身及其周边环境特点,精准判断项目的关键点和难点,因地制宜、有的放矢,定向精准设计,从而做到同等造价条件下安全度更高,或同等安全度条件下造价更低。好的设计方案应由设计者赋予其灵魂,体现设计者的独特意图。而要达到这一点,需要加强概念设计,与时俱进,勇于创新,敢于突破。同时善于将理论研究与工程实践相结合,在实践中发现问题、解决问题,逐步提升设计水平。

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   很感佩年少懵懂时,幸运地选择了岩土工程专业。“土力学之父”卡尔 · 太沙基曾说过:“岩土工程与其说是门技术,不如说是门艺术”。岩土体是自然和历史的产物,兼具“时间”和“空间”的双重不确定性,以及“科学”和“艺术”的双重精神内涵。

  依据确定的工程项目、不确定的岩土体条件,设计出符合工程特点、安全经济、具有实践创新性的方案,将考验项目负责人对项目的理解深度和设计水平,也是岩土工程设计的魅力所在。

  多年来,得益于博士阶段打下的理论基础,以及数十个复杂工程项目实践的积累,逐步领悟到:真正优秀的岩土工程设计,在于针对岩土材料的不确定性,抓住工程项目自身及其周边环境特点,精准判断项目的关键点和难点,因地制宜、有的放矢,定向精准设计,从而做到同等造价条件下安全度更高,或同等安全度条件下造价更低。好的设计方案应由设计者赋予其灵魂,体现设计者的独特意图。而要达到这一点,需要加强概念设计,与时俱进,勇于创新,敢于突破。同时善于将理论研究与工程实践相结合,在实践中发现问题、解决问题,逐步提升设计水平。

 

创  新

     创新驱动发展,对设计而言,创新是其生命力所在。基于创新的设计,更能体现设计师的价值。下面分享两个创新设计案例。

一、带支腿地下连续墙设计技术(以下简称“支腿墙”)

  黄龙饭店改扩建工程紧贴已运营的黄龙饭店,净距仅2m,下设四层地下室,2006年开工,是浙江省最早开挖深度近20m的复杂基坑工程之一。地下室外墙采用地下连续墙,并兼做围护墙。

  由于坐落于宝俶山的山前地带,岩层面起伏大。西南角基岩埋藏浅,最浅处岩面距离坑底仅约2 m(见图1)。地下连续墙若全断面进入中风化熔结凝灰岩岩层内一定深度,由于基岩硬度大,成墙施工困难、成本高、环境影响大。经过设计、施工等相关单位的多次讨论,创新性采用带支腿地下墙,在地连墙下部设置支腿(见图2)

图1 基岩埋藏区域分布图

图2 带支腿地下连续墙

图3 带支腿地下连续墙受力及模型简图

  支腿墙由于形状不规则,截面突变,存在应力集中等一系列工程应用问题。为此,基于起伏较大基岩面的施工勘察,进行支腿墙适用条件分析,开展支腿墙设计理论研究并精细化设计(见图3)

  1、获得支腿墙水平荷载作用和竖向荷载传递机理;

  2、形成常规和变刚度竖向弹性地基梁有限元程序联合应用、判定支腿合理长度的支腿墙设计方法;

  3、形成竖向荷载作用下"仅用作工程桩""二墙合一"的支腿墙竖向承载力和沉降计算公式,给出了墙段、支腿的受弯、受剪、受压的验算公式和包络设计方法。

  设计方法获得三项国家发明专利。在理论研究可行的前提下,施工单位通过试验幅施工,获得了支腿墙全套施工关键技术,包括泥浆配制及槽壁稳定控制、支腿定位与成孔、支腿墙钢筋笼对位和连接工艺、支腿墙钢筋笼吊装、清孔和混凝土浇筑技术等(见图4~图7)

图4 带支腿地下连续墙钢筋绑扎

图5  支腿节点

图6 支腿墙吊装

图7  黄龙饭店改扩建基坑工程

 

  黄龙饭店改扩建工程四层地下室中支腿墙共使用约110延长米,主要承受水平土压力作用。该技术后续推广应用在在国大·城市广场工程5层地下室, 开挖深度超过28m的基坑工程中,支腿墙使用约100延长米,不仅承受水平土压力,而且承受主体结构竖向荷载。

  支腿墙经济效益明显,避免采用铣槽机等切岩设备,减少了施工难度,可节约20~30%围护工程造价,体现了创新的价值,也为解决相类似超大、超深基坑的承重及围护结构提供了宝贵经验。

二、疏桩复合结构设计技术

  杭州钱塘江两岸,如钱江新城、滨江、钱江世纪城等区域,地下水丰富,浅层分布着渗透性较大的粉土粉砂潜水含水层。降水条件下,粉土粉砂层强度高,自立性好。

  上述区域早期大规模建设时,往往道路先行形成,工程施工可允许降水,但不具备放坡条件。为此在设计一批上述地区临道路侧的基坑工程时,紧扣粉土粉砂层渗透性大、降水后强度高的特点,巧妙采用疏桩复合围护结构技术,应用在开挖深度接近10m,基底及其以下一定深度范围内仍存在粉土粉砂层的基坑工程中,获得了成功。

该技术的核心是钻孔灌注桩直径小,仅600mm;插入深度浅,仅3m,而间距超过2m。和常规密排、插入深度为1.5倍开挖深度的围护桩相比,围护造价仅为其1/5。该技术体现了以下概念设计的思路:

  1、通过土钉墙技术,控制基坑边坡的稳定。

  2、通过疏桩技术,控制基坑边坡的变形。

  疏桩复合围护结构技术在钱江新城日出钱塘、迪凯国际等大厦的地下室施工得到应用,最终土体深层水平位移值未超过20mm。

 

 

突  破

 

  岩土工程设计,不同于建筑的艺术创作,符合力学规律是第一要务。结合具体工程,在安全的前提下若要突破规范条条框框的约束,需要设计师大胆思考,更要小心求证。

  由前述可知,钱塘江两岸除浅部分布着粉土粉砂潜水含水层,深部还有一层圆砾承压含水层。圆砾层渗透系数大,厚度后,承压水补给充足,基坑一旦发生承压水突涌,将封堵困难,延误工期,甚至引发事故。

  杭州来福士广场位于钱江新城核心商务区,由T1、T2塔楼和裙房组成。平面为矩形,尺寸约200×180m;基坑大范围开挖深度约16.00m,塔楼开挖深度19.20m、20.10m,局部电梯井深坑开挖深度25.10m(见图8、图9)

  场地地表下20m深度内为粉砂层,渗透性强。主楼电梯井深坑的突涌稳定性数为0.91,不满足规范要求。而完全满足规范设定的抗突涌安全系数,需要在主楼深坑周边设置穿越圆砾层的止水帷幕。由于圆砾层厚度大,强度高,封闭止水帷幕需要采用非常规的施工设备且损耗高,工程代价极大。

图8 杭州来福士广场

图9  来福士广场平面布置图

 

 

  来福士广场深基坑设计期间,邻近工程项目因主楼深基坑措施不当,发生突涌事故。基于此,综合分析突涌稳定系数值、圆砾层特性、工程特点,谨慎计算,最终放弃设置承压含水层止水帷幕的设计思路,突破了规范规定:

  1、利用工程桩承担部分承压水水头压力,考虑工程桩桩周摩阻力后,可平衡承压水头顶托作用。

  2、补充针对25m深塔楼电梯井的设计措施,采用高压旋喷桩满堂封底加固,针对性封闭工程桩桩壁渗透路径(见图10)

  3、考虑深坑空间效应,补充分层、分块、限时施工的规定(见图11)

图10  塔楼电梯井深坑加固图

图11  主楼深坑限时施工分区图

  来福士广场塔楼深坑施工顺利,项目完成时,土体水平位移总量不超过50mm,从而利用工程桩的抗拔性能,成功地解决了局部深坑抗承压水突涌稳定性不足的问题。和设置封闭承压含水层的止水帷幕墙体相比,极大降低了工程造价和施工工期。

  来福士广场局部深坑的抗承压水突涌设计,是充分利用工程特点,因地制宜,有依据有条件突破规范的典型案例,开辟了钱江新城区域局部深坑不满足抗突涌稳定要求时的设计新思路。

与时俱进、系统思维

 

  土木工程虽然是传统行业,但伴随着经济高速发展、大规模基础设施建设,超大、超深、超长的岩土工程项目,对自身建设以及周边环境保护,提出了更严格的限制要求,完全不同于普通项目。如已运营的地下轨道交通设施,要求邻近工程对其的扰动影响限制在毫米级,大大小于普通工程厘米级的控制标准。

这就要求设计师紧跟时代发展,转变观念,与时俱进,更新设计思路,加强全局性、系统性思维,从时间和空间两个维度精细化设计,提升设计水准。

一、变形控制及全过程设计

  地铁设施毫米级的变形控制要求,必须精准、定量、全过程控制性设计,综合运用设计、施工手段,才能达到目标要求。杭州火车东站西广场是浙江省最先开展变形控制设计的工程案例之一(见图12)

杭州火车东站及其综合体西广场,覆盖范围约700m×650m,西广场占地约200m×650m,开挖深度13.900m。新塘路、天成路隧道分别从场地南北两端穿过,地铁1、4号线则在西广场中部下穿,地铁盾构隧道顶距离西广场地下室底板底最近处仅约1.5m(见图13)

12 杭州火车东站站房及西广场建成图

13 杭州火车东站西广场平面图

 

 

  东站、西广场、新塘路和天成路隧道、地铁1号线盾构隧道、地铁站房规划同期开工建设。实际西广场基坑开挖时,地铁1号线盾构隧道已经施工。为实现上部西广场大面积卸载施工,对下部已建盾构隧道微变形控制的保护要求,尝试转变以变形控制为主的设计思路:采用盾构隧道周边土体加固、隧道两侧工程桩顶部加设配筋垫层,形成加固体与工程桩复合的门式结构,达到限制底板施工期间下卧土层的回弹变形,以及抑制隧道上抬变形的目的(见图14)

图14  盾构隧道周边门式加固体

 

  为确保最近处1.5m竖向净距下,顶部超10m厚度大面积土方卸载的顺利实施,正式施工前开展了以下三项研究工作:

1、试验研究。开展现场土体及其加固体的室内回弹试验,获取上方卸载工况下的土体回弹模量特点和变化规律。

2、理论研究。开展基于Mindlin解的基坑卸载附加应力计算研究,建立对应精细化施工要求的设计计算方法。

3、试验段施工研究。试验段先行实践,检验第1、2点的试验和理论研究效果。

  基于试验段的成功经验,进一步对施工提出了逐层逐点的精细化施工要求和设计规定,并随时根据现场实际情况调整设计规定,将设计由施工前端贯彻延伸至施工的全过程。

  试验、理论和实践,三位一体,以及全过程的跟踪设计,保证了火车东站西广场三层地下室施工对已见地铁盾构隧道的保护要求,最大限度减少了顶部大面积、大深度卸载开挖施工对下方地铁隧道所产生的影响。

二、考虑相邻基坑交叉影响的全局设计

  城市有机更新、老城区整体改造,TOD商业综合体建设,出现了众多相邻深大基坑同时或交叉施工的工程。相邻基坑的受力模式,不同于单个基坑,受两者净距、施工工况等多因素影响,变化复杂,不确定性增加。完全不考虑相邻基坑的设计和施工,曾引发多起基坑倒塌事故。

  好的设计师,应能根据周边环境变化,敏锐觉察影响工程安全的关键因子,开展全局设计,将工程隐患消灭在萌芽状态。杭州远洋综合体基坑群即是不同地质条件,不同相邻状态下相邻基坑设计的典型案例。

  远洋综合体由乐堤港和国际中心组成,位于大关路和丽水路交叉口,占地约15万方(见图15)。场地埋藏深厚的淤泥质粉质黏土。乐堤港平面尺寸360×300m,地下二层,深度13.5m; 国际中心平面尺寸155×255m,地下三层,深度17.0m,主楼深度21m。两者超大超深,平面内凹、形状差。两大基坑先后交叉、同步建设且受限于周边环境,两者中间需通行重型施工机械,施工风险高。

图15-1 远洋综合体

15-2 远洋综合体平面

 

  基于远洋综合体同一家建设单位、同一家施工单位的管理优势,开展相邻侧有限土压力理论研究,挖掘深大软土相邻基坑的设计潜力,形成相邻基坑群交叉施工的系统控制技术:

  1、建立了相邻基坑间有限土压力计算方法,获得了包括支撑水平力影响的多因素土压力分布规律;

  2、获得了全工况下基坑群的内力和变形影响规律,得到相邻基坑水平间距的临界值;

  3、形成控制相邻基坑交叉施工影响的系列包络设计和施工技术,包括超长支撑刚度增强技术、支撑竖向和平面协调布置技术、土方开挖和支撑拆除协调等的系列控制技术。

16 乐堤港基坑工程

17 国际中心基坑工程

  先行采用全工况包络设计和施工风险控制技术,规避危险工况后,乐堤港和国际中心得以同步、交叉施工。施工期间,两大基坑变形稳定,未超出50mm,见图18、图19。由于乐堤港无需设置分隔墙,节约造价约2750万元;国际中心提前2年、乐堤港至少提前一年运营。经济和社会效益明显。

  该技术后续在英蓝大厦、绿地杭州之门、杭州西站枢纽南区块等工程中得到推广应用。

18 杭州西站枢纽南区块工程(示意)

 

总  结

 

  岩土工程属于土木工程大类,虽然土木工程属于传统学科,但随着新时期不断涌现的超大、超高、超深工程以及新材料、新设备、新工艺,传统行业也在焕发生机。

  本次分享的工程案例,在概念化设计、精细化设计的同时,均密切联系理论研究,有所创新突破。由于安全、经济、缩短工期,不仅得到了建设单位的充分认可,工程结束之时,即是收获研究成果之时。

  岩土工程设计走创新之路,做到“传统与创新的结合”、“技术和艺术的结合” “理论和实践的结合”以及“岩土和结构的结合”、 “局部和整体的结合”,以理论为拐杖,实践为双腿,才能稳步前行,保持行业领先优势。

 

 

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