浅论土木工程

刘志娥

【摘 要】应该说大部分土木工程技术是改革开放后为了适应工程建设发展的需要而引进的。目前笔者经过总结，认为近三年来有如下几项新技术：

1、地下工程与深基础施工技术，特别是深基坑的边坡支护和信息化施工技术，同时还有特种地基（包括软土地基）的加固处理技术。

2、高层建筑成套施工技术。特别是超高层钢结构、劲性钢筋混凝土结构和钢管混凝土结构的应用技术。

3、小型混凝土砌块建筑和框架轻墙建筑体系技术，用于改进与提高多层建筑功能质量。

4、建筑节能、环保与生态建设技术。

5、开发智能建筑技术，研究解决施工安装与调试中的问题。

6、建筑施工中的现代信息技术。

7、复杂结构定位测控技术。

8、建筑企业的现代管理和计算机应用技术。

【关键词】加固处理；建筑节能；环保；信息化；智能建筑等

1. 引言

（1）目前，我国已经开始大规模地利用地下空间进行地下铁道﹑地下停车场、地下仓库、地下商场等地下结构的建设及热力管道、电力管道、通信电缆、给排水管道、燃气管道各种管道的铺设。在地下空间的开发利用过程中，地下结构技术也得到了长足的发展。以下主要对各种新型的地下空间结构的施工技术作了简单的介绍。

（2）随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市都不同程度地出现了建筑用地紧张、生存空间拥挤、交通阻塞、基础设施落后、生态失衡、环境恶化等疾病，给人们的居住生活带来了很大影响，也严重制约了城市经济与社会的进一步发展，成为我国现代城市可持续发展的障碍。因此，地下空间在城市可持续发展中的作用与地位日益突出，越来越得到人们的重视。在国际上，1991年，《东京宣言》提出“21世纪是人类地下空间开发利用的世纪”的口号。

（3）现代土木工程技术是伴随现代化建设而发展的。土木工程功能化，交通高速化，城市建设立体化，综合改飞善人居环境已成为现代土木工程的特征。近3年以来土木工程新技术不断发展，为此笔者为您介绍具体土木工程的技术应用新情况。

2. 部分新技术的应用情况

2.1 地基处理综合应用新技术。

近几年，多种地基处理技术的综合应用得到重视和发展，比如在澳门国际机场人工岛建设中综合应用了换填法、排水固结法、振冲密实法和表层压密法等多种地基处理方法，取得了很好的经济效益和社会效益。多种地基处理技术的综合应用是很重要的方向，下面简单介绍我公司在浦东国际机场三跑道地基处理的情况：

2.2 三跑道是上海航空枢纽港的重要组成部分，总体规划将其定位为一跑道的近距跑道，位于现有一跑道西侧，与一跑道平行相距460m。三跑道按照4F标准建设，跑道长3400m，道面宽60m，两侧道肩各宽7.5m。同时设置东（西）两条平行滑行道、六条快速出口滑行道、六条穿越滑行道和西货运机坪等。

2.2.1 三跑道场区内主要工程地质问题：

通过工程地质条件和沉降计算分析情况，可以认为，三跑道场区主要存在两个工程地质问题：沉降变形问题和浅层土不均匀及低强度问题。

2.2.1.1 沉降变形问题：

①浅部土层沉降变形。

②中部土层沉降变形。

③不均匀沉降变形。

2.2.1.2 浅部土层不均匀和低强度问题：

浅部土层的最大特征是不均匀性。在浅部土层厚度不大的范围内，物理力学性能差异较大，容易产生不均匀变形；其次，对于同一土层的不同位置，其物理力学性能也有较大的差异。

2.2.1.3 地基处理的目标分析和确定：

（1）工后沉降问题越来越引起人们的关注，一方面因为在软土地区已经建成的机场都发生了或多或少的工后沉降量，并且工后沉降已大于原有设计的沉降控制指标，比如浦东机场一跑道、宁波栎社机场、温州永强机场、杭州萧山机场、珠海机场、深圳机场以及济南机场等；另一方面因为尽管客观上发生了一定程度的工后沉降，所有这些机场经历了时间的考验，目前都处于正常、安全和高效的运行状态，没有发生工后沉降问题所导致的飞行安全问题；再一方面因为国际民航组织亦未制定出明确的工后沉降相关规定和标准，而目前国内外软土地区机场由于工后沉降控制问题所涉及到的问题较多，其取值直接影响到工程造价及道面的今后使用状态，人们对这个问题的看法及看问题的角度仍不一致。根据大量的事实和数据，目前比较一致的看法是重点控制工后差异沉降。

（2）鉴于以上分析，提出“全范围浅层处理+古河道深层处理”方案，从技术上来说，该方案的设计原则是允许工后沉降的均匀发生，但控制差异沉降坡度在1‰以内。从施工工期而言，“全范围浅层处理+古河道深层处理”方案施工时间可以控制在6个月以内，并且通过增加施工设备和作业面等手段，易于全场区掌控施工周期。同时，大面积浅层处理的工程费用将大大减少，三跑道地基处理面积115万m2，大面积浅层处理可节省费用约1.8亿元。

2.2.1.4 三跑道地基处理方案：

一直以来，地基处理就是浦东机场场道工程建设的重要步骤和环节。合理的地基处理措施可以为跑道提供稳定坚实的基础，为今后跑道的正常运营和维护发挥潜在的作用；合理的地基处理措施不仅要求技术先进，还要求经济合理。针对三跑道存在浅层土不均匀、低强度和差异沉降变形等主要工程地质问题，在经过实验的基础上，上海机场建设指挥部于2005年8月底组织召开了三跑道大面积地基处理方案专家研讨会，确定了全范围“井点降水+垫层+冲击碾压”浅层处理结合古河道区域“真空预压”深层处理的方案。该地基处理方案原则上允许工后沉降的均匀发生，但解决了大家关注的工后差异沉降和道槽基础强度等问题，达到了技术可行、经济合理、缩短工期的目标。“井点降水+垫层+冲击碾压”浅层处理方案和“真空预压”深层处理方案属于在国内机场首次大面积成功应用，不仅节省了近亿元的投资，还缩短了2个月的工期，也为沿海软土地区的机场飞行区地基处理方式提供了有益借鉴。endprint

（1）浅层地基处理方案确定的理由：

浅层地基处理有很多种工艺，比如冲击碾压、强夯、重型机械压实、振冲挤密、换填和排水击密法等。根据三跑道的场地条件和工程地质条件，确定三跑道浅层地基处理采用以下两种方案之一：“井点降水+垫层+冲击碾压”方案和“井点降水+强夯+垫层+冲击碾压”方案，在两种方案的比选中，在同样能达到浅层地基处理目的的前提下专家认为，“井点降水+垫层+冲击碾压”方案是三跑道经济而有效的浅层地基处理方案。这也是三跑道系统真正的设计革命，反映出民航设计总院和民航华东设计院的博弈中以华东院胜出而告终。

（2）深层地基处理方案确定的理由：

预压法是深层地基处理常用的经济而有效的方法，根据场区实际情况，提出了“堆载预压”和“真空预压”两个方法并进行比选。真空预压法和堆载预压法都属于预压法，对深层软弱土基处理效果显著，通过在预压期内基本或部分完成工程荷载作用下的预期沉降，从而减少工后沉降的发生，同时提高地基的承载力和稳定性。针对三跑道，真空预压法和堆载预压法相比具有更适用的特点：

三跑道的古河道区域深层地基处理采用真空预压法。

2.2.2 三跑道地基处理施工工艺创新点：

（1）三跑道场地属河口、砂嘴、砂岛地貌，为百年前新淤积而成的滨海平原，地基土质总体上具有高含水量、高压缩性、低强度的工程特征。通过工程地质条件和沉降计算分析认为，三跑道场区主要存在两个工程地质问题：沉降变形问题（主要是在古河道区域与两侧引起的差异沉降变形）和浅层土不均匀及低强度问题。如何有效解决上述问题是本次地基处理工程的一大难题。

（2）针对三跑道存在的主要工程地质问题，提出了全范围采用“高真空降水+山皮石垫层+冲击碾压”浅层加固处理，古河道区域采用“真空预压+山皮石垫层+冲击碾压”深、浅结合处理，以达到减少差异沉降的目的。

（3）无论是真空预压还是冲击碾压，在如此大面积的机场场道地基处理中都是首次采用。虽然冲击碾压在二跑道地基处理时已经作为代替满夯的措施开始使用，但三跑道第一次将其作为单独的地基处理手段本身就是一种大胆的尝试。真空预压与冲击碾压相结合的地基处理方式的成功运用，不仅为三跑道地基处理节约了投资，缩短了工期，同时也为类似工程提供了有益的借鉴。

2.2.3 沉降分析和容许沉降量的计算：

（1）工程荷载：对三跑道天然地基而言，其主要工程荷载包括道面结构荷载和填土荷载。其中，道面结构荷载为20.5KPa，填土荷载为8.6KPa。工程总荷载为29.1KPa。

（2）沉降变形计算式：地基沉降变形计算采用建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的分层总和法。

（3）沉降变形计算结果：在工程荷载（道面结构荷载和填土荷载）作用下，跑道中线处天然地基的沉降为34.7cm（正常区域）和43.5cm（古河道区域）。

2.2.4 三跑道系统地基处理方案的实施：

2.2.4.1 真空预压地基处理：

真空预压技术是一个组合工艺，完成过程也需要其他的地基处理方法配合实现，如深层搅拌桩和塑料排水板的技术，设计技术要求如下：

①排水垫层材料采用砂砾石（上部10cm厚可采用中粗砂，以利于保护真空密封膜），垫层厚度为50cm，砂砾石垫层要求有良好的渗透性，渗透系数不低于10-2cm/s，含泥量不超过3%。

②塑料排水板采用C型，宽度10cm，厚度不小于4.5mm。塑料排水板呈等边三角形平面布置，间距为1.5m。

③塑料排水板入土深度以穿透第④淤泥质粘土层为准，约为20m。

④真空预压的膜下真空度应保持在650mmHg以上。

⑤密封帷幕采用水泥搅拌桩。水泥搅拌桩的渗透系数检测采用原位注水渗透检测，现场成桩7天后取芯进行注水试验，要求桩体的渗透系数小于1×10-6cm/s。

表1

机型 机重t 压实

轮重t 振幅cm 频 率击/秒 行驶速度Km/h 势能KJ 动能KJ冲击力t

LICP3 27 12 22 1.7 12～15 25 200 250

LICP5 24 10 20 2.6 12～15 20 130 200

⑥卸载标准：真空预压累计时间为60天，各真空预压分区完成累计沉降平均值为25cm。

2.2.4.2 真空预压地基处理监测、检测内容：

①、孔隙水压力监测②、地下水位监测③、膜下真空度监测④、地面沉降监测⑤、分层沉降监测⑥、深层位移监测⑦、原位十字板剪切试验。

2.2.4.3 真空预压施工工艺：

（1）真空预压标准化施工是从施工准备、砂砾垫层施工工艺、塑料排水板施工工艺、水泥搅拌桩施工工艺、真空预压工艺共5个施工工艺方面进行明确的规范和统一。

①塑料排水板的施工。

②水泥搅拌桩密封墙的应用：主要是解决砂质粉土地层渗透系数过高的问题，该区域为 2.94～7.71×10-4cm/s，施工过程中如果不采取密封措施将难以达到设计的真空度。因此，在周边采用水泥搅拌桩密封墙，增强密封效果和降低维护真空的成本，降低土体的渗透性。

③真空预压阶段的施工：

真空预压工艺主要施工流程包括场地准备、真空设备及安装、密封薄膜及密封沟、抽真空、成品保护等5个工艺。

（2）真空预压施工的主要成果和达到的指标如下：

经过90天真空预压，试验区平均沉降量为21.8cm，最大沉降量达到27.3cm。

第④层淤泥质粘土的分层沉降量约占总沉降量的60%左右，其十字板不排水抗剪强度提高29.4%，静探比贯入阻力Ps提高18.5%；可见，真空预压工艺达到了有效处理深部软弱土层的目的。endprint

水泥搅拌桩作为第③2砂质粉土的气密性措施，效果明显，能够使膜下真空度长期保持在80KPa以上。

2.2.4.4 高真空降水施工：

（1）高真空降水处理影响质量的关键在于其降水设备和井点管的布置方案，施工中必须严格按照设计的要求和方案组织施工。

（2）高真空降水设备：为带平衡装置的可调高真空系统，系统包含高真空泵、平衡器、射流泵等。

（3）井点管布置：高真空降水井点管按照如下方案布置（井点降水管平面布置图见图1）：

A.井点管的布置为深层4m×8m，入土深度6m；浅层4m×4m，入土深度3m。

B.成井工艺基本要求：孔径≮150mm、井点管直径≮50mm、滤水管长度≮1.2m。

图1 井点降水管平面布置图

表2

大小

项目

比贯入阻力当量值（MPa） 标准贯入当量值（击） 地基反应模量（MPa/m3）

平均值 4.05 9.83 75.95

最大值 7.55 14.0 148.90

最小值 3.10 7.4 60.30

备注 检测点220点 检测点数220点 检测点数185点

2.2.4.5 冲击碾压施工及工艺流程：

（1）原理及流程：冲击碾压是利用三边形或五边形重轮来产生集中冲击能量对土基进行压实。这两种机型工作中振幅不同，频率不同，组合作用时土层产生不同振幅，不同频率的振动响应，不易导致液化倾向。与传统的振动压路机相比，冲击碾压将一般碾压机具的高频率、低振幅振动改为低频率、高振幅振动，压实冲击能量可增加lO倍（以25kJ三边形冲击压实机为例），压实影响深度可达5m，在3～4m深度内压实效果明显，对土基强度的提高有显著作用，而且冲击碾压速度提高1～2倍，工作效率高。

（2）冲击式压实机械参数表（见表1）。

（3）三跑道冲击碾压地基处理后检测综合结果见表2（比贯入阻力频度分布图见图2，标准贯入锤击数频度分布图见图3、道面区地基反应模量频度分布图见图4）：

2.3 计算机应用技术。

（1）工程概况。

某大厦用地面积约6180m2，总建筑面积26695m2。本基坑工程开挖深度为9.6m～10.5m，局部集水井、电梯井落深区开挖11m～12.7m。基坑围护采用SWM工法+二道砼圆环支撑相结合的围护形式。

本工程场地地貌类型属河口、砂嘴、砂岛地貌，原地面标高为3.78m～4.62m之间，场地高差0.84m。

图2 比贯入阻力频度分布图

图3 标准贯入锤击数频度分布图

图4 道面区地基反应模量频度分布图

（2）场地概况。

基地周边地下管线情况为：云鹃路管线排设情况，云鹃路西侧由基地红线向外分别为；上水（200mm）平面距红线1.5米左右，埋深1.0～1.5米左右；信息（15孔）平面距红线2米左右，埋深0.8米左右；污水（600mm）平面距红线5.5米左右，埋深4.5～5.5米左右。云鹃路东侧电力排管（15孔）平面距红线26米左右，埋深2.0米左右；燃气管线（159mm）平面距红线25米左右，埋深1.5米左右最近的上水管线离基地红线距离约为1.5米。沿环湖西二路上东侧管线排设情况，由基地向外分别排设为供排水（要搬迁）；电力排管（15孔）平面距新做围墙1米左右，埋深2.0米左右；污水（600mm）平面距新做围墙2.5米左右，埋深4.5～5.5米左右、信息（15孔）平面距新做围墙5米左右，埋深0.8米左右；最近的电力排管距基地新做围约为1米。

（3）各土层主要特征参数。

A.根据本工程岩土勘察报告显示本地块各土层主要特征参数分别如表3：

表3

层号土层名称厚度（m）重度（γ）固结快剪C（KPa）φ（°）孔隙比（e）渗透系数（20℃）KV（cm/s）Kh（cm/s）

①1 素填土 1.05

①3 冲填土 1.67 17.9 15.0 16.01.053 2.66e-05 4.85e-05

②3 砂质粉土 12.48 18.7 6.0 32.0 0.837 9.06e-04 1.03e-03

④ 淤泥质粘土 4.3 17.0 11.0 11.5 1.364 1.75e-07 2.58e-07

⑤ 灰色粉质粘土 8.92 17.6 16.0 15.0 1.162 1.93e-07 2.78e-07

⑦1 砂质粉土 19.0 7.0 32.0 0.763

B.根据地质资料显示，基坑位于以饱和的粉性土为主的冲填土及砂质粉土中，容易在地下动水条件下产生流砂现象。

（4）设计概况。

根据以上情况，基坑设计需要谨慎，为此建立了考虑周边环境条件的、“基坑支撑一层并开挖一层（开挖第一层之前无支撑）为一工况，内支撑置换一层并拆除一层为一工况”的深基坑多工况模拟模型，开展了基坑变形控制计算机模拟的拓展分析，分析了土体变形模量、内摩擦角和粘聚力对基坑变形的影响，为基坑工程的变形控制提供理论依据和模拟参考。

（5）效果。

我们严格根据以上设计监理的工况进行施工，效果非常明显。基坑的所有变形量均在规范范围。

参考文献

[1] 《土木工程学科前沿 》.

[2] 《土木工程概论》.

[3] 《土木工程施工新工艺》.

[文章编号]1619-2737（2014）12-18-933endprint