淺議工程設(shè)計的適宜性

趙仁廣 祖峰 杜永華 徐楠楠

工程設(shè)計是運用設(shè)計人員專業(yè)能力和思維能力對工程進(jìn)行科學(xué)設(shè)計的過程。適宜，詞典解釋是“合適，相宜”，表達(dá)的意思是“恰當(dāng)?shù)模m度的，與某事不沖突的，相吻合的”。適宜性，更多是說適宜性某某事物的某種東西，它帶有自己的特征性，工程設(shè)計的適宜性是指設(shè)計、做法、施工對于此環(huán)境來說是適宜的。

本文結(jié)合工程實踐，闡述在滿足功能安全的情況下，因地制宜考慮工程設(shè)計的適宜性，避免冗余設(shè)計，過度設(shè)計，對加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程造價有重要影響。希望對工程設(shè)計人員有所啟發(fā)與幫助。

1工程設(shè)計中忽視適宜性的主要因素

實際工程中忽視工程適宜性的情況。比如，一座單層建筑設(shè)計落水管的必要性（圖1）。低層建筑及檐高小于10米的屋面，可采用無組織排水。而且此建筑物位于沙漠戈壁，地區(qū)年平均降雨量30mm，蒸發(fā)量3000mm，屬于極度干旱地區(qū)。筆者認(rèn)為可以采用無組織排水，取消落水管。同樣，常年無雨的環(huán)境下，某項目垃圾站場區(qū)設(shè)計磚砌護(hù)坡、混凝土排水溝的必要性（圖2）。

工程設(shè)計中忽視適宜性的主要因素有以下幾方面，1.設(shè)計思維固化僵化。設(shè)計者可能存在技術(shù)惰性問題，沒有融合場地和環(huán)境。2.主導(dǎo)思想錯誤。設(shè)計者認(rèn)為規(guī)范不能突破，設(shè)計規(guī)范要求的必須執(zhí)行，沒有邀請專家討論，因地制宜的提出適宜的設(shè)計方案，提出與規(guī)范不一致的合理策略及對策。3.經(jīng)濟(jì)意識淡薄。一些設(shè)計人員沒有經(jīng)濟(jì)觀念，沒有對設(shè)計工作展開環(huán)境適宜性、經(jīng)濟(jì)和可行性的研究。采用常規(guī)的設(shè)計概念，增加成本，出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的不合理性。4.缺乏可行性研究。設(shè)計人員容易在設(shè)計中忽略方案的適宜性，缺乏結(jié)合工程實際情況的可行性研究，不進(jìn)行細(xì)致的前期工作，只是專注于圖紙表面的設(shè)計，導(dǎo)致常規(guī)設(shè)計與實際環(huán)境出現(xiàn)水土不服，出現(xiàn)不適宜性、不可行性的問題。

2工程設(shè)計中的適宜性原則

適宜性原則在工程設(shè)計中應(yīng)予以足夠重視。因此，在施工圖設(shè)計之前，設(shè)計應(yīng)考慮工程與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性，充分調(diào)查和了解工程周圍的地形、環(huán)境特點，有意識的對設(shè)計方案或是現(xiàn)有的情況進(jìn)行適宜性評價，評價這個方案或現(xiàn)狀是不是適宜的，找到適宜環(huán)境的方案，避免出現(xiàn)冗余設(shè)計、不合理設(shè)計。工程設(shè)計應(yīng)在傳統(tǒng)經(jīng)驗和方法的基礎(chǔ)上，接受新方法、新工藝，否則會嚴(yán)重影響到工程建設(shè)的進(jìn)度，增加工程的建設(shè)成本。

3工程實踐

工程案例為某場地規(guī)劃和附屬公路項目，項目所處地域為極度干旱地區(qū)，地質(zhì)為強(qiáng)鹽漬土或過鹽漬土。本工程充分考慮了設(shè)計的適宜性原則，結(jié)合現(xiàn)場勘查進(jìn)行方案比對，選擇適合環(huán)境的設(shè)計方案，節(jié)省投資，加快了施工進(jìn)度。

3.1地形、地貌、地質(zhì)等自然地理概況

（1）自然地理概況

工程地處某戈壁平原內(nèi)，地形平坦，地表無植被，地表土質(zhì)為土黃色呈壟狀或環(huán)狀分布的鹽殼層。路線所處區(qū)域?qū)倌洗箨懶灾袦貛Ц稍鐨夂颍杭径囡L(fēng)沙，夏季炎熱干燥，冬季寒冷，晝夜溫差大，降雨量小，瞬間最大風(fēng)速達(dá)26m/s，風(fēng)向多為西北風(fēng)，年平均溫度13.4℃，極端最高氣溫48℃，極端最低氣溫-22.5℃，年平均蒸發(fā)量3776.5mm，年平均降雨量38.5mm，年平均相對濕度為46.5%，最大凍深度120cm。

（2）地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

地勘顯示地基為第四系鹽湖相沉積物，沿線部分地表0.4-0.6m為含結(jié)晶鹽粒的鹽殼，鹽殼下面為0.2-0.5m的鹽晶體，湖底地表0.1-0.2m為含結(jié)晶鹽粒的鹽殼，鹽殼下面為黑泥，地基土質(zhì)按含鹽量分類為過鹽漬土，按鹽化學(xué)成分分類屬亞氯鹽漬土。

鹽漬土形成成因為礦化地下水形成鹽潰土以及地表礦化徑流形成鹽漬土，即由于強(qiáng)烈的地面蒸發(fā)作用，鹽湖地表水分被蒸發(fā)，所攜帶的鹽份聚集于地表或地下不深的部位。地表土質(zhì)極其堅硬、呈灰白色。

3.2鹽漬土的特性

腐蝕性是鹽漬土的特性之一，尤其在干濕交替的部位。鹽類礦物對材料的腐蝕問題十分普遍，對于在含鹽地層修建的建筑、道路廣場等工程來說，由于含鹽地層地區(qū)的建筑材料所用的砂石、粘土和水中都含有不同程度的鹽類，因此對混凝土和鋼筋都會造成腐蝕。鹽漬土的腐蝕可以分為物理腐蝕、化學(xué)腐蝕以及電化學(xué)腐蝕。以硫酸鹽為例，其物理腐蝕是其溶液滲入混凝土等多孔材料內(nèi)部，在溫度、濕度變化條件下，硫酸鹽結(jié)晶膨脹而導(dǎo)致材料破壞;而化學(xué)腐蝕則是硫酸鹽與水泥制品中的氫氧化鈣反應(yīng)，可使體積增大近兩倍。然后石膏繼續(xù)與水泥中的鋁酸鈣反應(yīng)，生成含31個結(jié)晶水的鋁酸三鈣，體積增加2倍，隨著膨脹壓力的增加，混凝土材料便可能出現(xiàn)裂縫，甚至破壞。

鹽脹性是鹽漬土的又一大特性，與膨脹土不同，鹽漬土的膨脹不是由于粘土礦物吸水膨脹產(chǎn)生的，而是由于土中鹽類因溫度或濕度變化結(jié)晶膨脹造成的，故稱鹽脹。研究表明，很多鹽類在結(jié)晶時都有一定的膨脹性。而其中硫酸鈉在結(jié)晶時，可以吸收10個水分子而體積膨脹最大（達(dá)300%），所以在硫酸鹽含鹽地層區(qū)，當(dāng)溫度和濕度降低時就會發(fā)生鹽脹。另外鹽脹量和壓力有很大關(guān)系。因此，由于鹽脹造成破壞的主要是路面、路基、室內(nèi)外地坪、機(jī)場跑道、球場、擋土墻、廊道等，而對有一定埋深的建筑物危害不大。

3.3路基填筑方案的比較

一種方案是常規(guī)的設(shè)計做法，即去掉巖鹽層，采用換填礫類土的辦法。由于換填量大，礫類土的運距遠(yuǎn)，施工周期長，結(jié)果導(dǎo)致工程造價太高。

另一方案是就地取材，利用巖鹽灑鹵水的設(shè)計做法（圖3）。建設(shè)單位邀請設(shè)計人員現(xiàn)場踏勘，結(jié)合《公路工程施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）中特殊路基處理相關(guān)規(guī)定，其中7.10.1第四條規(guī)定干涸鹽湖地段填筑路堤可采用巖鹽作為填料。經(jīng)過討論研究，初步形成“復(fù)合土工布以下路基采用撒鹵水悶料壓實合格的鹽巖填筑，復(fù)合土工布以上至路面結(jié)構(gòu)層以下填筑礫類土”的方案，并根據(jù)要求現(xiàn)場進(jìn)行鹽巖試驗段填筑驗證。

試驗段施工過程中對巖鹽地基噴灑鹵水悶料碾壓，后出現(xiàn)巖鹽無法板結(jié)、重型車輛行駛輪跡深翻漿及彈簧土現(xiàn)象，無法達(dá)到設(shè)計預(yù)期效果。經(jīng)試驗分析，無法板結(jié)及彈簧土現(xiàn)象產(chǎn)生的原因為悶料所用巖鹽粒徑、易溶鹽含量及鹵水礦化度達(dá)不到要求、鹽殼厚度不足、未成大面積板狀、鹽殼下部土層為飽和土。隨后，調(diào)整施工工藝及參數(shù)，控制填料粒徑和壓實厚度，調(diào)整鹵水及灑布量，試驗結(jié)果達(dá)到了各項路基檢測指標(biāo)要求（圖4）。

3.4場地排水方案的比較

場地規(guī)劃地處鹽漬土地區(qū)，道路及建構(gòu)筑物等路基和地基需要采取防護(hù)措施。方案1是按照常規(guī)設(shè)計思路，設(shè)計場地排水溝，道路與建筑物之間回填礫類土，回填土工程量大，所處環(huán)境極度干旱，設(shè)計排水溝的必要性不強(qiáng)（圖5）。方案2根據(jù)工程設(shè)計適宜性原則，未設(shè)計排水溝，建筑物與道路之間沒有回填礫類土，自然形成下凹洼地，節(jié)省土方量;同時，形成的下凹洼地，它的作用還可以起到短期蓄水功能（戈壁灘的降雨極少，而且蒸發(fā)快）（圖6）。因此，方案2從適宜性角度分析，工程投資、施工進(jìn)度方面等較方案1合理可行。

本項目是工程設(shè)計適宜性的典型案例，路基填筑工程根據(jù)實際環(huán)境，就地取材，采用附近的地表鹽殼和鹵水。利用巖鹽灑鹵水的路基施工工藝，成功替代了遠(yuǎn)運距換填砂礫的方案。

室外場地規(guī)劃設(shè)計省去排水溝和回填土工程量，符合場地環(huán)境的特點。

4小結(jié)

工程設(shè)計應(yīng)理論結(jié)合實際，堅持適宜性原則。技術(shù)設(shè)置要做到切實可行、經(jīng)濟(jì)有效，從地域環(huán)境客觀條件出發(fā)，與建設(shè)地區(qū)的實際相適宜。結(jié)合自然氣候、地形、地貌、地質(zhì)等因素，會使方案設(shè)計合理可行，有效地降低工程建設(shè)使用中的能耗、物耗。所以，“設(shè)計結(jié)合環(huán)境”、“設(shè)計結(jié)合氣候”是工程設(shè)計的一個基本出發(fā)點。

參考文獻(xiàn)

1.鹽巖鹵水路基施工養(yǎng)護(hù)及專項定額研究 作者乃比江_買提克熱木