（岩土工程专业论文）北海地区深基坑工程支护方案优选方法研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 深基坑工程是当前很受人们关注的岩土工程热点话题，其技术复杂、综合性强等特 点使得基坑支护的费用在整个工程中占有很大的比例。随着我国城市土地资源紧缺的状 况越来越明显，地下空问的利用变得越来越重要。这对基坑工程的支护提出了更高更严 格的要求，同时由于基坑工程区域性强、发生坍塌事故后产生的后果比较严重等特点， 使得基坑支护方案必须满足科学合理、安全可靠、方便可行和造价经济等要求。因此， 合理选择基坑支护方案显得尤为重要。 基坑支护方案的最终目的就是达到安全、经济、环保及减少施工工期等多个目标， 因此可以运用多目标决策方案进行支护方案的优化设计。 本文在系统总结现有的各种深基坑支护型式和适用范围的基础上，结合北海地区基 坑支护方案的特点，提出了比较系统的深基坑支护方案优选模式： ( 1 ) 、在搜集基坑水文地质条件、基坑自身条件、以及基坑周边环境条件的基础上，确 定基坑的安全等级、变形控制等级以及支护结构类型。然后以支护型式、监测方案、降 水方案和撑挖方案为内容，通过层次分析法得出各影响因素的权重。再运用模糊综合评 判法对方案进行最终优选，达到基坑支护方案的最终优化。 ( 2 ) 、本文以安全可行性、经济合理性、环境影响、施工工期等主要影响因素作为方案 优选的目标层，再将各个目标进行细化，建立二级准则层。如将安全可行性指标细分为 强度要求、变形要求。稳定性指标细分为整体稳定性、抗渗流管涌稳定性和抗隆起稳定 性。 ( 3 、) 、鉴于层次分析法联合模糊综合评判法的工作量比较大的原因，本文根据模糊数学 理论及最小二乘法构造目标函数，建立了一种适用于评判基坑支护方案的简化模糊优化 模型。 本文结合北海市南洋国际金融大厦基坑工程实例，分别采用层次一模糊综合评判法和 简化的模糊优化模型对该基坑支护方案进行优化，对原支护方案进行了有效的优化，得 出排桩+ 锚杆支护的最优方案，对实际工程起到了很好的指导作用。 关键词：基坑支护：变形控制优化设计：层次分析法；模糊综合评判法；最小二乘法 a b s t r a c t n o w a d a y s ，d e e pf o u n d a t i o np i ti sa h o tp o i n to fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，t h ee x p e n s eo f d e e pf o u n d a t i o np i ta c c o u n t sf o ral a r g es c a l ei nt h ef u l lc o s to ft h ee n g i n e e r i n gf o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xt e c h n o l o g ya n di n t e g r i t yw i t ht h ee v i d e n c eo fl a n ds h o r t a g ei nt h e u r b a na r e ao fo u rc o u n t r y , t h eu t i l i z a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c eb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t ，w h i c hb r i n g sf o r w a r dh i g h e rd e m a n df o rt h ee x c a v a t i o na n ds u p p o r to f f o u n d a t i o n p i t m e a j l 、v h i l e ，b e c a u s et h ef o u n d a t i o np i t i sl o c a t e di nac e r t a i np l a c ea n dh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh ig hc o n s t r u c t i n g c o s ta n ds e r i o u sr e s u l to fc o l l a p s i n ga c c i d e n t ，t h e c o n s t r u c t i o no ff o u n d a t i o np i ts h o u l db eh i g h l ys e c u r e dw i t ht h ed e s i g no fs u p p o r t i n gs y s t e mo f f o u n d a t i o np i tb e i n gr a t i o n a la n dc o s tb e i n ge c o n o m i c a l i nt h i sc a s e ，t h es c h e m e o fs u p p o r t i n g s y s t e mo ff o u n d a t i o np i ts e e m se s p e c i a l l yi m p o r t a n t i ti sv e r yn e c e s s a r ya n dm e a n i n g f u lt ow o r ko u ta l lo b j e c t i v e ，r e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a b l e w a yo fc h o o s i n gt h eb e s ts u p p o r t i n gs y s t e m ，w h i c ha c t u a l l ys h o u l dc o n s i d e ra l lt h eg o a l s j u s t l i k es a f e t y , c o n v e n i e n c e ，e c o n o m ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u p p o r t ss c h e m ef o rd e e pf o u n d a t i o np i ta n dt h es u p p o r t s s c h e m ei nb e i h a ia r e a , as y s t e m a t i cp a t t e mo fc h o o s i n gs u p p o r t i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d ： f i r s t ，b a s e do nc o l l e c t i o no fh y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n , f o u n d a t i o np i t c o n d i t i o na n d s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t t od e t e r m i n et h ef o u n d a t i o np i ts a f e t yg r a d e ，d e f o r m a t i o nc o n t r o l g r a d ea n ds u p p o r t ss c h e m e t h e nm a k i n gs u r et h es t r u c t u r a lp a t t e mo fr e t a i n i n g ，m o n i t o r i n g ， w a t e r 仃e a t m e n ts c h e m ea n dt h er e f e r e n c ev a l u eo fd e f o r m a t i o nl i m i t ，a n du t i l i z i n gt h ew e i g h t o fa l le l e m e n t sb yt h er e s u l to ft h ea n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) s e c o n d ，a n a l y z i n gt h ei n i t i a ls u p p o r t ss c h e m ea n dm a k i n g t h ef i n a ls c h e m eo p t i m i z a t i o n b yf u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n m a k et h ef e a s i b i l i t yo fs a f e t y , r a t i o n a l i t yo ft h ee c o n o m y , e n v i r o n m e n t a li n f l u e n c ea n d c o n s t r u c t i o np e r i o da st h ea n a l y t i c a lt a r g e t , t h e ns e p a r a t ei ti n t oc r i t e r i o nt a r g e t ，f o re x a m p l e ， s e p a r a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo fs a f e t yi n t os t r e n g t ha n dd i s p l a c e m e n t ，s e p a r a t i n gt h es t a b i l i t yi n t o s e e p a g ea n du p l i f t f o rt h er e a s o nt h em u c hq u a n t i t yo fw o r k ，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni sc o n s t r u c t e dw i t h t h e o r yo ff u z z ym a t h e m a t i c sa n dl e a s ts q u a r em e t h o di nt h i sa r t i c l e am a t h e m a t i c sm o d e lo f f u z z yo p t i m i z a t i o no fs u p p o r ts c h e m ef o rd e e pf o u n d a t i o np i ti se s t a b l i s h e d t oo f f e ras c i e n t i f i c a n de f f e c t i v ea p p r o a c ht ot h ep r a c t i c a l i t yo f t h ee n g i n e e r i n g b a s e do nt h eo p t i m i z i n gm e t h o do fs u p p o r t i n gs y s t e mo ff o u n d a t i o np i ta n d i t ss i m p l i f i e d m e t h o d 。t h ea n a l y s i so ft h ef o u n d a t i o ne x c a v a t i o nf o rn a ny a n gi n t e m a t i o n a lf i n a n c em a n s i o n 桂林理工大学硕士学位论文 i nb e i h a ih a sb e e np e r f o r m e d t h er e s u l to ft h es o l d i e r - a n c h o rg u i d e dt h ep r e v i o u sr e a l i s t i c d e s i g n , w h i c hs h o w s t h a tt h i sm e t h o di sr e a s o n a b l e ，e f f e c t i v ea n d p r a c t i c a b l e k e yw o r d s ：s u p p o r t i n gs y s t e mo ff o u n d a t i o np i t ，d e f o r m a t i o nc o n t r o ls c h e m e o p t i m i z a t i o n ，a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，l e a s t s q u a r em e t h o d i i i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在肖明贵教授指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：奎茧墨 签字日期：趋12 ：互：苎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解桂林理工大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权桂林理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：毒- 文昌 签字日期：a j r p 罗年月三日 导师签字： 签字日期：矿7 年易月夕日 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国经济建设的不断发展，城市化的进程也不断加快，建筑物愈来愈呈现出向 高空和地下发展的趋势，各类地下工程越来越多，诸如区间隧道、越江隧道、地铁车站、 地下商场、地下车库、地下仓库、地下民防工程等。国外著名的地下工程有法国巴黎的 中央商场，美国明尼苏达大学土木与采矿工程系的办公大楼和实验室，日本东京八重洲 的地下街等。国内一些大型深基坑工程有：北京京城大厦工程，5 0 层，基坑深度2 3 5 m ； 上海经贸大厦工程，8 8 层，基坑深度1 5 2 0 m ；济南银工大厦工程，3 5 层，基坑深度 2 0 m 。这些工程的共同特点是需要进行大规模的开挖，这就牵涉到大量的深基坑工程问 题。基坑开挖以及基础工程的费用，在整个工程成本中占有很大的比例。因此，以安全、 经济、方便施工和因地制宜为原则选择合理的支护型式是岩土工程界进行深基坑支护设 计的关键所在。 在2 0 世纪4 0 年代，t e r a z g h i 和p e c k 等人就对基坑开挖问题提出了预估挖方稳定 程度和支撑荷载大小的总应力法，这一原理一直沿用至今，并有了许多改进和完善。到 2 0 世纪5 0 年代b j e r u r m 和e i d e 又给出分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代初在奥斯陆 和墨西哥城软粘土深基坑中首次使用仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的 准确性，些学者相继提出了作用在支护结构上的土压力图式。随后，许多西方学者都 进行了深基坑工程的研究n 刮，并从7 0 年代初出现了相应的指导基坑开挖的法规。我国 自上世纪7 0 年代初在北京建成了深2 0 m 的地下铁道区间和东站深基坑后，8 0 年代在一 些大中城市出现的深基坑陆续增加，进入9 0 年代后，为了总结我国深基坑支护的设计和 施工经验，开始着手编制深基坑支护设计与施工相关的法规或规范。 随着中国一东盟自由贸易区的建立，北部湾地区逐渐建成为东南亚重要国际区域经 济合作区。处于战略地位的北海市正在慢慢崛起，各种工业园区相续落户北海市。高层 建筑也雨后春笋般的拔地而起，紧接着深基坑工程应运而生。基坑支护便也成了当地工 程建设的一大亮点。目前北海市基坑工程支护的主要类型为水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩、 劲性水泥土搅拌连续墙( s m w 工法) 、土钉墙、钻孔灌注桩+ 水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩+ 上c t t 。，“回l z 及地下连续墙。由于深基坑工程的复杂性和不确定性等众多因素，其支护方案的 选取或设计的不合理也造成了不少事故。在北海市目前的基坑工程中还缺少比较完善的 支护理论体系和基坑支护方案优化方法，如何通过科学合理的方法对北海市深基坑支护 方案进行优化是一个丞待解决的问题。 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 研究目的及意义 基坑支护类型方案较多，为达到同一目的，可以有多种支护类型方法。每一种方法 都有其独特的优点，有的施工速度快，有的经济效应好，有的占地面积小，有的环境效 益好。选择合理的支护结构类型，既可达到安全可靠、施工顺利、缩短工期的效果，又 可带来可观的经济效益与社会效益。否则一旦基坑支护失败，轻则造成严重的经济损失， 重则导致人员伤亡的重大事故，产生恶劣的社会效应。目前，在实际工程中，存在着两 种极端的现象：一是由于设计和施工方面的原因导致基坑工程事故，造成重大经济损失。 特别是引起基坑周围的建筑物、道路以及水、电、煤气管路等生命线工程的严重破坏。 我国著名深基坑专家唐业清教授曾对全国1 0 3 项基坑事故进行了详细的调查分析，统计 结果表明，因设计不当引发的事故占4 5 ，因施工不当引发的事故占3 3 ，因地下水处理 不当引起的事故占2 2 。由设计与施工不当引发的事故高达7 8 ，因此必须重视基坑支护 的设计与施工。二是支护选型和设计极为保：r ，造成很大的浪费。而且后者往往更加难 以引起人们的注意。对于一项基坑工程来说，根据当地设计和施工经验，存在着多种支 护方案，且各种方案的造价差别比较大。如何使得基坑工程做到安全、经济、可行便成 为目前一个急待解决的课题，不合理的基坑支护设计方案往往会造成严重的事故，比如 北海市某基坑，原支护方案采用钻孑l 灌注桩外加高压旋喷桩进行支护止水，施工完毕后， 在基坑开挖时在东北角局部地段的钻孔灌注桩出现位移、弯曲变形，以至坑顶边缘产生 不同程度的拉裂现象，严重危及基坑侧壁稳定和相邻建筑物的安全。后又采用钢筋混凝 土排桩十锚杆进行支护，效果比较理想。本文在大量搜集北海市深基坑支护相关资料的基 础上，运用层次分析法和模糊综合评判法对本地区基坑支护方案进行优化，达到以下目 的： 第一、通过对支护方案的优化可以做到投资最少，做到经济上合理； 第二、通过对支护方案的优化可以减少工程事故的发生，从而既有经济效益又有社 会效益： 第三、通过对支护方案的优化，保护基坑周围的各种环境，从而带来环境效益。 总之，通过对北海市深基坑工程支护方案的优化，可以对本地基坑工程产生一定的 经济效益，社会效益和环境效益。 1 3 深基坑支护优化方法研究现状 深基坑支护设计技术是近十多年来在我国逐步遇到的技术难题，它几乎涉及到岩土 力学与工程地质的各个方面，如土力学、水文地质学、工程地质学、结构力学以及施工 方法、监理、监测等领域。影响基坑稳定的不确定性因素比较多，这导致了基坑工程事 故发生率高，尤其是东南沿海开放城市，有的城市较大的基坑工程事故竟占基坑总数的 2 桂林理工大学硕士学位论文 1 3 左右口1 。一旦支护失败，后果不堪设想，不仅会延误工期造成经济损失，更重要的是， 还可能对周围建筑及城市生命线工程产生不可低估的不良影响，甚至危及人身安全。我 国的深基坑工程起始于2 0 世纪8 0 年代，尽管发展迅速，但仍然处于探索阶段。实际工 程中有时为了安全性，支护选型和设计极为保守，造成不必要的浪费：有时为了片面追 求经济性，而降低了基坑的稳定性、变形控制和设计安全方面的要求，造成工程事故， 导致了更大的经济损失，深基坑工程优化设计技术就是在此基础上产生的，它是解决经 济合理与安全可靠二者矛盾的有效手段。 优化方法是一种以数学理论为基础来求解各种工程问题优化解的应用技术。目前的 基坑支护设计方案优化基本上分三种：第一种是进行基坑支护类型的优选。主要是采用 定性的评价，根据基坑的周边环境条件、地层条件、地下水埋藏条件、各种支护类型的 特点及适用条件，综合进行支护类型的优选，也有少量用模糊数学的方法进行支护类型 的优选；第二种是支护结构的设计优化，也称细部优化。这种优化最简单的方法是规范 规定的弹性抗力法即m 法，它通过支护系统位移，最大弯矩，剪力等计算，优选出合适 的设计计算方法。此外，还有通过数学模型进行优化设计，其过程是选取设计变量，列 出目标函数，给定约束条件后便可构造出最优化设计的数学模型。该模型通过各种算法， 进行求解；第三种是面向施工过程的信息化施工。 由于传统的优化方法的局限性，越来越不能满足工程的需要，于是出现了一些新的 优化算法，诸如模糊优化理论、人工神经网络、遗传算法、进化规划、模拟退火、禁忌 搜索及其混合优化决策略等方法。近年来许多学者和工程技术人员对这些优化算法在深 基坑支护中的应用进行了研究和探讨。 王东( 1 9 9 7 ) 【8 垮l j 方胜，刘祖德( 2 0 0 1 ) 【9 1 和王永祥，陈进等( 2 0 0 4 ) 采用层次分析方法建 立了深基坑支护系统方案的评价体系，然后运用模糊优化理论达到优化选择支护方案的 目的。 王广月1 ( 2 0 0 4 ) 在分析深基坑支护体系因素的基础上，综合应用信息论、模糊物元 和层次分析理论，建立了深基坑支护决策的信息熵模糊层次分析模型，有效地解决了众 多模糊性和不确定性因素影响的深基坑支护方案的多目标优化决策问题，为合理选择深 基坑支护方案提供了一条新的途径。 徐迎、李朝南等1 1 2 1 ( 2 0 0 0 ) ，张海涛、陈震掣1 3 1 ( 2 0 0 3 ) 针对深基坑支护方案选择因素具 有模糊性的特点，依据模糊数学原理建立了深基坑支护方案优选的综合评价模型，为深 基坑支护方案的选择提供科学的理论依据。 乾增珍( 2 0 0 1 ) 【1 4 】、麻风海，于晓曦等( 2 0 0 2 ) 以及何满潮，乾增珍等( 2 0 0 4 ) 利用人 工神经网络的非线性映射功能，建立深基坑支护方案与多种影响因素之间的关系，形成 了优选深基坑支护方案的神经网络模型。 周瑞忠，邱高翔【i 刀( 2 0 0 1 ) 将人工神经网络应用于基坑的位移反分析问题，以模拟基 桂林理工大学硕士学位论文 坑丌挖的有限元程序为正演工具，以b p 网络为反演工具，通过样本的映射关系将正演 和反演过程有机结合起来。 王建仁，张福林【1 8 ( 2 0 0 1 ) 建立了基坑稳定的人工神经元网络模型，提出了一种新的 基坑稳定预测方法。 华瑞平，刘新宇等【1 明( 2 0 0 1 ) 利用人工神经网络理论对城市深基坑支护结构的变形量 进行分析和预测，建立了预测支护结构最大变形量的网络预测模型。 李健( 2 0 0 3 ) 【2 0 j 将人工神经网络应用在钻孔灌注桩造价预测中。 肖专文，张奇志【2 1 1 ( 1 9 9 8 ) 提出了一种用遗传进化算法确定边坡最危险滑动面及其对 应的最小安全系数的方法。 肖专文，龚晓南等【捌( 1 9 9 9 ) 和贺可强，阳吉宝【2 3 1 ( 2 0 0 1 ) 将遗传算法用于深基坑土钉墙 支护优化设计中。陈昌富【冽( 2 0 0 0 ) 利用模拟自然进化过程的遗传进化算法和求解约束优 化问题的复合形法发展起来的复合遗传算法来求解深基坑土钉墙内部稳定性。 刘学增，朱合华【2 5 】( 2 0 0 2 ) 在充分考虑岩土介质的各向异性和流变特性基础上，建立 了层状地基横观各向同性粘弹性位移反分析模型，利用遗传算法，进行深基坑横观各向 同性粘弹性动态施工反演分析，并利用反演得到的每层岩土介质的弹性模量、粘性系数， 预测相继施工阶段的结构和土体变形、内力，从而为工程的信息化、施工反馈设计提供 了新的技术手段，同时促进了位移反分析的发展。 朱合华，杨林德【2 6 ( 1 9 9 8 ) 提出动态施工反分析的思想，以求仿真模拟深基坑工程实 际情况，进而为相继施工阶段的变形预报提供可靠保证。杨林德，钟才根等口列( 1 9 9 9 ) 通 过将现场信息采集、优化反演参数及围护结构变形和稳定分析有机地进行结合，对基坑 支护位移和安全性监测建立了动态预报技术；陈昌富【2 研( 2 0 0 1 ) 分别基于弹性地基梁有限 元法和连续介质有限元法，建立了深基坑支护结构位移与安全性动态仿生优化反演预报 方法。 陈昌富将具有全局收敛性的信赖域算法引入神经网络的学习算法中，提出了基于信 赖域算法的前向型神经网络模型；引入数值优化方法，改善遗传算法局部搜索能力，提 出了3 种混合遗传算法：改进复合形遗传算法、可行方向遗传算法和信赖域遗传算法： 在基本蚁群算法中引入启发式算子，提出了求解多阶段完全序贯决策问题和多阶段不完 全序贯决策问题的启发式蚁群算法。并将这些方向成功地应用到深基坑工程和边坡工程 中，取得了理想的结果。 吴恒，周东掣冽( 2 0 0 2 ) 将协同演化思想应用于基坑桩锚支护优化设计中，成功开发 了深基坑桩锚支护优化设计系统。 韦立德，徐卫亚【3 刎( 2 0 0 3 ) 采用遗传算法和误差反向传播算法相结合的混合算法来训 练日订馈人工神经网络，先用遗传学习算法进行全局训练，再用b p 算法进行精确训练。 就遗传算法过程中的选择、变异进行了探索，提出了用b p 网络训练产生变异的遗传算 4 桂林理工大学硕士学位论文 法。 朱合华，刘学增l z 5 ( 2 0 0 3 ) 将阻尼最小二乘法与遗传算法耦合起来，发展了阻尼最小 二乘法一遗传混合算法，同时将阻尼最小二乘法一遗传算法和模拟退火遗传算法两类 混合优化方法用于优化反分析，结合工程实例分析表明，这两类混合优化方法与传统优 化方法相比，具有较好的全局收敛性，而且比基本遗传算法具有更高的搜索效率和精度。 综上所述，目前深基坑支护智能优化设计取得了较大的进展，尤其是对遗传算法有 研究和应用，几乎贯穿了整个深基坑工程领域。模糊数学理论、灰色理论、神经网络也 有一定的研究和应用，但非常有限，有待进一步研究探讨。由于生产实践的需要，基本 支护方案优化方法显露了越来越多的不足，由此，科研工作者对基坑支护方案优化方法 进行改进，提出了各种新型有效能优化算法，取得了一系列的成果，对支护方案优化的研 究还处于发展时期，还需要科研工作者和工程技术人员不懈地努力。 1 4 本文工作的主要内容 深基坑支护工程涉及的内容较广，是一项复杂的系统工程，在深基坑支护设计方案 方面，存在大量随机性、模糊性等不确定性因素，本人在前入研究的基础上，运用层次 分析法和模糊综合评判法理论，研究深基坑工程支护方案优化的理论和方法，对北海地 区的各种基坑支护类型加以分析和研究，对北海市南洋国际金融大厦基坑进行支护方案 的优化，从而为北海地区的基坑支护设计提供一套比较客观合理且可操作性强的优化方 案，为当地基坑支护设计起到一个很好的指导作用，进而在实际工程中起到一定的经济 效应。本文主要完成了以下几个方面的工作： 1 、系统总结现有的各种深基坑支护型式和适用范围以及北海地区常用的基坑支护类型。 分析深基坑支护优化选型的基本原则和依据，讨论优化选型的常用方法，提出了适合于 实际工程的层次分析法、模糊综合评判法； 2 、给出比较科学的深基坑支护方案优化模式：先根据基坑水文地质条件、基坑自身条件、 以及基坑周边环境条件，初步确定基坑的安全等级、变形控制等级以及支护结构类型。 以支护型式、监测方案、降水方案和撑挖方案为内容，再通过层次分析法得出各影响因 素的权重，最后运用模糊综合评判法对方案进行最终优选； 3 、根据模糊数学理论及最小二乘法构造目标函数，进而建立一种适用于评判基坑支护方 案的简化模糊优化模型； 4 、结合北海市南洋国际金融大厦基坑工程，采用模糊综合评判法和简化的模糊优化模型 分别对支护方案进行优化设计，达到科学、合理和经济的效果。 5 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章深基坑支护优化选型 目前，在实际工程中，深基坑工程支护方案中存在大量的不合理性和不经济性，解 决这两种现象的有效手段就是对深基坑工程进行优化设计。包括结构截面、支撑或锚杆 尺寸、入土深度、护坡桩和土钉墙的配筋等设计。同一基坑，采用不同的支护型式，有 时其工程造价差距是巨大的。例如深圳罗湖车站基坑工程，通过对支护型式的优化，在 强风化岩层中，把桩越苗杆的支护型式优化为土钉墙支护，节省了一千多万元。按其阶 段的不同，可将支护形式优化分为三级优化：系统优化、设计计算优化和反演分析优化 p 。系统优化，即方案优化。指根据工程所要达到的目标而优选出一个最佳或相对最佳 方案。深基坑的几何尺寸、水文地质和周围环境存在很大的差异，不同的深基坑工程需 要采用不同的支护方案，即使是同一基坑工程也可以采用不同的支护方案，而每一种支 护方案都有其特点。有的造价低，有的安全度高，有的施工工期短，有的环境污染小等 等。因此在投标或施工设计前，应该根据工程实际情况拟定几个备选方案，从中选择一 个最佳或相对较佳的方案作为施工设计的基础。通过对深基坑工程支护方案进行优化设 计，以确保深基坑工程做到安全可靠、施工顺利、缩短周期、保护环境，并带来可观的 经济效益与社会效益。 2 2 常见支护结构类型及其适用范围 2 2 1 放坡开挖 放坡开挖所需要的工程费用低，施工工期短，可以为结构施工提供较为宽敞的作业 空间，是设计时应首先考虑的支护型式。该方法适用于地下水位深、基坑土质条件较好 的三级基坑，丌挖深度不大( 通常不大于l o m ，当丌挖深度超过4 - - - , 5 m 时，宜采用分级 放坡) 。缺点是需要的工作空间较大，雨季容易发生事故，且回填土方量大( 如图2 1 所 示) 。 ， 伍 了_ r _ r _ 一 ， 、 、- 图2 1 放坡开挖示意图 6 桂林理工大学硕士学位论文 2 2 2 悬臂式支护 未加任何内支撑或锚杆、仅靠插入基坑底下一定深度的，以取得嵌固和稳定的支护 型式通常称之为：悬臂式支护。广义地说，一切没有支撑和锚固的支护结构均可归属于悬 臂式支护。 悬臂式支护的优点是：结构简单、施工方便，有利于基坑采用大型机械开挖：缺点 是：相同开挖深度位移较大、内力大，支护结构需要更大截面和插入深度来满足刚度和 稳定性要求。 悬臂式支护适用于土质较好、开挖深度较浅( 8 m ) 且周边环境对基坑位移要求不严 格的基坑工程。基底以下的土质情况要好，有较大的c 、矽值，特别是深基坑底部不是较 弱土层，因为这两处产生的反力较大，是杆件平衡的关键部位。若为软土层，可考虑采 用人工加固的方法，以提高被动区的被动土压力。 2 。2 3 水泥土墙支护 水泥土墙支护是利用水泥材料作为固化剂，通过特殊的拌合机械( 如深层搅拌机或高 压旋喷机等) 在地基中就地将原状土和固化剂( 粉体或浆体) 强制拌合，经过土和固化剂或 掺和料产生一系列化学反应，形成具有一定强度、整体性和水稳性的加固柱体。施工 时将加固土柱体相互搭接，连续成桩，形成具有一定强度和整体结构性的水泥土壁墙或 格栅墙，用以维持基坑边坡土体的稳定，保证地下室或地下工程的施工及周边环境的安 全。 水泥土墙支护的优点是：最大限度地利用了原来的地基土；施工方便且对周围 环境影响小；根据支护结构的需要，可以灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等结 构形式；与钢筋混凝土桩相比，可节省钢材并降低造价；不需要内支撑，便于地下 室的施工；可同时起到止水和挡墙的双重作用。 水泥土桩除适用于淤泥、淤泥质土和含水量高的粘土、粉质粘土外，对砂土及砂质 粘土等硬质的土质的适应性也逐渐被挖掘出来，但对泥炭土及有机质土应慎用。 2 2 4 拉锚式支护 拉锚式支护是由挡土结构与外拉系统组成。其挡土结构与悬臂式或内撑式支护的挡 土结构相同。通过拉锚把受拉杆件的一端( 锚固段) 固定在开挖基坑的稳定地层中，另一 段与工程构筑物相联结( 车- i j 板桩、挖孔桩、灌注桩以及地下连续墙等) ，用以承受由于土 压力、水压力等施加于构筑物的推力，从而利用地层的锚固力以维持构筑物( 或土层) 的 稳定。拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体部分组成。支护结构体系同于内撑式支 护结构，常采用钢筋混凝土排桩和地下连续墙两种。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚 式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式支护结构 7 桂林理工大学硕士学位论文 和双层锚杆式支护结构示意图分别如图2 2 ( a ) 、( b ) 所示。 i 丁一二二i 二j - - - v v t , - - | ( a )( b ) 图2 2 拉锚式支护结构示意图 地面拉锚式支护结构需要有足够的场地设置锚桩或其它锚固物。锚杆式支护结构则 需要地基上能提供较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基或粘土地基。由于软粘土地 基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。 用拉杆锚固支护基坑的开挖或用作抗拔桩抵抗水的浮托力等的应用己r 益普遍。拉 锚最大的优点是在基坑内部施工时，丌挖土方与支撑互不干扰，尤其是在不规则的复杂 施工场所，以锚杆代替挡土横撑，便于施工，这是人们乐于使用的主要原因。随着对锚 固法的不断改进和使用了可靠性的检测手段，使拉锚支护的使用范围更加广泛。 2 2 5 内支撑支护 内撑式支护由围护体系和内撑体系两部分组成，内撑体系可有效改善竖向围护构件 的受力状态，并能有效地控制边坡位移。围护结构体系常采用钢筋混凝土排桩和地下连 续墙型式，内支撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管( 或型钢) 支撑。支撑体系按照不同的开 挖方式和布置形式又可分为单层、多层支撑和角撑、斜撑等等，如图2 3 所示。 内撑式支护的优点是：施工质量较易保证，成品的质量稳定性较高，能有效控制基 坑边坡位移，是一种安全可靠的深基坑支护型式；受力形式合理，能充分发挥材料在性 质上的优点，达到经济的目的。其缺点和局限性是：形成内支撑并使其达到一定强度， 需占用一定的工期，基坑工程工期较长；内支撑的存在对大规模机械化开挖不利；内支撑 还影响地下结构的施工，需逐步拆除。 从地质条件上看，内撑式支护可适用于各种地质条件下的基坑工程，而最能发挥其 优越性的是软弱地基中的基坑工程；从丌挖深度上看，这种支护不受基坑深度的限制； 从基坑平面尺寸来看，这种支护适用于平面尺寸不太大的基坑，平面尺寸过大的基坑必 然导致内支撑的长度与断面太大而不经济。 桂林理工大学硕士学位论文 卜一。7 一 ( a ) 单层支撑 2 ，2 6 土钉墙支护 ( b ) 多层支撑( c ) 斜撑 图2 3 内支撑支护类型 土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆( 如图2 4 所示) 。当放坡 不满足稳定，或场地不够时，可采用土钉支护，适用于侧壁安全等级为二、三级的基坑： 当要控制位移时，也可以加预应力锚杆，或加超前支护，也可以用搅拌桩等止水。土钉 支护是近年发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于经济可靠，坡 度适应性大，应用较广( 除深厚软土层外，大部分土层都可用) ，且施工快速简便，己在 大量工程中得到应用。主要应用于有一定粘性的砂土、粘性土、粉土、黄土及杂填土， 当场地同时存在砂、粘土和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。不足之处 是土钉在基坑外，一般会侵占红线外的地下空间，对以后的地下空间开发应用会造成一 定的影响。规范一般建议应用于深度不超过1 2 m 的基坑，当地下水位高于基坑底面时， 宜采用降水或截水措施，使用期限不超过l8 个月。当基坑深度超过1 2 m 时，位移控制 的难度及要求都较高。 图2 4 土钉支护简图 2 2 7 地下连续墙 、 地下连续墙1 9 5 0 年最早出现在意大利实施的两项工程，既s a n t am a l i a 大坝下深达 9 桂林理工大学硕士学位论文 4 0 m 的防渗墙以及v e n a f r o 附近的贮水池及引水工程中深达3 5 m 的防渗墙。自此以后， 地下连续墙的建造技术在世界各地获得了广泛的推广。我国1 9 5 8 年出现了排桩式地下连 续墙，而壁板式地下连续墙1 9 7 6 年才出现。近年来，地下连续墙技术无论在工程实践中， 还是在理论研究上都获得了很大发展。地下连续墙具有以下的优点： l 、可作为永久结构的全部或一部分使用。 2 、地下连续墙的墙体钢度大、止水好、整体性好，因而其结构和地基变形都较小。 3 、可减少工程施工时对环境的影响。施工时振动少、噪声低；能够紧邻相近的建筑及地 下管线施工，对沉降及变位较易控制。 4 、地下连续墙为整体连续结构，加上现浇墙壁厚度一般不少于6 0 c m ，钢筋保护层又较 大，故耐久性好，抗渗性能亦较好。 5 、有利于施工安全，并加快施工进度，降低造价。 地下连续墙的缺点： 1 、造价比较高，施工技术要求亦高。 2 、弃土及废泥浆的处理问题。除增加工程费用外，如处理不当，还会造成新的环境污染。 3 、地质条件和施工的适应性问题。从理论上讲，地下连续墙可适用于各种地层，但最适 应的还是软塑、可塑的粘性土层。当地层条件复杂时，还会增加施工难度和影响工程造 价。 4 、槽壁崩塌问题。引起槽壁崩塌的原因，可能是地下水位急剧上升，护壁泥浆液面急剧 下降，有软弱疏松或砂性夹层，以及泥浆的性质不当或者己经变质，此外还有施工管理 等方面的因素。槽壁崩塌轻则引起墙体混凝土超方和结构尺寸超出允许的界限，重则引 起相邻地面沉降、崩塌，危及邻近建筑和地下管线的安全。 ( 一j ( (i r l f l | i l ( a ) 拱型支护结构平面( b ) 门型支护结构剖面 图2 5 拱型结构和门型结构示意图 其他形式的支护结构( 如拱型、门型支护结构等等) 。拱型支护矛nr - i 型支护可看作桩 支护的变异和创新，它们都能够更有效的利用土体与支护结构之间的相互作用，如上图 2 5 所示。 各种支护方案都有它们的适用范围和优缺点，比如：拉锚式支护虽然可改善支护结 构的内力分布形式，但具有一定技术难度和施工范围限制；内支撑式支护不需要基坑以 1 0 ri。 ； ”=_=一h一卜：j一：u 桂林理工大学硕士学位论文 外的空| 白j ，但却会防碍基坑内的土方施工；土钉墙支护虽然造价比桩支护低，但工艺相 对复杂而且很难应用于软土地区等等。 2 2 8 深基坑支护其他形式 l 、门架式支护 双排桩门架式支护是一种新型的支护型式，它是由两排平行的钢筋混凝土桩以及在 桩顶的压顶梁和联系梁形成的空间门架式支护结构体系。门架式支护具有较大的侧向刚 度，可以有效地限制支护结构的侧向变形。这种支护型式常用于开挖深度超过一般悬臂 式支护的合理支护深度，而开挖深度又不是很大的情况。 2 、组合式支护 组合式支护大致可分为以下两类型式：一类是由不同材料构成的组合结构。如深层 搅拌水泥土桩与钢筋混凝土钻孔灌注桩相结合，深层搅拌水泥土桩与型钢相结合( s m w 法) ，人工挖孔灌注桩与砖砌体相结合等：另一类是用同种材料或同种施工工艺构成几何 形状各异的组合式支护结构，如空间组合围护桩，异型地下连续墙，组合拱支护结构等。 组合式支护可以用有限数量的材料来获得最大的截面模量和惯性矩，从而大大提高 结构的强度和刚度，增加支护结构的稳定性，因而组合式支护大多可做成悬臂式，使基 坑内有最大的施工操作空间。 组合式支护适用于下列条件：基坑平面尺寸大，开挖深度深的基坑；环境要求 较严格，用常规的单排桩或重力式挡墙不能满足强度和变形控制要求；加内支撑或锚 杆难以实施或周围环境不允许；施工工期有明确的限制，坑内不允许有障碍；常规 支护结构方案经济效益欠佳时。 3 、沉井支护 沉井是用钢筋混凝土等材料制成的带有刃脚的箱形或筒形结构物，施工时就地逐节 浇筑井身，同时在井内连续挖土，依靠自重克服井侧摩阻力不断下沉，直至预定位置。 沉井支护结构可起到挡土、挡水、防渗和承力的作用，具有占地面积小，整体刚度 大，可在地面上施工等优点。 沉井支护适用于下列条件：地层比较均匀平整，无影响沉井下沉的大块石、漂石 及障碍物；土层的透水性较小；沉井施工对周围的环境影响在容许程度内；基坑 面积不宜太大，且形状规则；要有完整、准确的工程地质及水文地质勘察资料。 4 、逆作法施工 深基坑支护逆作法施工具有以下优点：施工工期短；基坑变形小，相邻建筑物 沉降少：可以节省大量工程费用；可最大限度利用城市规划红线内地下空问，扩大 地下室建筑面积：有利于结构抵抗水平风力和地震作用。 桂林理工大学硕士学位论文 2 3 北海地区地质情况及基坑支护类型 2 3 1 北海地区地质情况 在基坑支护工程中，开挖土层参数的选取对支护类型的选用起着重要的作用，任何 一种支护类型的可行性和可靠性都是以正确的参数选用为基础的，如选用参数不符合具 体工程问题实际情况，理论上再完善的支护方案也不能达到预期的效果，其最终后果不 是造成严重的事故，就是造成极大的浪费。 北海地区埋深3 0 m 范围内土层主要为第四系中更新统北海组( q 6 ) 、下一中全新统 北海组( 蜴胂) 及下更新统湛江组( q l z ) 地层。自上而下各层土分述之： ( 1 ) 人工填土层( q 州) ：- 般厚度为0 5 0 2 o o m ，最大厚度4 5 0 m 。包括素填土、 耕土。该层分布不连续，沿银海区南侧、铁山港区东侧方向逐渐消失。 素填土( q 4 州) ：杂色，松散稍密实状态，主要为粘性土混砂性土组成。 耕土( ( ) ：黑色，松散状态。主要由粘性土混砂性土组成，含丰富黑色有