（岩土工程专业论文）改进遗传算法的基坑支护结构优化设计研究.pdf

摘要深基坑支护结构是一种临时性的工程设施，其作用就是保证基坑开挖期间基坑的稳定和周边建筑物及周边环境设施的安全，支护结构的选择和设计过于保守就会造成不必要的浪费，因此在基坑工程设计中采用优化设计是十分重要的。目前我国深基坑支护结构种类很多，如何根据实际需要选择一种合适的支护结构并合理地确定支护结构的参数仍然是一个难题。本文分析了几种有代表性的支护结构并对其中的部分参数进行了讨论；研究了深基坑支护结构的几种破坏形式；阐述了目前常用的几种优化设计方法，并讨论了遗传算法作为一种新兴优化方法的优越性；对深基坑支护结构建立了数学模型，并最终使用遗传算法对深基坑支护结构进行了优化研究。结果表明，遗传算法在深基坑支护结构中的优化是可行的。约束条件的处理是遗传算法应用到深基坑支护结构优化设计中的难题和重点，本文详细分析了桩撑支护结构的约束条件，采用罚函数法对约束条件进行处理并反映到适应度函数上，使其变为无约束的极小值问题，从而使遗传算法得以顺利实施。本文针对普通遗传算法的早熟和易陷入局部最优解等缺点，对普通遗传算法进行了改进，改进的内容主要为：1 采用最优保留策略的选择机制，有效地保护适应度值高的染色体顺利进入下一代群体中：2 引入自适应策略的思想，染色体根据其适应度值的不同发生交叉和变异的概率不同，这样既保持了群体的多样性，又降低了适应度值高的染色体被破坏的可能性；3 遗传算法的宏观搜索能力大于局部求精能力，因此本文采用与位爬山法，结合的混合遗传算法，在遗传算法进化到一定代数或适应度达到预定闽值时，采用位爬山法继续进行局部寻优，从而增强了遗传算法的局部搜索能力，使求得的最优解更准确。本文使用蛐a lb a s i c 语言对改进的遗传算法进行程序设计，利用建立的基坑支护结构优化设计数学模型，对基坑工程实例进行优化设计，得到了普通遗传算法和改进遗传算法的优化结果。从优化结果可以看出，经过改进的自适应策略混合遗传算法比普通遗传算法优化效果更明显，收敛时间更短。这说明本文采用的改进策略是有效的。关键词：深基坑工程优化设计遗传算法自适应策略爬山法a b s t r a c td e e pe x c a v a t i o ns u p p o n i n gs t m c t u r ei sap m v i s i o n a le s t a b l i s h m e n t n sf u n c t i o ni st op r o t e c tt h es t a b i l i t yo fd e e pe x c a v a t i o na n dt h es a f e t yo ft h es t r u c t u r e sa n de s t a b l i s h i n e n t sa r o u n dt h ed e e p 髓啪a t i o n i tw i l lb ew a s t e f u li ft h cs e l e c t i o na n dd e s i g i lo ft h es u p p o n i n gs t n l c t u ei st o os a f c ，s oo p t i m i z a t i o nd e s i 印i sv e r yi m p o r t a l l tw h e nw ed c s i 印t h es u p p o n i n gs t n l c t u f eo fd c 印e x c a v a t j o n ，c u r r e n uy t h et y p e so fs u p p o n i n gs m l c t u r e sa r es om a n yt h a ti tw i l ls t i l lb ead i f f i c u l tp r o b l e mo fh o wt oc h o i c eaa p p r o p r i a t es u p p o r t i n gs t n l c t u r ea n dg a i t h ea c c u r a t ep a r 锄e t e r s t h j s 盯t i c l ea n a l y z e ss e v e r a lc r o s s - s e c t i o n a ls u p p o n i n gs m l c t u r e s ，a n dd i s c u s s c st h e i rs o m ep a r 锄e t e r s t h i sa r t i c l ei i l v e s t i g a t e ss e v e r a ld e s t m c t i v ef o 皿so fs u p p o n i n gs t r u c t i l r e s ，a 1 1 de x p a t i a t e ss o m ew a y so fo p t i m i z a t i o nd e s i 印w h i c hw eu s ef r e q u e n t bn o w a n ds h a w st h ca d v a n t a g e so fg c n c t i ca l g o r i t t l i t h i sa 蹦d ea l s os e t su pam a t l i e m a t i cm o d e lo fd e e pe x c a v a t j o nr e t a i n i n gs y s t e m ，a l l du s e sg at od e s i 弘as u p p o n i n gs t n l c t u i e t h er e s u l ts h a w st h a tu s i gg at od e s i 印s u p p o n i n gs t n l c t u r ei sd o a b l e h o wt od e a lw i t ht h er e s t r i c t i o n so fd e e pc x c a v a t i o ni sav e r yd i f ：f i c u l tp r o b l e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef e s t t i 舐o n s0 fp j l e s u p p o ns t n i c t u r cd e t a i l e d l y ，u s e sac a s t 逗a t o r yf i l n c t i o nt 0d e a lw i t l it h er e s 伍c t i o n s ，a l l da d d s 也ec a s t 远a l i o nt ol h ef u n c t i o n n o wt h ep r o b l e mh a sc h a n g e dt os o l v eam i n i m a lp r o b l e m ，a i l dg ac 孤b 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ao ft h i sp a p e ri sr i 曲t 1 【e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，g e n e 廿ca l g o r i t l i m ，a d a p t i v ei d e a ，h i l l - c l i m b i l l gi i i武汉理工大学硕士学位论文1 1 引言第一章绪论岩土工程是人类改造世界，发展生存空间，营造现代物质文明方面的一项重要系统工程。随着我国国民经济建设的迅猛发展，岩土工程日益受到各个工程部门的重视与关注，不论何种工程建设，无不都与岩土工程紧密相关，因此岩土工程成为各类工程建设中一个不可缺少的重要组成部分。岩土工程以工程岩土体作为主要研究对象，属于土木工程范畴。岩土工程学是一门综合性的应用技术科学，包括勘察、设计、施工、监测等过程，在工程建设中占有举足轻重的地位，建筑工程、水利工程、道路工程、海港工程、矿山工程、地质工程等等，无不涉及岩土工程问题。由于岩土工程条件受各种自然因素与人为因素的影响与制约而显示高度的复杂性，因此岩土工程直接关系到各类工程建设的合理设计与施工方案、质量保证及工程造价，同时往往成为工程成败赢亏的关键性因索。本文研究的重点为岩土工程领域的基坑工程，基坑工程是岩土工程内容的重要组成部分，是基础和地下工程中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题”1 ，既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又涉及到土与支护结构的共同作用，因此研究深基坑工程具有重要的意义。自8 0 年代以来，我国城市化进入了一个新的发展时期，作为城市化的产物之一，高层建筑不仅在数量上越来越多，而且在高度上越来越高。相应地，基坑丌挖的深度越来越大，如武汉的国贸大厦基坑开挖到地面以下1 6 8 m ；北京市经贸委大楼地下4 层结构的基础埋置深度为地面下3 0 m 。总之，我国高层建筑数量将会越来越多，建筑面积将会越来越大，基坑向大深度、大面积发展已成必然趋势”1 2 国内深基坑工程特点及现状分析在建设可持续发展城市的过程中，城市地下空间的开发与利用有着非常重要的作用，它既是调节城市土地利用结构、扩充城市空间容量的重要手段，也是建武汉理工大学硕士学位论文立现代化城市综合交通体系、防灾救灾综合空间体系的重要途径，同时也是城市基础设施现代化建设的主要方法。进入2 0 世纪9 0 年代以来，岩土深基坑围护问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一，总的来说其具有深、差、密、紧、多等特点，即基坑越挖越深：工程地质条件越来越差；基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政道路及设施；施工工期紧：工程事故多等。对于软土地基深基坑还具有地下水位高，基坑变形的时空效应明显等特点。深基坑工程是一个高难度的岩土工程技术课题，其影响因素较多，与场地条件、地层情况、水文地质条件、施工管理、现场监测及相邻建筑场地的施工相互影响等密切相关，同时深基坑工程又是一个复杂的、与众多学科相关的交叉学科，涉及到土力学、水文地质、工程地质、结构力学、施工技术等知识，它要求研究的问题较多，不但要研究土的强度、变形、稳定性问题，还要研究土与结构的相互作用；同时还研究施工方法及施工过程对岩土体的影响和制约，变形反馈对结构设计的控制等重要问题，因此深基坑的设计与施工具有定的难度”1 。如设计方案或施工方法不当，容易导致事故的发生。这里简单地以施工过程对设计的影响为例来说明深基坑支护设计的不确定性和复杂性。一般来说，除了某些与建筑物基础或地下室结合成整体的支护结构外，基坑支护结构属于临时性工程设旌，从构筑到退出工作，其工作状态是动态的或者说是不断变化的，因此，要正确分析支护结构在不同工况时的受力状态与变形情况是有一定难度的。从力学的观点来看，场地可以看作本构关系比较复杂的多相半无限体，在基坑开挖之前，半无限体处于平衡状态，基坑开挖打破了原来的平衡，从而使基坑周围一定的范围内土体应力场与渗透场失衡。基坑支护的目的，便是通过支护作用，在基坑开挖的情况下，使土体应力场与渗透场重新处于平衡或动态平衡状态。显然，要精确分析这一类问题，是十分困难的，这不仅在于力学模型的复杂，更是由于水土参数具有较大的不确定性与离散性。从这个简单地分析可以看出目前基坑支护系统的计算方法，都具有明显的近似性，这也给基坑支护设计带来了不确定性。不过虽然深基坑支护工程具有这些复杂性，但它在国内还是蓬勃地发展起来了。人们通过大量的实际应用，总结出了很多的经验和教训，并已经编制了深基坑支护设计与施工的多部国家行业标准及地方的相关法规。我国从2 0 世纪8 0 年代初开始逐步进入深基坑设计与施工领域，进入2 0 世纪9 0 年代以后，基坑支护工程在我国开始大范围使用，经过十几年的发展，目前我国深基坑工程具有以下特点“1 ：2武汉理 _ ：大学硕士学位论文1 ) 建筑趋向高层化，基坑开挖深度越来越深；( 2 ) 基坑开挖面积大，长度与宽度有的达数百米，给支撑系统带来较大的难度：( 3 ) 在软弱的土层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施和地下管线产生严重威胁；( 4 ) 基坑施工工期长、场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利；( 5 ) 在相邻场地的施工中，打桩、降水、挖土及基础浇注混凝士等工序会相互制约与影响，增加协调工作的难度；( 6 ) 基坑支护型式具有多样性。迄今为止，支护型式有数十种。以结构受力特点来划分，可将基坑支护类型划分为以下三类：被动受力支护结构：其特点为支护结构依靠自身的结构刚度和强度被动地承受土压力，限制土体的变形，从而保持土体边坡安全稳定。常用的方法多为传统的支护技术，例如，人工挖孔桩、机械钻孔桩、预制硅桩、钢板桩、钢管桩、支撑围护结构及地下连续墙体。主动受力支护结构：其特点为通过不同的途径和方法提高土体的强度，使支护材料与土体形成共同作用体系，从而达到支护的目的。常用的方法有钉支护技术、树根桩技术和软土地区采用的搅拌桩技术等。组合形式：将前两种支护方法同时应用到同一个基坑工程中。这种支护形式已经在许多工程中成功的应用，表现出很大的优势和潜力。由于基坑支护的多样性，因此基坑支护工程的施工途径是非唯一的。基坑支护设计是基坑支护成败的关键，直接制约着基坑工程的安全和经济。正因如此，基坑支护工程己成为当前岩土工程领域十分关注的工程热点，也是提高工程质量、减少工程事故的重点，同时还是技术复杂、综合性很强的难点。基坑支护实施途径的非唯一性主要表现在m ：( 1 ) 支护方案的非唯一。目前我国工程实践中应用的基坑支护形式不下数十种，如果从构成基坑支护方案的各子项的组合来看，支护方案多达1 6 0 多种，采用何种支护方案直接影响着支护工程的成败和投资的效益；( 2 ) 设计理论的非唯一。有关基坑支护工程的设计理论有很多，从设计准则上看，有强度和稳定性设计准则、变形控制设计方法和极限分析理论。从设计方法上看，有常规设计方法、弹性地基梁法和有限元法等。不同的设计理论和设计方法有不同的适用条件，相应地，其设计结果也可能相差悬殊，特别是基坑支护武汉理工大学硕士学位论文工程实践往往超越其设计理论的发展，从而导致设计中一些理论的失败；( 3 ) 支护结构参数的非唯一。再好的设计最终将落实到具体的设计参数取值上。同一支护方案，由于设计参数的选用不同，既可能失败也可能成功，亦或偏于保守造成浪费。由于支护工程实施的非唯一性，在基坑工程设计中必须采用优化设计，优化设计是基坑支护工程发展的必由之路。当前，在实际工程中，深基坑的支护结构设计存在着两种极端的现象：一是由于设计和施工方面的原因而导致深基坑工程事故，造成重大经济损失；二是支护结构的选择和设计极为保守，造成浪费。后者往往更加难以引起人们的注意。因此，深入讨论基坑支护设计方法，对更好地设计基坑支护结构，减少基坑工程事故的发生有着重要的意义。1 3 问题的提出和本文的主要内容1 3 1 问题的提出围绕基坑工程支护结构优化问题，工程技术和研究人员开展了大量的研究工作，提出了许多优化设计方法，如m 0 n t ec a r l o 随机模拟方法，数值计算方法( 如有限元) ，现代工程数学方法( 如模糊数学、灰色理论) ，反分析方法，计算机辅助设计方法( 如专家系统、智能软件包) ，系统工程优化设计方法( 如层次分析法)等。但这些优化方法还停留在较通俗的运筹学上，有着明显的不足之处。“”。美国著名学者j h h 0 1 l a n d 七十年代提出的遗传算法具有许多其它优化方法不可比拟的优点，近几年在国内得到了广泛的重视和研究，它遥过模仿生物学中进化论的观点，基于自然选择和群体遗传机理，模拟了自然选择和遗传过程中发生的繁殖、杂交、变异等现象，是一种通过求解优化问题的适应性搜索方法，能够以很大概率收敛到蠼优解或满意解且具有较好的全局优化求解能力“。遗传进化算法是具有广泛适用性的搜索方法，它结合了生物进化中的适者生存和随机信息交换两种机制，利用染色体来表示一种解或解的一种形式。在遗传进化算法中，染色体通常是一串数据，用来作为优化问题解的代码“”“”“。深基坑支护结构设计中，通常设计者需要对设计参数进行多次调整、反复验算，才能使得计算结果满足设计的要求。这样的设计方法虽然能满足设计的要求但是利用这种方法得到的设计参数往往只是一个可行解，而不是所有可行解中的4武汉理： 大学硕士学位论文最优解”“”1 。对于特定的支护方案，其设计参数很多，约束条件复杂，它们都会影响计算结果的精确性，直接关系着深基坑支护结构的经济与安全问题。因此，如何寻找一组最佳设计参数，既满足安全问题，又达到经济要求，是一个复杂的优化设计问题“。由于深基坑工程设计中涉及的参数和因素很多，所以利用传统的优化方法处理时存在很大的困难。遗传算法为深基坑优化方法上开辟了新思路，实践证明，它具有强大的生命力o “”1 。遗传算法作为一种新型的优化设计方法，有其它优化方法不可比拟的优点，如优化设计变量可以是离散的，算法中不必对函数求导等“”“”；但遗传算法也有其自身的缺点，如普通的选择算子可能会破坏当前群体中的优势染色体从而影响其收敛“；早熟现象和局部搜索能力差等问题会使所求得的最优解实际上可能为局部最优解“”“= 1 等。因此针对遗传算法的缺点在实际应用中需要对其进行改进。本文对遗传算法进行了较深入的研究，考虑了简单遗传算法各种不利的因素，采用最优保留策略的选择机制改进算法的选择算子，采用自适应策略改进算法的交叉和变异算予，并针对遗传算法局部搜索性差的特点，在进化后期引入与位爬山算法结合的混合遗传算法。基于上述改进的思想，本文编制了深基坑优化设计程序，并通过对深基坑工程具体实例的分析，验证了改进算法的正确性。1 3 2 本文主要内容( 1 ) 综述了当前深基坑的现状和存在的问题：( 2 ) 分析了深基坑的几种破坏形式；( 3 ) 介绍了几种具有代表性的基坑支护形式，并分析了其中一些参数在设计中的作用和意义；( 4 ) 详细地阐述了几种常用的优化设计理论；( 5 ) 分析了遗传算法的基本原理和数学基础，并在此基础上建立了深基坑优化设计的数学模型；( 6 ) 研究了遗传算法的实现过程，利用最优保留策略的选择机制和自适应策略的交叉算子与变异算子改进了遗传算法，同时针对遗传算法局部搜索能力差的特点，在进化后期与位爬山算法相结合增强遗传算法的局部寻优能力；( 7 ) 编制了基于遗传算法的深基坑优化设计程序，通过对基坑支护结构实例的优化设计分析，验证了改进算法的正确性。武汉理： 大学硕士学位论文第二章基坑支护体系与优化设计理论2 1 基坑支护体系在基坑开挖中设置支护结构是为了挡土或同时为了防渗，以达到保证基坑坑壁的稳定、便于顺利施工并保护周围已有建筑物和公用设施安全的目的。目前，我国工程实践中应用的基坑支护形式不下数十种，若从基坑支护工程的构成来看，基坑支护工程通常包括围护( 挡土) 结构、支撑体系、控水工程、土方开挖和局部土体补强等子项工程，它们的相互组合则高达1 6 0 多种嘲o “。下面简要介绍几种比较常用的支护结构。2 1 1 围护( 挡土) 结构2 1 1 1 悬臂式支护结构与地下连续墙悬臂式支护结构可以用图2 1 来表示：悬臂式支护结构一一一一一地下连续墙排桩芰挡结构组合式排桩连续排桩稀疏排桩图2 1 悬臂式支护结构分类地下连续墙1 9 5 0 年最早出现在意大利实施的两项工程，即s a n t am a l i a 大坝下深达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。1 i t一斗一+武汉理工大学硕士学位论文地下连续墙具有以下的优点：可作为永久结构的全部或一部分使用：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旋工，对沉降及变位较易控制；地下连续墙的墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基变形较小：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 cm 钢筋保护层又较大，故耐久性好，抗渗性能亦较好；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：造价高，施工技术要求高；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；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；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。对于悬臂式( 无支点) 排桩支护结构，其桩土体系的稳定主要依靠桩的嵌固深度来实现，因此，悬臂式排桩的嵌固深度通常很大。一般计算时将桩下端看作一固定端、运用悬臂梁理论来进行计算。2 1 1 2 单支点、多支点排桩支护结构对于单支点排桩支护结构，常见的实用计算模式可分为自由端法和固定端法。自由端法，也叫简支梁法，把基坑以下的桩段看作一简支端，整个桩绕桩底转动。锚固力作用的点看作是另一支点，整个桩相当于一个简支梁。由横向力的平衡方程和对支点或支护结构底端的力矩平衡，可求出锚固力和桩的嵌固深度。固定端法也叫等值梁法，桩下端相当于固定端，将锚杆处作为辊轴支座，反弯点处作为铰支座。反弯点的位置有不同的取法。一般可近似取土压力为零处作为反弯点的位置，然后对这点列为矩平衡方程求出锚固力和桩的嵌网深度。7武汉理工大学硕士学位论文对于多支点排桩支护结构，其常用的设计方法有静力平衡法和弹性抗力法。静力平衡计算方法主要有：二分之一分割法、简支梁法、整体等值粱法和分段等值梁法等。其优缺点为：静力平衡法计算比较简便、实用；二分之一分割法和简支梁法计算过程简便，但其计算误差相对较大；各种方法计算的桩入土深度相差不大，但最大弯矩和锚固力则有较大的差异。弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进，其优点是考虑了支护桩桩身刚度的影响和桩身变形对被动抗力及锚撑力的影响。即基床系数k 随深度比例增长，比例系数为m 。对于多支点排桩支护结构，这里着重讨论一下其设计参数的作用“1 ：( 1 ) 嵌固深度支护结构的设计过程中，嵌固深度影响着桩身变形和弯矩，如图2 2 所示。嵌固深度的计算既是技术问题，也是经济问题。一方面，它关系到燕个工程的费用，另一方面，又影响到整个工程的安全稳定性。因此，对嵌固深度进行优化，是在经济和安全两方面寻求平衡的问题。当嵌固深度较浅，图2 2 ( a ) ，整个支护结构都向坑内变形，底端可能有微小向坑内位移，嵌固深度段的被动土压力得以全部发挥，此时桩的下部可看作简支，大部分施工单位都采用这种类型，以尽量减少嵌固深度而便于操作。但是，嵌固深度虽然小，但弯矩和变形大，因而使得支护结构的断面也很大。随着嵌固深度增加，如图2 2 ( b ，坑底下的土压力没有全部达到被动土压力，就已能维持桩下部的稳定。此时桩底端仅有转动而无位移，故仍可看作简支，其弯矩还是较大的，断面也偏大。嵌固深度继续增加，如图2 2 ( c ) ，嵌固深度部分的前后都出现了被动土压力，支护结构在土中处于嵌固状态。这样，支护结构就相当于上端简支，下端嵌固的超静定梁，出现正负两个弯矩，正弯矩及变形己大大减小。这种情况下的工作状态是比较理想的。当嵌固深度进一步增加，如图2 2 ( d ) ，则支护结构前后的被动土压力都不能充分发挥，且对减少跨间弯矩并不起明显作用，也就表明嵌固深度过大是不合理的，也是不经济的，一般在设计中不予采用。( 2 ) 支点位置不同的支点位置直接影响到支护桩的嵌固深度、桩身弯矩分配及支点力的大小。支点位置的优化主要是选择支点距桩顶的距离，优选的目标是在保证安全稳武汉理1 ：大学硕士学位论文定的前提下，使支撑体系和支护结构的造价最经济。图2 2 不同桩嵌固深度的土的压力图以桩锚支护为例。一般情况下，锚点位置对桩身最大弯矩、嵌圃深度以及锚杆拉力影响较大。随着锚点离桩顶距离s 的增大，锚杆拉力及桩身最大弯矩点离桩顶距离越来越大，而桩的嵌固深度和最大弯矩则越来越小；锚点位置越往下，锚杆拉力越大，而锚杆拉力越大，这意味着支撑的造价越高，因此在考虑优化时，一方面要使桩身弯矩尽量小，另一方面锚杆拉力也不能过大。锚点位置除影响锚杆的轴力外，还同时影响着锚杆的承载力，因为不同位置处，锚杆所处的地层不同，因而进一步影响锚杆的造价。因此，对于支撑来说，支护轴力的变化不可忽略，应纳入整个系统进行分析。( 3 ) 桩身弯矩、桩径桩身弯矩是进行桩身几何参数设计和桩身配筋计算的主要依据。对于有支撑体系的支护桩，桩身同时存在正负弯矩值，通常可通过调整支点位置来调整桩身弯矩分布，由于正负弯矩极值对于桩来说效果是相同的，故从受力合理、节约材9卜hyq卜b，“u飞卜侈q卜沪丌沁武汉理工大学硕士学位论文料的角度出发，桩身弯矩的正、负极值趋于相等时的支护结构是最优的，因为这样可以大大地减小配筋和混凝土工程量，降低造价。对于桩本身而言，桩径越大，配筋率越小，但混凝土用量越大。桩径越小，虽然混凝土用量小，但配筋率增大。桩径取值不能过小，否则无法进行配筋。( 4 ) 桩身混凝土强度等级在排桩支护结构中，混凝土的费用在总造价中占较大比例，由于不同强度等级的混凝土价格有所差别，因此，选用不同强度等级的混凝土会使整个工程造价出现较大差异。在配筋计算中，桩身混凝土强度等级、桩径、相应于受压区混凝土的圆心角及桩身最大弯矩和剪力等因素之间是相互紧密联系的。在其他条件一定的情况下，桩身混凝土强度等级越低所需的桩径越大，反之亦然。在桩径一定的情况下，随着弯矩的增大，要求混凝土强度等级和相应于受压区混凝土的圆心角相应增大，在剪力一定的情况下，箍筋间距随混凝土强度等级和桩径的增大而增大。2 1 2 土钉支护结构2 1 2 1 土钉支护作用机理士钉支护是近二十年在国外发展起来的一种边坡原位加筋技术，属于主动支护技术方法o ”。由于其经济可靠、施工快速简便，近几年在国内基坑工程中得到迅速推广和应用。土钉支护一般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。土钉支护方法是先以一定倾角成孔，然后将钢筋置入孔内，在孔内注浆形成土钉体，随后在坡面挂钢筋网，并与土钉连接，最后在坡面喷射混凝土。土钉体与周围的土体紧密结合，并依靠接触界面上的粘结力或摩擦力，与周围的土体形成复合土体，通过提高土体的力学强度及土体在变形时土钉提供给土体的抗拔力达到支护目的。由于土钉的结构类似于加筋土挡土墙，因此常称由加固土体、土钉、面层所组成的结构为土钉墙。土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体性。在基坑开挖时，存在使边坡保持直立的临界高度，超过这个深度或者在地面超载以及土体c 、驴值降低或其它外界因素干扰等，都可能导致基坑发生突发性整体破坏。通常，支挡结构是畎自身结构承受其支挡的土体侧压力，防止土体过1 0武汉理一i i 大学硕士学位论文量变形或整体稳定性破坏，而土钉支护则是在土体内设置一定长度和密度的土钉，形成复合土体，从而有效地提高土体的整体刚度，改善原有土体的抗拉、抗剪强度，提高边坡的稳定性和承载力。2 1 2 2 土钉支护的稳定性分析从整体稳定性分析角度出发，土钉支护结构的失稳形式分为体内破坏和体外破坏两种。体外破坏是将整个支护结构看作刚性体而发生的沿基坑底面的水平滑动，或支护结构连同基底一定深度范围内的土体产生整体滑动，或是支护结构发生倾倒的破坏模式；体内破坏表现为破裂面全部或部分穿过了被支护土体的内部。从土钉本身的破坏来讲，支护结构的失稳形式分为土钉的拔出破坏和拉断破坏两种。拔出破坏是由于主滑体在水平滑动力的作用下，土钉水平方向的“锚固力”小于水平滑动力的结果，常表现为上部土钉被拔出。土钉拉断破坏是由于土钉的强度不足而被拉断的破坏形式，这类失稳形式在实际工程中较为少见。土钉支护稳定性分析主要采用极限平衡分析法。2 1 2 3 土钉支护设计变量参数的分析土钉支护的设计参数有很多，主要包括：土钉道数、土钉钢筋等级、土钉钢筋直径、土钉入射角、土钉锚固体直径、土钉水平间距、土钉竖直间距、土钉长度、面层钢筋等级、面层钢筋直径、钢筋网格尺寸、面层混凝土强度等级、混凝土面层厚度等。从总体来说，土钉道数越多，间距越小，长度越大，土钉钢筋直径越大，支护的稳定性就越好，但支护造价也就越高，设计也越不经济。秦四清等”分别对土钉间距、长度、倾角进行了安全系数的敏感性分析，并得到安全系数与土钉间距、长度、倾角的关系( 图2 3 ) 。武汉理工大学硕士学位论文鲻懈枷僦1 3 3蕞1 3 0憾1 己7剞1 2 4栽1 已11 1 e1 1 5l ，l 乏土钉垂直间距s ，丌( a )13糕1 。谣u刊韫。，a 日们a 6土盯惯角a ，度( c )n o l 2l e2 0土盯柬平间距& 田( b )土钉长度l m( d )圈2 3 安全系数与土钉间距、倾角、长度关系图从安全系数土钉垂直间距关系图中可以看出，当钉长、土钉水平间距、倾角一定时，安全系数与垂直距离和水平间距的变化是有规律的。比较安全系数一土钉垂直间距关系图和安全系数土钉水平间距关系图，前者的斜率大于后者的斜率，说明安全系数对土钉垂直间距的敏感性要比土钉水平间距大，即垂赢间距对安全系数的影响作用比水平间距大。这是由于在垂直方向上钉土之间形成较强的土拱作用和土钉的箍束作用，有效地发挥了土体的抗剪强度和土钉的抗拔作用。因此在土钉设计中，适当地减小土钉垂直间距、增加土钉水平间距可有效的减少材料造价，根高支护结构的稳定性。从安全系数土钉长度关系图得知，安全系数随着土钉长度增加而增加，这是由于土钉长度增加使得土钉与周围士体间的粘结长度增长，引起土钉抗拔力的增加，从而增大了支护结构的安全系数。但是，土钉长度的增加会提高支护费用，因此应在满足安全稳定的前提下，寻找最优土钉长度。武汉理工大学硕士学位论文从图中同样可以看出，土钉钢筋直径和土钉孔径增大，土钉的侧向摩阻力和抗拔力相应增加，支护结构安全系数随之提高，但也同时引起土钉造价的提高；增加土钉倾角，会增加地表角变位和支护位移。因此土钉倾角对基坑稳定是个比较重要的因素。从安全系数土钉倾角关系图可看到，安全系数随土钉倾角的增加而增加到最大值，随后安全系数随土钉倾角的增加而减小。这说明其他因素给定时，存在一个最佳倾角，使得土钉墙安全系数最大。2 1 3 内支撑支护结构2 1 3 1 内支撑构件组成与分类内支撑系统是由围囹、支撑杆件以及立柱等组成的结构体系，其作用是和坑底被动区土体共同平衡墙体外的主动区压力。围囹把围护墙体所受的力相对均匀地传递给内支撑杆件的水平向梁，支撑杆件承受着围囹传来的轴力和弯矩，立柱则承受支撑及施工荷载的重量，同时增加支撑杆件的约束。常用的内支撑系统按其材料可分为钢管支撵、型钢支撑、钢筋混凝土支撑、钢和混凝土组合支撑等种类，按受力形式可分为单、多跨压杆式、双向压杆式、水平桁架和水平框架式、环梁支撑以及斜撑等类型。其中钢筋混凝土支撑具有整体刚度好、变形小、安全可靠等优点，其平面布置形式可灵活多变。在实际施工中，可以根据具体情况合理的结合其它支护方式灵活使用，目前这种支护方式已经得到了广泛的使用。内支撑的布置方式有多种，如表2 1 以及图2 4 所示：表2 一l 内支撑布置形式布置形式优点驶点适用情况纵横对撑构成安全稳定土方开挖及主体结构施工困难在对环境要求根高、基坑的井字型整体刚度大拆除比较困难造价高范围较大的时候采用。井字形集中式挖土及主体结构旌工相对比接体刚度及稳定性不如上一种布置较容易形式。挖土及主体结构施工比较方整体稳定性不如井字形布置的基坑的范围较大及坑角角撑结台对撑便支撑太大时也不宜采用。挖土及主体结构施工比较方基坑范围不宜太大。边桁架整体刚度及稳定性较差便经济，受力合理，挖土及主土质软硬差异较大时慎圆形环粱坑周荷载不均匀体结构施工比较方便用不容易控制基坑稳定和变形，适用于开挖面积较大而竖直向斜撑节约立柱和支撑材料与底扳及地下结构外墙连接处结构较难处理深度较小的基坑武汉理工大学硕士学位论文目隔曰而囵h圈h 口h( a ) 纵横对撑的井字形：( b ) 井字集中式；( c ) 角撑结台对撑( d ) 边桁架t ( e ) 圆形环粱；( f ) 竖向斜摔图2 4 内支撑布置形式工程上通常将围护结构支撑体系设计成水平的封闭体系，以提高支护结构的整体刚度，其水平支撑桁架用立柱来支撑，立柱通常用钢筋混凝土柱、h 型钢等。立柱下还需设置支撑桩，支撑桩国内一般单独设计，立柱直接生根在支撑桩上，用来支撑水平支撑。当水平支撑杆件下有工程桩时，也可用工程桩作为支撑桩用。2 1 3 2 内支撑支护设计分析( 1 ) 围图围图是内支撑支护体系中重要的连接受力构件，可增加护墙整体变形刚度，使护墙接头受力薄弱部位的荷载经围图传递和分配到相邻护墙上。护墙上的荷载依靠围图传递给支撑。围图刚度小或刚度不够，部分护墙将变成无支撑悬臂构件。围囹间距需综合考虑板桩或主板强度，挠度以及构筑物的旋工顺序等因素，般取3 o 3 5 m 。最上一道围图位置应注意到土体非支撑下的安全开挖深度的武汉理工大学硕士学位论文高度、相邻建筑物、钢板桩强度等参数，一般取地表以下2 0 2 5 m 。最下一道围图应尽可能落底，但需架设在基础底板( 桩承台) 梁以上，一般设置在离开挖面2 5 3 0 m 。( 2 ) 支撑、角撑支撑水平架设在围囹和立柱上，主要承受围圈传来的作用在桩墙上的水土侧向压力。支撑发生过大的变形，引起开挖面产生较大的水平位移，将导致临近地层发生较大沉陷，因此支撑选用不产生过大变形且具有足够刚度和强度的材料，一般采用型钢和钢筋混凝土支撑。支持间隔一般取5 6 m 。各道支撑在任何方向上都应该和围囹保持同一高度。在纵横支撑的交叉点，应该上下重叠，使其充分传递轴力，同时应该考虑到侧向主动土压力所产生的弯曲力矩，以及考虑自重和其他固定荷载。( 3 ) 立柱基坑开挖面积大深度深，开挖宽度对钢筋混凝土超过1 2 m ，一般应该在基坑内沿支撑方向设置支撑立柱。立柱主要承受支撑传来的竖直荷载。立柱作为轴心压缩构件设计，还需要进行弯曲试验，确保不使压弯失稳。立柱的压曲长度为各道支撑的间距，最下一段立柱弯曲计算长度应以最下一段到开挖底面距离再加上 5 m 。2 2 深基坑破坏形式在深基坑工程中，事故较多，这里有设计的原因，也有施工方面的原因。基坑破坏往往给周围带来严重的不良影响，如影响附近管线的正常使用，坑内工程的倾斜，附近房屋的开裂，特别是由于整体失稳导致结构地下部分不能正常施工。因此，在施工的整个过程中要加强工程的监测，防止基坑的破坏，或通过采取防范措施进行及时抢救以使损失减少到最小。下面讨论几种深基坑的破坏形式m 。2 2 1 稳定性破坏1 整体失稳：包括由于围护桩入土深度太小引起的圆弧式滑动，以及由于墙体截面太小引起的整体移动。2 坑内隆起：开挖后，应力释放会引起坑底隆起，可通过加深墙体入士深度武汉理：r 大学硕士学位论文和加固基坑土来防止。3 管涌和流沙：可通过降低地下水位差、加深墙体深度以增加渗径或改善墙体及地基土的抗渗性能来避免。2 2 2 强度破坏1 支撑系统破坏：包括围护桩墙和支撑杆的破坏。破坏原因有：围护桩墙尺寸太小或跨度太大，支撑杆件截面不够或计算长度太大。2 围护墙体破坏：包括墙体强度不够、截面不够或配筋不当等。2 2 3 变形破坏变形破坏对支护本身只会带来变形，但是基本上不会产生破坏，但对临近构筑物或地下管线会造成不良影响。例如：引起临近建筑的开裂，路面开裂或下陷，煤气，电力电缆或通信设施破坏，管道漏水等。2 3 深基坑优化设计理论2 3 1 优化理论概述结构优化设计是相对于传统的结构设计而言的。传统的结构设计特点是所有参与计算的量都必须以参量出现，设计者根据设计要求和实践经验，再参考类似的工程设计，确定结构方案，然后进行强度、稳定、刚度等各个方面的计算。实际上这里的计算往往只是起一种校核及补充细节的作用，仅仅证实了原方案的可行性，这种设计是“可行的”而未必是“最优的”“。当然，设计者有条件总是还要研究几个可能方案来进行比较，从而对结构布局、材料选择、构件尺寸等进行修改，以便得到更为合理的方案。但是，往往由于时间的限制，计算工作量过大等因素使方案比较这一环节受到很大的限制，有时甚至不可能从结构优化设计的角度来看。当设计者经验不足或遇到新型结构时，这样的设计一般讲只能是“可行”的。结构优化设计是设计者根据设计要求，在全部可能的结构方案中，利用数学的手段，计算出若干个设计方案，按设计者预定的要求，从中选择出一个最好的方案。因而优化设计所得的结果不仅是“可行”的，而且是“最优”的。武汉理】大学硕士学位论文基坑工程具有难度大、投资大、风险大等特点，因此深基坑支护工程的优化设计关系到支护工程的安全和投资大小这两方面的根本问题。因工程的特点决定了在基坑工程实施之前难以用较长的时间论证及进行模拟实验，所以设计方案难以达到最优，从而带来不必要的浪费。因此完善支护工程设计方法进行基坑工程优化设计十分必要。利用优化设计可缩短设计周期，提高设计质量，节约大量的投资。一个较好的深基坑工程设计，既要保证整个支护结构在施工过程中的安全，又要控制结构和周围土体的变形，以保障周围环境的安全。在安全的前提下设计要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工期。深基坑工程的优化设计主要从以下四个方面进行“”：( 1 ) 技术的可靠性、先进性以及施工工艺的可行性( 2 ) 经济效益( 3 ) 环境影响( 4 ) 工期深基坑工程的优化设计按其阶段不同，可分为三级优化：系统优化、设计计算优化和动态反演分析优化( 包括信息化施工) 。系统优化，也即方案优化，是指根据某一深基坑工程所要达到的目标而优选出一个最佳方案