浅谈深基坑支护结构优化设计

浅谈深基坑支护结构优化设计
摘要：为使深基坑支护结构设计满足安全和经济的双重要求，提出深基坑支护结构的最优化设计方法，通过支护结构选型达到方案优化，并制定优化设计的数学模型进行设计计算优化。

计算实例表明，采用本文法的计算结果能更好地满足工程实际的要求。

关键词：深基坑最优化结构选型数学模型
Optimization of Retaining Sructure in Deep Foundation Pit
Wei Sheng-hua1; Song Bo2
(1 No.6 Institute of Project Planning﹠Reseach of Machinery Industry, Zhengzhou 450007, China;
2 Henan Radio﹠Television University , Zhengzhou 450008, China)
Abstract: To make the structural design of deep foundation pit to meet the dual demands of security and economic, Optimization of retaining sructure in deep foundation pit was proposed. Achieve the program optimization by the supporting structure selection, and develop mathematical models for design optimization calculation. The calculated results of engineering sample indicate that this paper is satisfied for engineering calculation.
Keywords: deep excavation; optimization; supporting structure selection; mathematical models.
1前言
随着高层建筑及地下工程的大量兴建，基坑工程越来越多，支护结构也愈加多样化。

基坑工程具有难度大、投资大、风险大等特点，因此深基坑支护结构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。

支护结构优化设计是根据工程地质，基坑深度进行结构选型确定最优的设计方案。

选择设计变量，确定目标函数，列出约束条件，制定优化设计的数学模型进行结构的优化设计计算，寻求支护结构安全与经济的平衡点。

2深基坑支护结构方案优化
2.1要合理选择基坑支护的型式，一方面要深刻了解各种支护型式的特点，包括其合理性、优点和缺点，另一方面要结合地质条件和周边的环境和工程造价进行综合考虑，因此，大的原则应主要考虑三个方面：a、不同基坑支护型式的特点；b、地质条件和周边的环境；c、工程造价。

2.2而对不同基坑支护型式的特点的认识是很重要的，一般支护的型式的适用范围和主要特点可简单概括为：
(1)无支护放坡开挖。

对于三级支护工程，基坑深度较浅，具备放坡条件时可直接采取放坡开挖；若地下水位高于基坑底面时，应在放坡前采取降水措施。

无变形控制要求，造价低。

(2)重力式挡土结构，一般适用于7m以内的软土地基基坑，且周边对位移要求不很高的情况。

(3)土钉支护，土钉墙支护一般适用于开挖深度不大于12m，侧壁安全等级为二、三级的非软土场地基坑。

当地下水位高于坑底时，应采取降排水或截水措施。

土钉支护位移控制缺乏合理的计算理论，因此，对位移有严格要求的场地应慎用，造价较低。

(4)桩墙支护。

它由桩墙结构和支护结构两部分组成，桩墙结构有钢板桩、板桩墙、灌注桩排和地下连续墙，支护结构的类型有内撑式、锚杆支护、地面锚拉式和无锚悬臂式。

其中悬臂式结构在软土层中支护深度不大于5m。

(5)组合型支护。

对于较深的基坑工程，将两种以上的支护型式组合起来使用，既能保证安全又能节约成本，不失为一种优化的结构型式。

如基坑上部放坡，下部桩墙锚杆支护；锚杆与土钉的组合；土钉与注浆作业法相结合；水泥土搅拌桩与灌注桩排相结合；水泥土搅拌桩中打入H钢桩组合支护（即S.M.W工法）等。

图1 组合型支护型式
3深基坑支护结构设计计算优化
结构优化设计中，选择设计变量，确定目标函数，列出约束条件，称为制定优化设计的数学模型。

有了优化设计的数学模型后，还要选择合适的优化方法，进行结构优化设计，从而得到优化后的结构设计。

下面简单叙述其各个步骤：
3.1给定参数与设计变量
(1)基坑设计给定参数：荷载P、弹性模量E及土的容重r等都属给定参数。

(2)设计变量：桩的插入深度、桩径、桩间距、锚杆支撑位置、土钉间距等。

设计变量通常用x1、x2、x3…xn表示，并构成一个向量。

3.2目标函数
在设计中预期达到的目标和评价设计方案优劣的标准，如重量最轻、造价最低等，一般将目标函数表示为V(x)或F(x)。

3.3约束条件
在结构设计中应满足或遵守的条件都属于约束条件。

约束条件对设计方案施加种种限制，如保证结构正常工作的强度、刚度和稳定要求，规范的有关规定及构造上的要求等等。

4工程实例分析
某住宅小区住宅楼深基坑支护，基坑深度13.5m，基坑外侧地面作用均布荷载15kN/m2，基坑重要性系数取1.0。

基坑平面及地质剖面见图2。

图2基坑平面图图3地质剖面图
4.1方案优化
该工程在投标时，有以下几种方案：①搅拌桩+土钉支护；②钢板桩+支撑；
③钻孔桩+支撑，桩间止水。

比较而言，方案①是不安全的，土钉支护要在土层中打入大量土钉，在砂层中难以保证水砂不漏，同时土钉对周边土体扰动大，周边已有建筑难以保证安全，故该方案是不安全的。

方案②支护结构太柔，易变形，而周边旧房基础为天然地基，对支护变形要求严格，同时也难以保证其支护滴水不漏，因此也是不够安全的。

比较而言，方案③应是较合适的方案，排桩刚性大，支撑采用砼支撑刚度大，支护变形小，因此是较合理的方案。

同时因基坑离道路较近，为防止破坏市政管网，亦不宜采用锚杆支护。

另外如采用地下连续墙则施工困难，造价亦不菲。

4.2设计计算优化
该工程采用直径800mm钻孔桩，间距2.0m，初步设计桩顶沿基坑周边采用钢筋混凝土桁架支撑，桩的嵌固深度为10m。

优化设计时选用支撑的位置，x1——支撑距基坑底面的距离，以及桩的嵌固深度x2为设计变量，以支护结构的总造价V(x1,x2)取最小值为目标函数。

以支护结构变形，强度和稳定性满足规范要求为约束条件，运用MATLAB程序编制数学模型进行优化计算。

优化计算结果见表1。

表1工程造价目标优化结果
优化计算x1(m) x2(m) V(x1,x2)（万元）
原结构 13.5 10 183
优化后 11.5 7.8 175
通过设计优化结果可知，该工程造价降低了8万元。

优化设计使支护结构设计更趋于合理，经济。

对于降低工程造价有比较深远的指导意义。

5小结
5.1深基坑支护结构优化设计首先是方案优化，即支护结构的选型，基坑支护型式的合理选择，是基坑支护设计的首要工作，应根据地质条件，周边环境的要求及不同支护型式的特点，造价等综合确定。

在给定的条件下在许多可行的设计方案中选取最优的方案。

5.2深基坑支护结构设计计算优化是在选取最优方案后，满足支护结构安全的前提下，使工程造价最低。

准确地选择设计变量是优化设计的关键，不同的支护结构型式选取的设计变量是不同的。

5.3深基坑支护结构设计计算优化是在借助大型的程序完成的，对编程人员素质要求很高，不同的结构型式所编程序不同，目前优化普及存在一定困难。

参考文献
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。