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建筑深基坑支护优化设计研究及应用

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发布日期: 2014-12-23 发布: www.xzbu.com  

  【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。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,有效实现建筑深基坑支护优化。
中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-6406832.htm
  【关键词】建筑深基坑;支护;优化设计
  改革开放以来,随着城市化的飞速发展,城市土地资源越发紧缺,因此,发展地下空间、高层建筑是一种不可避免的趋势。越来越高的建筑是城市可持续发展的需要,我国城市人口比重不断加大,为了提高土地利用率,高层建筑是一种不可避免的趋势,同时必然需要大规模深基坑工程的开挖和支护,建筑深基坑工程的复杂性逐渐凸显出来。建筑深基坑工程是一项多种复杂因素相互影响的系统性工程,是岩土、结构以及施工技术相互交叉的工程,很多理论还有待发展。由于深基坑工程的复杂性和理论及经验的缺乏性,导致工程事故时有发生。因此加强建筑深基坑支护优化至关重要。
  一、建筑深基坑支护优化设计存在的不足
  目前建筑深基坑支护优化理论和方法在基坑支护方案的优选和优化设计方面取得一定的成果,对理论研究和实践都起到了积极的促进作用,但是作用还是有限的,理论还不够完善,需要进一步的研究。当前的理论和方法有着自己的缺点:
  基坑支护工程是一个系统的工程,但目前的优化设计理论却人为地将支护设计分为两个步骤,支护方案的优化选择和支护方案的优化设计。设计者往往依据以往的经验从几种可能的支护方案中选出一个相对合理的方案,然后对该方案进行参数的细部优化,虽然起到了优化的效果,但是方案选择和方案设计是一个统一的密不可分的整体,人为地强行割裂没有真正的对整个基坑工程系统进行优化。基坑支护中的另一个问题是,影响因素非常多,而且多为离散型的变量,设计的时候很难建立基坑支护参数的最优组合,而且求目标函数解非常复杂,同时设计变量含有一定数量的不确定因素,优化目标和设计变量间很难建立明显的目标函数关系。同时目前的优化方法只能解决一部分问题,并没有形成一套成熟的适用大部分基坑支护设计的优化理论,因此寻求更好的优化方法理论很有必要。
  二、建筑基坑支护优化设计与应用
  (一)深基坑常用支护结构类型
  在建筑深基坑工程实践中,通过人们的不断研究和积累,有很多成熟的支护结构型式,每种结构型式都有自己的特点,在建筑深基坑的设计和开挖过程中,要结合现场的实际情况,根据实际的基坑开挖深度、形状、工程地质条件、水文地质条件、材料、施工方法、经济、环境影响等多方面因素,选择出适当的结构型式。根据工作原理以及材料性质,把支护结构类型分成水泥挡土墙体系、排桩和板墙式体系以及边坡稳定式支护体系三大类。
  (二)影响深基坑支护方案的因素分析
  (1)环境因素:①周围建筑及设施:建筑深基坑大部分处在城市中心区域,周边建筑物以及地下管线密集,往往要求基坑垂直开挖,同时注意基坑开挖时对周围建筑物和地下设施的影响。②工程地质和水文地质条件:基坑工程场地的地层情况,包括地层构造、土层分类、岩土体物理参数等;基坑工程场地的地下水情况,包括地下水位及变化规律,各层土体渗透规律和周围水头补给及变化情况,潜水和承压水的水质、水压、流速、流向等;地下障碍物,包括既有基础及地下构筑物、垃圾、暗流等情况。③施工条件:基坑的施工条件决定其设计方案的是否可行。施工场地的交通、行政、商业情况;支护方案选择时要兼顾到施工中引起的环境问题(振动、噪音、泥浆、粉尘等);施工场地所能提供的材料堆放、构件加工,车辆进出等所需的
  现场情况。
  (2)主体工程因素:建筑深基坑支护设计前要全面熟悉、了解主体工程的相关资料,包括规模、结构形式、施工方式以及使用要求等。
  (3)基坑的形状、深度和宽度等因素。
  (4)基坑支护结构的载荷因素,包括侧向载荷、垂向载荷、地震载荷、地面超载、风载的因素。
  (5)现已应用的各种支护技术的特点和适用范围以及施工队伍常用的施工方法、施工设备及施工技术等情况。
  (6)相关基坑支护设计依据资料:国家和当地有关基坑支护设计和施工的规范、规程;周围相似基坑工程中的经验和教训。
  (三)基坑支护细部优化
  一个成功的的支护型式,不仅要求安全性,还要具有经济性。影响桩锚支护的因素众多,其中两点很关键,一是选择正确的计算模型;二是设计参数的选取。
  (1)计算模型的选择,要根据基坑工程地质条件及水文地质条件而定,如当下部土层较好时,自由端法(简支梁)比固定端法(等值梁法)符合力学理论。目前,基坑支护结构内力计算的传统方法主要有:简支梁法、等值梁法、塑性铰法等。单锚桩支护的计算主要利用简支梁法和等值梁法。这两种方法有各自的优缺点。简支梁法中桩墙在主动土压力、被动土压力和锚固力的共同作用下处于平衡状态,它将整个桩假设成一个简支梁,将基坑底以下的桩假设成简支端,然后整个桩绕简支端(桩底端)转动,将锚固力作用点假设成支点。然后利用横向力平衡方程和对锚固力点(或桩底端)的力矩平衡方程得出锚固力和桩的嵌固深度。通过前人的理论分析和实践,简支梁法符合理论力学,但不符合材料力学,利用该方法设计的桩身截面不合理,造成浪费,而且计算出的锚固力过大,与实际不符。等值梁法将基坑底以下桩假设成固定端,将锚固力处假设成辊轴支座,将反弯点处假设成铰支座,之后列出反弯点处力矩平衡方程解出锚固力和嵌固深度。利用等值梁法求出的锚固力与实际相近,但桩嵌固深度过大,造成浪费,要人为的利用经验减少桩长。
  (2)对支护结构设计参数进行优化,主要包括桩的嵌固深度、桩径、桩间距、桩身弯矩、混凝土强度、锚杆位置及角度等参数。桩径和桩间距的确定直接影响支护结构的稳定性和经济性。基坑变形随着桩径的增大变小,但是达到某一值后影响幅度很小,而且桩径越大,混凝土用量越大,造价越高。基坑变形在一定范围内随着桩间距的变大而变大,桩间距小,桩数量增加,造价高,而且桩间土体的自承作用没有得到足够的发挥;桩间距过大,桩间会失稳从将桩间滑出,因此要合理选择桩间距,使桩间土拱效应充分发挥作用,这样既可以确保基坑的安全稳定性,又可以减少造价。桩嵌固深度的选择方法步骤为:根据规范和经验初步确定嵌固深度值;然后对该值进行稳定性验算、抗隆起验算,如果符合安全系数规定,则确定该值为嵌固深度;如果不符合安全系数规定,加大嵌固深度值,在进行验算分析,直到符合为止,符合安全系数规定的嵌固深度为最终值。
  结束语:
  本文以安全可靠、造价少、工期短、环境影响小、施工便捷的优化目标对建筑深基坑支护结构方案系统优化理论研究和细部参数研究。建筑深基坑支护设计是一个综合性非常强的复杂课题,仅对一小部分进行了分析和研究,其中还有很多不足之处,因此还要加强研究,促进深基坑支护的良好优化。
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