关于深基坑支护技术的细部结构优化研究
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作者: 廖丹 石登卡 罗焜
【内容摘要】随着我国城市化步伐的加快，城市建筑规模也在不断扩大，面对土地资源有限的状况，充分的利用地下空间成为了一个城市建筑发展的方向。发展城市地下空间，不仅对于城市现代化基础设施建设、防灾救灾和国防建设有着积极的作用，也是建设可持续发展的现代化城市的重要的战略策略。而这种趋势势必对于建筑过程中深基坑工程带来更多的挑战，对深基坑工程的结构设计方案和支护技术细部结构优化提出了更高的要求。本文就深基坑支护技术的细部结构优化进行分析，从而探索有效可行的方案。
【关键词】深基坑 支护技术 细部结构
面对深基坑建筑工程，基坑支护结构不尽要满足地下结构施工的基坑周边环境的正常使用需求，还要尽可能的节约造价，从而实现工程的经济效益和社会效益。深基坑支护技术的优化包括两方面的内容，一是深基坑支护技术实施方案的优化，二是深基坑支护技术的细部结构优化。后者在工程顺利施工和节省造价上起着至关重要的作用。
一、深基坑支护概念
深基坑支护是指为了保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对深基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护的措施。深基坑的施工建筑有一下要求。
深基坑施工时深度及现场环境工程进度来确定施工方案，制定方案后保总监理工程师审批，应当符合规范及法律要求才能施工。深基坑施工必须解决地下水位，一般采用轻型井点抽水，使地下水位降低到基坑底1.0米以下，必须有专人负责24小时，做好抽水记录。深基坑上下应挖好阶梯或者支撑靠梯，禁止踩踏支撑上下作业，在坑四周应该设置安全栏杆等。 为了更好的实现施工要求和提高安全指数，深基坑支护技术也在随着技术的发展而不断更新。
二、现阶段我国深基坑支护技术优化中存在的问题
随着深基坑支护问题研究的不断深入，现在的深基坑支护技术已经取得了一些优化效果，但是根据目前形势来看，深基坑工程在施工过程中事故频发，而且发生事故后造成的伤亡损失很大，后果相当严重，究其原因，与施工安全预控措施不到位等有着直接关系，也有设计方案出现偏差造成的，因此，现阶段我国深基坑支护技术还存在一些问题。
（一）对于深基坑细部结构优化设计的问题，从其数学描述中可以看出包括设计变量的选取、约束条件的确定和目标函数的建立三方面的内容。而其中，细部设计变量非常多，而且大多数为离散变量，解的空间异常庞大，导致优化设计存在的组合爆炸的问题，为了让优化过程简化，需要寻求一种方法筛选出优化结果，用来影响最大的优化棉量。这就需要通过基本力学进行分析，必然会涉及到不同支护结构和土压力和安全性的分析研究，然后通过设计变量以造价的最优化作为目标，确定最终优化的函数，进行深基坑支护细部结构优化设计数学模型。
（二）对于深基坑的设计中，通常设计者要对设计参数进行反复调整，利用多种方法进行核算，以满足设计的要求。然而利用这种方法得到的设计参数可以说只是一个可行解，而不是所有可行解中的最优解。另外，在特定的支护方案设计过程中参数较多、约束条件较为复杂，这些因素都会对计算结构造成影响，直接关系到深基坑支护结构的经济性效益和安全性。因此，在这个过程中寻找一组最佳的设计参数，既要满足安全问题，有能够达到经济要求，可以说是一个复杂的优化过程。基于以上原因，一种新的算法的诞生――遗传算法，它可以给深基坑支护技术的细部结构优化带来前所未有的新思路，具有强大的功能和生命力。
三、遗传算法在支护细部结构优化中的应用理论
1、遗传算法的基本知识
遗传算法是模拟生物遗传和进化过程中的选择、交叉、变异机理而形成的一种自适应全局优化概率搜索的算法，于20世纪70年代是兴起阶段，20世纪80年代是发展阶段，20世纪90年代是高潮阶段。遗传算法作为一种实用、高效、优化技术发展极为迅速，已经广泛应用与于16个大的领域中，解决了很多难题。
遗传算法的加入为深基坑支护结构优化设计开辟了新的思路，指引了新的方向。通过遗传算法可以同时所搜解空间的多个区域，并且不会受到空间的可微性、连续性的限制，它能够有效的解决基坑支护结构优化设计多面临的多个问题，比如参数多、离散性大和约束条件复杂等。尤其是在基坑支护工程的离散设计变量和非确定性因素的工程设计中起着重要作用。
2、遗传算法的深坑设计计算理论
早在20世纪40年代初期，Terzaghi和Peck等人最早提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这是最早将遗传算法应用于建筑。而这一理论一直沿用至今，后人对其进行了许多改进和修正。50年代Bjerrum和Eide结合实际，给出具体的分析深基坑底板隆起的方法。而在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的准确性，让人们对于遗传算法有了更加深刻的认识。
遗传算法在我国的运用是从70年代开始的，以前的基坑都比较浅，而70年代初北京建成了深20m的地下铁道区间和东站深基坑。到了80年代末相继在北京、天津等地召开全国和地方的深基坑会议，而且出版了文集，当进入90年代后为了总结我国深基坑支护设计与施工经验，开始制定了地方标准和国家行业标准并编制深基坑支护设计与施工的有关法规。这些不得不说为以后的基坑支护结构设计计算理论的发展打下了坚实的基础。
四、总结语
总之，基坑支护工程设计是一项多层次、多参数、维数高而且几者相互之间有很想的关联性复杂的建筑工程。在实际工程的实施中，仅仅根据给定的各种工程地质、经济条件等方面进行定性分析，在一般情况下是很难得出最好的方案，尤其是深基坑支护技术的细部结构优化中，设计人员在设计的时候需要按照一定的优化设计流程、采用定性分析和定量计算相结合的优化设计方法才能够最后确定出较好的设计方案。遗传算法的加入和完善无疑是一个非常好的途径，为深基坑技术的细部结构优化带来革命性的推动作用。
【参考文献】
[1]龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册.中国建筑工业出版社，1998.
[2]孙钧、侯学渊，地下结构，上、下册，科学出版社，1988
[3]袁勇，刘亚芹.单排灌注桩基坑围护结构设计优化.建筑结构，1996，（4）：业出版社；1994.12
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