（地质工程专业论文）深基坑支护结构优化设计方法研究.pdf

摘要 深基坑工程是当前很受人关注的岩土工程热点，也是技术复杂、综合性很强 的难点。深基坑工程的费用在整个工程成本中占有很大的比例，因此，如何选择 合适的支护型式以及合理的设计参数是深基坑工程的关键。 本文通过对深基坑支护结构选型与结构优化设计现状的分析研究，提出了和 现在常用的优化设计方法不同的优化设计的途径：方案初选( 得到可能方案集) 一方案细选，即对可能方案进行优化筛选( 得到最优方案) 一对最优方案进 行细部优化设计。对可能方案进行优化筛选使用了多级模糊综合评判和多目标模 糊决策等模糊数学方法，并对这两种方法进行了简要的论述。为检验其可行性， 对武汉某一深基坑工程进行了方案优选操作，取得了良好的效果。细部优化设计 采用了新型的寻优方法一遗传算法，并以遗传算法在土钉墙优化设计中的应用进 行说明，列举了相应的实例，证明了对基坑工程进行优化设计是完全有必要的， 优化设计能很好地降低基坑工程的造价。 关键词：优化设计多级模糊综合评判多目标模糊决策遗传算法 a b s t r a c t n o w d a y sd e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi sah o tp o i n to fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g ， w h i c hi sp a y e da t t e n t i o nt ob yt h ep e o p l e a n di t i s a d i f f i c u l tp o i n t o fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g t h ee x p e n s eo fd e e p e x c a v a t i o na c c o u n tf o ra1 a r g es c a l ei nt h ef u llc o s to ft h ee n g i n e e r i n g t h e r e f o r e i h o wt oc h o 。s et h er i g h tb r a c i n gt y p ea n dr a t i o n a ld e s i g n p a r a m e t e r si st h ek e yo fd e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rb a s eo nt h er e s e a r c ho ft h ea c t u a l i t yo ft y p e c h o o s i n go nd e e pe x c a v a t i o nb r a c i n gs t r u c t u r ea n db r a c i n gs t r u c t u r e 。p t i m a ld e s i g n ，p r o p o s i n gar o a do fo p t i m i z a t i o nd e s i g nt o w a r dd e o p e x c a v a t i o nb r a c i n gs t r u c t u r e ：q ) p r i m a r ys c h e m ec h o o s e ( o b t a i np o s s i b l e s c h e m ev o l u m e ) + o p t i m i z a t i 。nc h o o s eo np o s s i b l es c h e m e ( g e tt h eb e s t s c h e m e ) o p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h eb e s ts c h e m e m u t i c i a s sf u z z y c o m p r e h e n s i v ej u d g e m e n ta n dm u l t i o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o ni i l a k i n ga r e a p p l i e dt oo p t i m i z a t i o nc h o o s eo np o s s i b l es c h e m e a n dt h a t 加a t h e m a t i c a l m e t h o d si si n t r o d u c e di nd e t a i l i no r d e rt oe x 硼i n et h ef e a s i b i l i t vo f t w om e t h o d s ，t y p ec h o o s eo nad e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi nw u h a ni s o p e r a t e d s a t i s f y i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d an e wm e t h o d _ g e n e t i ca l g o r i t h m i sa p p l i e dt oo p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h eb e s ts c h e m e a n de x p l a i n e db yg a a p p l i e dt ot h es o i ln a i l i n go p t i m i z a t i o nd e s i g n r e l e v a n te x a m p l ei sg i v e n i tp r o v e dt h a ti ti sn e c e s s a r yt od oo p t i m i z a t i o nd e s i g no nd e e pe x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g 0 p t i m i z a t i o nd e s i g nc a ng r e a t l yr e d u c et h ec o s to ft h e e x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o nd e s i g nm u l t i c l a s sf u z z yc o m p r e h e n s i v e j u d g e m e n t m u l t i o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o nm a k i n g g e n e t i ca l g o r it h m 1 ， 裁言 1 绪论 随着我国城市高层建筑的大量兴建，建筑愈来愈呈现出向高空和地下发展的 趋势，嚣谣建筑物地下室的艨数愈来愈多，深基坑开挖越来越深，两开挖所需投入 的费用也越来越大。这就给工程界提出了新的问题和挑战，即如何总结原有的工 程经验，发展新的理论依据和探索新的施工工艺，以满足不断提出问题的解决。 基坑开攘及基瓣工程的费用，在整个工髭戍本中占存缀大豹比饿，因此合理的选 择支护型式，采用相应的施工工艺，协调好安全、经济、可行三者之间的关系， 是岩土工程界进行深纂坑支护设计的关键。 1 2 深基坑支护工程的现状与特点 深基坑支护工程设计技术是近十多年来在我国逐步涉及的技术难题，它是一 个综合性的岩土工程问题，既包含了土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又 涉及到与支护结构的共嗣作用。无论在国表还是在匿外，它都是戆着土力学理 论、分析技术、测试仪器以及施工机械、施工技术的进步而逐步完善的。 建筑物基坑支护设计与施工技术是门在实践中发展的技术，8 0 年代以前国 内很少窍高层建筑，一般建筑基坑大部分可放坡开挖或少量钢板拄支护，基坑开 挖深度一般在5 m 以内。因此，基坑侧壁放坡或支护设计一般为上部结构施工单 位施工组织设计的一部分内容。8 0 年代以后，随着建筑密度、建筑高度的增加， j c 重基坑支护技术提出了更高豹要求，由于缺乏对基坑支护技术的认识丽酿成了一 些事故，从而引起了政府主管部门及科研、设计单位的震视，尤其是9 0 年代以后， 慕坑支护工程设计得到了充分重视。 目前，我因深基坑开挖和支护状况1 川4 1 具有以下特点： l 、基坑深度越来越大或为了使鼷方便，或因为羹蔓瘦珍贵，或为了符合监 管规定及人防需要，建筑投资者不得不向地下和空间发展。过去，即使在大城市 建1 2 层地下室，也不普遍，中等城市更为少见。现在在大城市、沿海城市，尤 其是特区，地下3 4 层已很寻常，5 6 层也有。因此，基坑深度多大于1 0 m 。 2 、工程地质条件较差城市建设不象水电站、核电站等重要设施那样，可 以在广阔地域中选择优越的建设场地，只能根据城市规划需要，随遇而安，因此 地质条件往往较差。这一点在某些沿海经济开发区较为突出。有些开发区位于填 海、填湖、淤河、泥塘或沼泽地，工程地质条件十分复杂。 3 、基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设施在基坑开挖 时，不仅要保证自身安全。还要注意周围的建筑物的安全。 4 、基坑支护方法多诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、 钢支撑、木支撑、沙袋堆撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，各种桩、板、 墙、管、撑同锚杆联合支护法，以及土钉墙法等等。 5 、基坑工程事故多此问题目前在建筑工程界显得异常突出，以至于很难 举出哪个地区、哪个大城市或特区己建基坑工程近年来不出毛病的例子。 1 3 课题的提出 在基坑开挖的研究与实践中基坑支护理论的设计计算方法包括土压力的计 算、支撑轴力的计算、挡土结构强度的计算等发展己日趋完善，其中支护体系采 用可靠性分析按极限状态设计已成为发展的总趋势。而与此对应的施工方法却不 及理论发展迅速，如支护结构的选型、支护结构的设计计算、围护结构的构造处 理都可以深化和改进。以实现最优的支护效果。 深基坑支护结构一般是临时支护，如果一味追求安全，就会造成不必要的浪 费。因此，对深基坑开挖时，就需寻求一种安全、经济、可行的支护方案，减少 费用，达到较高的经济效益。例如一个采用土钉墙或悬臂桩支护都可行的支护方 案，显然采用土钉墙支护方案比用悬臂桩支护方案要好：因为土钉墙支护更省钱。 即使对同一工程，不同的设计人员也往往会拿出不同的支护方案：即使方案相同， 设计结果也可能大相径庭。有的设计人员为了达到省钱的目的，却造成工程事故； 而有的设计人员片面地追求安全，却造成了人力物力的极大浪费。因此，为了得 到安全、经济、可行的支护效果，采用优化设计是十分必要的。 1 4 优化设计的现状 传统的深基坑设计方法1 6 6 1 是设计者凭个人经验进行手工设计，因为深基坑 工程是一个很复杂的系统，影响因素众多，因素间又相互影响和约束，所以用手 工设计很难达到既安全又经济的设计效果。计算机技术的高速发展给深基坑优化 设计带来了新的机遇，利用最优化方法和计算机结合起来进行优化设计，比传统 的手工设计方便得多，设计效果也要好得多。现在市场上出现了很多的深基坑设 计软件，比如“深基坑支护之星”软件和启明星深基坑软件系列等，都是利用传 统的寻优方法和计算机结合起来，以人机配合的方式，在计算机上进行半自动或 自动设计。实际上，这些软件的设计原则是最优设计，设计手段是计算机及计算 程序，设计方案是采用最优化方法。 传统的人工优化设计模型和现在常用的计算机优化设计模型如下： 工程地质条件il 各种约束条件 试选择一种 可行方案 根据选定方案 进行更进一步设计 凭经验对方案 进行细部设计 结果不理想 图1 1 人工优化设计模型 套用定额 和市场价 计算工程 量和造价 凭经验比较该方案 的优劣和可行性 工程地质条件ll 各种约束条件 初步选择几个 可能最优的方案 根据选定方案 进行更进一步设计 使用传统白勺优化 方；去对这些方案 进行细部设计 套用定额 和市场价 计算工程 量和造价 据造价最优的 则选出最优方案 图i 2 常用的计算机优化设计模型 1 5 本文提出的优化设计模型 本文使用的优化设计方法，和现今常用的优化设计方法不同，在深基坑支护 结构的选型上，运用模糊数学方法，进行模糊决策，选出最佳的支护类型：在支 护结构细部优化设计上，运用一种新型的优化方法一遗传算法：并对土钉支护结 构这一常用的支护类型提出了优化的途径，包括选择合理的计算模式及土钉道 数、土钉孔径、土钉长度、钢筋直径、土钉间距等参数的优化，从而在保证安全、 可行的前提下，达到经济的效果。 本文所提出的优化设计模型如下： 根据 和地 图1 3 本文的优化设计模型 4 2 深基坑支护方法简述 关于深基坑开挖和支护，根据场地及施工条件，供选择的方法很多。在众多 的方法中，人工挖孔桩资历最长，已有1 0 0 余年的历史了，其逐步发展演化才 出现了钻孔桩、钢板桩、预制钢筋混凝土桩、地下连续墙，以及深层搅拌桩和各 种支撑等【5 l 【6 2 6 ”。本世纪7 0 年代以来，世界各国在上述传统方法中大量引入 锚固技术，出现了桩锚、板锚、管锚、撑锚等联合支护结构形式，获得了广泛的 应用。在国际上，著名的美国西雅图科拉蒙亚( c o l u i l l o i a ) 大厦基坑( 1 9 8 4 ) ， 在国内，北京地铁西直门车站基坑( 1 9 7 6 ) ，都是采用工字钢板加锚杆成功建造 的。进入9 0 年代，深基坑喷锚网支护法进入建筑市场，以及土钉墙方法的广泛 应用，使得可供选择的深基坑支护方法更加丰富。 2 1 放坡开挖 放坡开挖的特点是造价经济，是设计时应首先考虑的支护型式。该方法适用 于地下水少、基坑土质条件较好的场地。缺点是需要较大的工作空间，雨水多时 易发生事故。放坡坡高确定的合理与否，决定着坑壁的稳定性和挖方量大小，因 此放坡坡度的取值非常重要，一般可按表1 确定。 飞 上上b 即阿 2 2 土钉墙支护结构 图2 1 放坡开挖示意图 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，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。 表l 天然放坡开挖容许坡度及高度 序名场地土质状态或风化程度容许坡高 容许坡度( 高度：宽度) 名称 微风化 1 2 1 ：o 1 0 1 ：o _ 2 0 l 硬质岩石中等风化 l o l ：o 2 0 1 ：o _ 3 5 强风化 8 1 ：o 3 5 l ：o 5 0 微风化81 ：o 3 5 1 ：o 5 0 2软质岩石中等风化 8 1 ：0 5 0 1 ：0 7 5 强风化 8 l ：o 7 5 1 ：1o o 密实 6 1 ：0 5 0 基顶无载重 1 ：1 o o 基顶有静载 3碎石土1 ：1 2 5 基顶有动载 中密 6 1 ：0 7 5 基顶无载重 稍密 5 l ：o 8 5 1 0 0 基顶无载重 4 花岗岩残硬塑 5 1 01 ：0 7 5 l ：0 8 5 积粘性土可塑 5 1 01 ：0 8 5 l ：1 o o 1 ：1 0 0 基顶无载重 5砂土 5 1 ：1 2 5 基顶有静载 1 ：1 5 0 基顶有动载 1 ：0 7 5 基顶无载重 6粉土稍湿5 1 ：1 0 0 基顶有静载 1 ：1 2 5 基顶有动载 1 ：o 3 3 基项无载重 坚硬 5 1 ：0 5 0 基顶有静载 7 粉质粘土l ：0 7 5 基顶有动载 硬塑 5 l ：1 0 0 1 ：l ，2 5 基顶无载重 可塑 4 l ：1 2 5 l ：1 5 0 基顶无载重 坚硬 5 l ：0 3 3 l ：0 7 5 8 粘土硬塑 5 1 ：1 0 0 l ：l - 2 5 可塑 4 l ：1 2 5 1 ：1 5 0 9 杂填土中密、密实的建 5l ：0 7 5 l ：1 0 0 筑垃圾土 6 l 、土钉支护的优点 a 、材料用量和工程量少，施工速度快。土钉支护将土体作为支护结构的一 部分，土方开挖量、混凝土用量、钢筋用量少，远低于桩、墙支护。土钉支护的 施工速度比其他支护快得多，有的甚至可将工期缩短一半以上。 b 、施工方法比较灵活、操作方法简单。土钉的制作与成孔不需要复杂的技 术和大型机械设备，施工方法比较灵活，施工时对环境的干扰也很小。 c 、对场地土层的适用性较强。 d 、结构轻巧、柔性大，有良好的抗震性能和延性。土钉属柔性支护，自重 小不需作专门的基础结构，并具有良好的抗震及抗震动能力。土钉支护即 使破坏，一般也不至于彻底倒塌，并且有一个变形发展过程反映出良好的延 性。 e 、安全可靠，土钉支护施工和新奥法施工一样，边开挖边支护，喷射混凝 土和土体开挖面紧密接触土体受到的扰动很少。虽然土钉需要土体发生变形 以后才能工作，但现场实测表明，土钉支护的位移量与其他支护方法相当。 众多的土钉起到群体作用，个别土钉失效对整体影响不大。土钉技术有一个 重要的优点，即可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的土体变形数 据，修改土钉间距和长度。如果出现不利情况，也能及时采取措施加固，避 免出现大的事故。 f 、经济。一般土钉支护比灌注桩节约造价l 3 2 3 。 2 、土钉支护的缺点和局限性 a 、需要较大的地下空间。现场需提供设置土钉的地下空间当基坑附 近有地下管线或建筑物基础时，则在施工时有相互干扰的可能。 b 、土钉支护的变形较大。土钉属柔性支护，其变形大于预应力锚撑式 支护，当对基坑变形要求严格时，不宜采用土钉支护。 c 、土钉不适宜在软土及松散砂土地层中应用。 d 、土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。 在无特殊侵蚀作用的土体中，解决这一问题并不复杂。 图2 - 2 土钉墙支护示意图 2 3 内支撑支护结构 内支撑支护结构由挡土结构体和支撑体系构成，而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。 ( a ) 单层支撑 ( c ) 斜撑 ( b 1 多层支撑 图2 3 各类内支撑支护示意图 ( d ) 角撑 2 4 柱列式挡土支护结构 按照单个桩体成桩工艺的不同，柱列式挡土墙桩型大致有以下几种：钻孔灌 注桩、预制混凝土桩、挖孑l 桩、压浆桩、s m w ( 劲性水泥土搅拌桩) 。这些单个 桩体可在平面布置上采用不同的排列形式形成连续的板式挡土结构，来支挡不同 地质和施工技术条件下基坑开挖时的侧向水压力。以下列举了几种常用柱列式挡 土墙形式。 一 ( a ) 间隔拄列( b ) 一字形相切拄列 ( c ) 交措相切拄列 图2 4 桩排列示意图 d ) 一字形搭掊排刊 其中，间隔排列式适用于无地下水或地下水较深，土质较好的情况。在地下 水位较高时应与其它防水措施结合使用。一字形相切或搭接排列式，往往因在施 工中桩的垂直度不能保证及桩体扩径等原因影响桩体搭接施工，从而达不到防水 要求。因此除具有自身防水的s m w 桩形挡墙外，常采用间隔排列与防水措施 结合，具有施工方便，防水可靠，成为地下水位较高软土地层中最常用的柱列式 挡土墙形式。 2 5 拉锚式支护结构 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已日益 普遍。拉锚最大的优点是在基坑内部施工时，开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。这是人们乐于大量 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。 拉锚是将一种新型受拉杆件的一端( 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( 钢板桩、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。 2 6 地下连续墙 q 确t 碲 、 图2 5 拉锚式支护示意图 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 i l t a m a l i a 大坝 下深达4 0 m 的防渗墙以及v e n 世。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。 地下连续墙具有以下的优点： 1 、可作为永久结构的全部或一部分使用 2 、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； 2 、地下连续墙的墙体钢度大、整体眭好，因而结构和地基变形都较小。 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 、施工，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 、造价高，施工技术要求高。 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已经变质 此外还有施工管理等方面的因素。槽壁崩塌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。 其他形式的支护结构( 如拱型、门型支护结构等等) 。门型支护和拱型支护 可看作桩支护的变异和创新，他们都能够更有效的利用土体与支护结构之间的相 互作用，其示意图如下： 7 i 酹 ， ，陬 ( a ) 拱型支护结构平面( b ) 门型支护结构剖面 图2 6 拱型结构和门型结构示意图 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 支护不需要基坑以外的空间，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。 3 1 侧土压力计算 3 相关设计理论的选用 侧土压力计算采用朗肯土压力4 1 “1 1 理论，该理论是英国科学家朗肯于1 8 5 7 年提出的，是根据半空间内的应力状态和土的极限平衡理论而得出的土压力计算 方法。 l 、主动土压力 对无粘性土，有 对粘性土，有 其中 h 6 ，= 犯k ， 6 ，= 扛k 。一2 c _ k 。 占。主动土压力强度 k 。主动土压力系数，k 。= 培2 ( 4 5 。一罢) y 墙后填土的容重 c 土的内聚力 西土的内摩擦角 z 计算点距填土表面的深度 | f 图3 1 主动土压力 i j j 蛩- 可 刮 ( a ) 无牯性土( b ) 秸性土 图3 2 主动土压力分布图 2 、被动土压力 对无粘性土 6p = y z k p 对粘性土 巧p = ，z k ，+ 2 c k p 6 。被动土压力强度 丘，歆动土压力系数，k ，= 瑶2 ( 4 5 。+ 要) h 图3 3 被动土压力 鍪b 可 j 孑一 2 c 百 ( a ) 无牯性土c b ) 牯性土 图3 4 被动土压力强度分布图 i 焉+ 3 、有地下水时土压力计算 计算地下水位以下的水土压力时，有两种处理方法，既：“水土合算”和“水 土分算”法。 ( 1 ) 、水土分算法 地下水位以上部分 6 ，= y z k ， 地下水位以下部分 j 。= k 。 ，柯i + y ( z 日1 ) + y 。( z 日1 ) 其中 h 地面距地下水位处距离 z 计算点具地面距离 y 土的容重 y 土的浮容重 儿水的重度 0 v h 。t 一 卜 上 t ， 、 k ，榭l + y ( 一j 彳1 ) 】 ，。( - v 一日1 ) 图3 5 水土分算法 ( 2 ) 、水土合算法 地下水位以上部分 6 ，= 皿k 。 地下水位以下部分 皖= ，+ y 。( z h ) 】世。 其中 y 。土的饱和容重 k 。水位下土的主动土压力系数 0 一 州l 如 y ，。( 爿一爿1 ) 丘 图3 6 水土合算法 3 2 基坑稳定性验算 在深基坑支护工程设计过程中，进行基坑的稳定性验算是非常重要的，其是 避免事故发生的关键步骤。常见的基坑失稳破坏形式包括：基坑底部承载力不足 破坏、整体失稳破坏、基坑管涌和基坑底部隆起破坏等等。 3 2 1 基坑底部承载力稳定性验算 同济大学侯学渊教授提出了考虑c 、 方法在土体强度中包括了c 、m 的因素， 的基准面，如图所示： 巾值的地基承载力的稳定验算方法。该 并假定以板桩底平面作为求极限承载力 7 奄 淞l i 7 垦j | 基坑底 i 侮，惫侮，盎论，盎 y ( 队) k 。 t il i l 【i 【i 【i l 【i i 黝b 图3 7 基坑底部稳定性验算示意图 承载力安全系数验算公式为： k ：型! 垦竺 l 2 y ( h + f ) + g o 式中： s 。土体不排水抗剪强度： 。、。地基承载力系数 由普朗特尔公式，得到 。= 培2 ( 4 5 。+ 要扣”， 。= ( 。一1 ) c 噜 32 2 整体稳定性验算 式中 整体稳定性验算用毕肖普法，其安全系数公式为 图3 8 毕肖普土坡稳定示意图 弘卷鬻 m ，= c 。s 口，+ ! 曼生芦 矿土条质量 “，土条的空隙水压力： 口土条底面与水平线的夹角； q ，水平地震力荷载： p 地震力荷载距滑弧圆心垂距 6 土条宽度。 3 2 3 抗管涌验算 当基坑位于砂土地基时，既，。l o 的土层内时，应进行抗管涌验算。试验证 明，管涌首先发生在离坑壁大约等于板桩入土深度一半的范围内。为简化计算， 近似地按临近板桩的最短路线计算。 图3 9 管涌验算计算简图 不发生管涌的条件为 式中 ， 塑玉二! 1 2 y k 抗管涌安全系数： t _ 一板桩入土深度； y 。水的重度： ，土的浮重度： 地下水位至坑底距离。 3 2 4 踢脚稳定性骏算 当基底以下层软弱或扳桩入主深度较浅，在土蘸力于筝藤下，入土部分板摭 可能向外位移，发生绕桩顶的转动，这种失稳方式，称之为踢脚。原因是踢脚稳 定性储备不足，所以，支护结构安全系数必须满足k 。l _ 2 ，即 k 。：堡竺坐1 2 。 e 。拉2 一冗口1 式中 t = e 。寺r e 。： e 。被动土压力合力； 玩主动土压力合力； r 支撑反力。 o i ； b r e ， | 一t 图3 一1 0 蹋辫稳定矬验算 3 3 支护结构内力计算理论 根据结构受力性能的不同，深基坑支护结构大致可分为四类：悬臂式支护结 构、单( 多) 支点混合结构、重力式支护结构及拱式支护结构。此处重点论述悬 臂桩和单支点桩的内力求解方法。 3 3 1 悬臂桩内力求解 设土层的容重为￥，凝聚力为c ，内摩擦角为夺，基坑深为h ，板桩入土深为 t 上 ，o ，地面均布菏载为q 。采用朗肯理论。 q 图3 - 1 l 悬臂桩设计土压力图 ( 1 ) 、求桩的入土深度，。 土表面处的主动土压力强度为： 瓦= g t a l l2 ( 4 5 。_ 善) 一2 c t a n ( 4 5 。 基底下f 0 深处的主动土压力强度为 屯- 【州( 0 ) 】t a l l 2 ( 4 5 。芝) - 2 c 协( 4 5 0 一詈) 总主动土压力为 e = 三( 吒+ ( h “) = 【g ( h + “) + 吉，( h 十，。) 2 t 锄2 ( 4 5 。 总主动士压力形心距0 点的距离为 小掣等 基底处的被动土压力的强度为 d 。= 2 c t a n ( 4 5 。+ 芝) 基坑底深处的被动土压力强度为 善) 一2 c ( h “) t 州5 0 - 萼)z 2 = 协2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c 劬( 4 5 。+ 争 总被动土压力为 e ，= 抄t 矾。s 。+ 争z c f 0 删s 。+ 争 总被动土压力形心距o 点的距离为 咿鬻 各力对o 点取距，由力矩的平衡条件得 。6 。= e p 6 ， 求解即可得到桩的入土深度“。考虑经验嵌固系数，得实际入土深度t ，即 f = y o + 七( r o y o ) 其中k = i 1 0 i 2 0 ，y 。为土压力零点距坑底距离。 ( 2 ) 、求最大弯距 弯距最大点由剪力为零的点解出，即把换为，由 。一e 。= o 解出，既为最大弯距点距板桩顶的距离。 3 3 2 单支点锚桩内力求解 当基坑深度较大时，不宜采用悬臂式支护结构，可采用单支点锚桩支护结构， 其设计计算步骤为： q a i 变形熹 fr 、 e 。z 1 c 、上y e 1 2 列k ) 、 | f o 图3 1 2 单锚桩内力计算简图 1 求土压力零点 根据主、被动土压力强度相等时，有 仃。l ( y ) + 仃。2 ( y ) = 口p l ( y ) + 盯p 2 ( y ) 式中占。( y ) 和6 。：( _ y ) 分别为c 点处矩形区和三角开区的主动土压力强度 占川( y ) 和6 ，：( y ) 分别为c 点处矩形区和三角形区的被动土压力强度。 2 求锚杆拉力 c 点以上的力对c 点取矩，可求得锚杆拉力t 。 r ( 日一d + y ) + 吉盯州( y ) y 2 + 吉盯，：( _ y ) y 2 = ；盯。，( y ) ( h + y ) 2 + ：吒：( y ) ( h + y ) 2 3 求桩入土深度 各力对桩底o 点取矩，根据力矩平衡条件有： k 半怛：半叫。卅峨鲁屿：导 可求得桩的入土深度t 。，桩实际入土深度为t = j ，+ k ( t 。一力，j ，为土压力零点 距坑底距离，k 为经验嵌固系数。 4 求最大弯矩 在坑底以上将出现最负弯矩，坑底以下将出现最大正弯矩。 根据坑底以上剪力为零的点求得最大负弯矩点距桩顶距离x 即： 2 r 2 盯扪( x 1 ) + 盯。2 ( 工1 ) 式中丘。( x ，) 和丘。( x 。) 分别为距桩顶x 。深度时矩形区和三角形区的主动土压 力强度，所最大负弯矩为： 圹2 圭( 钔x 卜吉( x 。( 矿d ) 同理可求得最大正弯矩点距桩项的距离b 即： 2 丁一2 盯p l ( x 2 ) h 一盯p 2 ( 工2 ) 日 2 2 盯训( x 2 ) + 盯。2 【x 2 ) 一2 盯p l ( 工2 ) 一盯p 2 ( x 2 ) 式中d 。，( x ：) 和d 。( x ：) 分别为距桩顶x ：深度时矩形区和三角形区的主动土压 力强度；d ，( x ：) 和d 。：( ) 分别为距桩顶x ：深度时矩形区和三角形区的被动土压 力强度。所以最大正弯矩： m + = ；( 纠x ；+ 吉( 蝴x ；川矿妒 圭盯川( x ：) ( x ：一h ) 2 一吉盯，：( z ：) ( z ：一h ) 2 4 支护方案的优选 在深基坑工程中，支护方案的选择是致关重要的。一个合理的支护方案既能 保证安全，又能节约成本。反之，一个不合理的方案即使造价很高，也不见得一 定能保证安全。所以，对于每一个设计人员来说，方案选择这一重要环节都必须 高度重视。 4 1 支护方案选择的现状 在工程实践中，为了选顶一个较好的支护方案类型，业主往往需要征询专家 的意见。对于方案选择的具体操作，国内的专家们也尚无统一的看法。龚晓南在 其主编的深基坑工程设计施工手册中只是把将支护方法的选用原则简单的概 括为：安全、经济、方便施工和因地制宜：刘建航和侯学深主编的基坑工程手 册中则根据开挖深度和地区的不同给出了一个方案选择表：一些专家则倾向于 按某个特定的方案选择顺序进行选择，如秦四清提出了这样一个支护方案选择的 顺序：无支护开挖一放坡+ 土钉一土钉墙一放坡+ 桩支护一土钉墙+ 桩支护一悬 臂桩一搅拌桩一放坡+ 锚桩一土钉墙+ 锚桩一锚桩墙一地下连续墙。 值得注意的是，专家们的选择往往因起长期从事研究性质的不同而带有偏向 性，例如有些人比较喜欢用桩支护，有些人则强调尽可能采用土钉墙，从科学发 展的角度来看，这当然有利于各种深基坑施工方法的改进与创新，但是有时由于 这些主观因素的干扰，很可能导致在工程中一些非优方案的中选。 4 2 本文使用的方案选择模式 本文使用的模式：方案初选( 得到可能方案集) 一方案细选，即对可能方案 集进行优化筛选( 得到最优方案) 。 1 、方案初选： 我们可以为方案初选下这样的一个定义：既从某地域所有可能实施的支护方 案中选定对各种限制和需求具有较好适应性的几个方案，并将这几个方案作为下 一步方案细选的入口。 在进行方案细选之前对支护方案进行初步选择十分必要的。由于影响因素众 多，想在初选阶段就较精确地判断出哪个方案比较好是不太可能的。但显然对 于确定的工程场地，由于有土层性质、地f 水、开挖深度等定性工程场地条件的 限制，不是所有的方案都能够适用的，而用户在选择方案时也往往有一定的要 求，如抢工期、经济性、安全可靠性、不影响环境等。由此可见，对用户而言必 然存在这样一个可能方案集，其包含的所有方案既齄较好趣适用丁确定的工程场 地，又基本上能满足用户提出的要求。 进行方案初选应充分重视地区支护经验的重要性，根据设计人员的设计经 验，充分考虑场地的工程地质条件以及用户对工期、造价的要求等因素，选择可 萼亍方案，构成可熊方案集。进行方案初选簿，可以参考表4 一l 、表4 2 鞠表4 3 ： 裘4 1 各种支护结构的特性及使用条件 序 支护 结构特性 适宜地防水 施工造价工耀 号 质条件抗渗 名称 整体性好，刚度软土、淤咬口好， 难于打能重复 较好一次投入泥及淤 能止水入砂卵利用则较长 1钢板 钢睾孝多泥瘊土石及砥 省，反之 桩 石层，有则造价 震动喋目。 整体性好，珂4 度各种地防水抗需有大 好，w 以按乎靥震、水位渗穗能型机城 卜 地下 设计成任何形条件皆好设备贵 慢 连续状，施工较困适宜 墙难需有泥浆循 郅照璎 整体性及刚度除砾石需采用麓工机 桩排较地下连续墙层外各 防水抗具简单 4n 差，但简便易种土层渗措施，较省较快 行。皆适宣否则止 水性差 取排桩上必须筑钢 粘土、砂施工简 桩前筋混凝土扁圈土、粉单无震 5排加 粱或单桩斜粱土、砂卵不抗渗动、噪音很省快 钢筋拉缨，使双排桩石等地 面层顶形成门式，有下水位 位移变形小的底的地 效果区 深层整体往好，阿g 度软土、淤需深痿 搅拌较好，墙瘫可魏滋质土 好搅拌机造价 较长 6水泥 钢筋或工字钢械施工较高 土挡 较容易 撰型 拱黧结掏有闭砂土、壤边褒筑省 较抉 7支护 合拱和非闭合土、粉土边浇注 结构 拱之分。砼，边开 挖 续表 序 支护 结构特性 适宜地 防水 施工造价工期 号质条件抗渗 名称 悬臂平面布置灵活，软土、粘 8式支 但整体性差。 土、砂土差 旌工简单较省较快 护结等。 构 与挡土结构连粘土、粉施工要有 桩锚接，锚入地下，土、砂土差锚杆机械造价较慢 9支护 利用地层的锚 等。软土 及灌浆设较高 结构固力来平衡挡与淤泥 各。 土结构所受的质土不 土压力、水压 且。 力。 钢板在基坑内支撑在软土与钢 支撑施工 1 0桩与 有水平横撑及地区使板桩较困难，较高长 支撑斜撑。 用相似 挖土亦较 体系困难。 地面 需地面开阔，拉砂土、粘施工较方 l l拉结 结仅能做一道。土地区便较省较快 与挡较好，软 土结土地区 构差 挖一层土做一砂土、粘洛阳铲或 1 2土钉 排土钉，做法与土、粉专用机具省较快 墙锚杆作业相仿。工。施工，应 与挖土配 合好 表4 2 基坑支护结构型式选择 拟选择应考虑的因素 序的支护 号结构 土层 开挖注意事项与说明 施工、场地条件 条件 深度 m 放坡基坑周围场地允开挖深度超过4 5 m 开挖许：可塑 1 0 时，宜采用分级放坡； 1 邻近基坑边无重要 建筑物或地下管线 基坑周围不具各放土层较差且厚度较大 重力式坡条件，但具备重力时，特别是软塑流塑土 2 挡土结 式挡墙的施工宽度 软塑 6 层，宜选择水泥土搅拌桩 构墙挡土结构 续表 拟选择 应考虑的因素 序的支护 开挖 注意事项与说明 土层 号结构 施工、场地条件深度 条件 m 悬臂式 基坑周围不具备放变形较大的坑边可选用 3 挡土结 坡或施工重力式挡可塑 8 双排桩或多排桩，门架式 墙的宽度：双排桩或加一道或多道 构 拐角部位的斜撑 基坑周围施工宽度锚杆基坑平面尺寸较小，或 狭小；的锚邻近基坑边有深基础建 桩锚支 邻近基坑边有建筑固段 2 0 筑物，或基坑用红线以外 4 物或地下管线需要有较不允许占用地下空间，可 护结构 保护好的 选择基坑内支撑排桩式 土层支护型式 基坑周围施工宽度地下连续墙宜考虑兼作 地下连 狭小； 不限( 2 0 永久结构的全部或部 5邻近基坑边有建筑 分使用 续墙 物或地下管线需要 保护 基坑周围施工宽度采用排桩支护结构较困 6 拱型支狭小； 可塑 1 2 难或不经济时采用： 护结构 邻近基坑边无重要基坑平面尺寸近方形或 建筑物圆形 土钉或 基坑周围不具备土体内富含地下水，或 7 喷锚支 放坡条件： 可塑以下的软土厚度超 可塑 1 2 过3 m ，不宜采用喷锚支 护结构 护结构 组合式 基坑周围不具备放单一支护结构难以满足 8 支护结 坡条件： 有限 2 0 工程安全或经济要求时， 邻近基坑边有重要可考虑组合时支护结构 构 建筑物或地下管线 逆作法适用各种土质的基逆作法为先进的施工方 基坑开 坑不限 ( ，故拱型支护结构为最优方案。 5 4 3 2 l 4 3 2m a t ia b 数据处理程序 其程序如下： r l l = 00 8 0 0 2 0 00 i0 o 3 00 50 2 00 j0 0 3 00 50 2 00 j r 2 1 = 00 3 00 50 2 00 j0 o 3 0o 5o 2 00 ；oo 3 00 ，50 2 00 ； r 3 l 一 10 o 0o j l0 0 00 ；00 ，3 0o 50 2 00 j a l = 0 70 20 1 】j r 1 2 = f oo 3 0o 5o 2 0o ；oo 3 0o 5o 2 0o ；o 3 0o 5o 2 0oo ； l 0 0 00 j0 3 0o 50 2 000 j0 0 3 0o 5o 2 00 ；00 3 00 50 2 00 ； 0 3 0o 50 2 0 0o ；00 3 00 50 2 00 ； r 2 2 = f o 3 0o 10 2 0 0 0jo o 3 0o 5o 2 00 j0 0 0 3 0 0 2 00 5 j 0 0 3 00 50 2 0o jo 00 3 00 5 0 20 j0 0 3 0o 50 2 00 ； 0 0 3 00 50 2 00 j0 3 d0 5o 2 0 o0 jo 0 3 00 50 2 0 。 j r 3 2 = 0 3 0o 50 2 0 0o i0 5o 3 0 0 2 0 00 j0 50 3 0 0 2 0 00 ； 0 0 3 00 50 2 00 ；o00 3 0o 50 2 0 ；000 3 0o 50 2 0 ； o0 3 00 5o 2 00 ；00 3 00 5o 2 00 ；0 3 00 50 2 0 00 a 2 = 0 20 2o 0 60 10 10 1 50 ，0 7o 0 6o 0 6 】i r 1 3 = 00 3 0o 50 2 00 jo 0 3 00 50 2 00 ；0 0o 3 0o 5 0 2 0 ； r 2 3 = ( 0 3 00 5 o 20 00 ；0 3 00 5o 2 0 00 j0 3 00 5o 2 0 0o 】j r 3 3 = 00 0 3 00 50 2 0 ；00 0 3 00 5 o 20 j0 50 3 0 0 2 0 00 】j a 3 = 0 2 50 250 5 j r l4 = 00 0 3 00 5 o 20 j0 0 o 3 0o 50 2 0 jo00 3 0 o 2 0o 5 ； 1，j o 8 8钉犍 1 1 j 8 3 3 3 ，l l l m 如眈m o 0 o 6 5 1如虬舛 3 3 2 o o o 6 6 3 o 4 5 5 4 7 3 3 1 0 o o 4 7 7 6 5 5 6 9 4 o 0 4 o 0 o ，l 一一 1j 正e e l = cb = f r 24 = 【0 3 00 50 2 0 o0 ；0