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基坑支护设计及合理选型研究 学科：工程力学 作者姓名：摊 导师姓名 乡篪 摘要 随着城市建设的发展，基坑支护工程同益增多，建设舰模也越来越大，所遇到的工程 问题和涉及的方面正日益广泛，其中基坑支护方案优选是一项关系到结构安全和工程成本 的工作，越来越被工程技术人员重视。本论文主要研究基坑支护方案的优选及设计计算。 深基坑支护方案优选的目的是使最终所选方案能满足安全、经济、环保、施工工期短等多 个目标，其实质是考虑多目标下的方案决策问题，因此可利用多目标决策方法进行支护方 案优化选择。层次分析法是较多采用的多目标决策方法，具有系统性、实用性、简洁性等 优点，但单一的层次分析法人的主观因素对整个过程的影响很大，未考虑人的判断中的模 糊性，这就使得结果难以让所有的决策者接受；模糊综合评判法采用了专家群体判断的方 法，可部分克服该缺点。因此，本文拟联合采用模糊综合评判法和层次分析法，利用层次 分析法确定权重方便快捷的优点，以满足工程实用性需要；同时利用模糊评判法的科学性 来消除层次分析法中人主观因素的干扰。 本文根据目前深基坑工程和多目标决策方法的研究现状，结合深基坑工程特点提出了 比较系统的深基坑支护方案优选模式。论文的主要内容有： 在分析了基坑支护的现状、存在的问题及发展趋势，介绍了常用的基坑支护方案及 其各自优缺点的基础上，总结了黄土地区常用的几种基坑支护方案的设计计算方法。 在阐述基坑支护方案优选的重要性和必要性的基础上，提出了基坑支护优选的模式， 主要用到了层次分析法及模糊综合评判法，对其进行了详细的介绍并验证了用层次分析法 确定权重的合理性。 将多层次模糊综合评判法应用到工程实例当中并对安徽淮南某卸煤沟工程进行了支 护设计计算。 关键词：基坑支护，合理选型，层次分析法，模糊综合评判法，设计计算 t h ed e s i g no ff o u n d a t i o np i ta n dt h ep l a no p t i m a l d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c se n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 岛删乡 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n ，p r o p u pt h ep r o j e c to fp r o t e c t i n ga n d i n c r e a s ed a yb yd a yi nt h ef o u n d a t i o np i t ，t h ec o n s t r u c t i o ns c a l ei sg r e a t e ra n dg r e a t e r , p r o j e c t q u e s t i o na n dr e s p e c ti n v o l v e dm e ta r ee x t e n s i v ed a yb yd a y , a m o n gt h e m t h eb a s eh o l es u p p o r t s a n dp r o t e c t st h eo p t i m u ms e e k i n go fs c h e m ei saw o r kw h i c hc o n c e r n ss t r u c t u r a ls e c u r i t ya n d c o s to fp r o j e c t ，b e i n gp a i da t t e n t i o nt ob ye n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n s t h e s i st h i sm a i nr e s e a r c h f o u n d a t i o np i tp r o pu po p t i m u ms e e k i n gt op r o t e c ts c h e m ea n dd e s i g n , c a l c u l a t e d e e p f o u n d a t i o np i tp r o pu p ，p r o t e c ts c h e m ep r e f e r r e dp u r p o s et om a k e ，s e l e c ts c h e m ec a nm e e t s e c u r i t y , e c o n o m y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , c o n s t r u c tt i m el i m i tal o to fg o a ls u c ha sb e i n g s h o r tf i n a l l y , e s s e n c ei t ss c h e m ed e c i s i o ni s s u et oc o n s i d e rm a n yg o a l ，c a nu t i l i z em a n yg o a l d e c i s i o nm e t h o dg oo n ，p r o pu p ，p r o t e c ts c h e m eo p t i m i z ea n dc h o o s e t h ea n a l y t i ca p p r o a c ho f t h el e v e li sm o r em a n yt a r g e t sd e c i s i o nm e t h o d st h a ta r ea d o p t e d ，h a v ea d v a n t a g e ss u c ha s s y s t e m a t i c n e s s ，p r a c t i c a b i l i t y , t e r s e n e s s ，e t c 。，b u tt h es i n g l el e v e li sa n a l y z e dt h el e g a lp e r s o n s s u b j e c t i v ef a c t o re x e c sat r e m e n d o u si n f l u e n c et ot h ew h o l ec o u r s e ，t h eo n e st h a th a v en o t c o n s i d e r e di np e o p l e sj u d g e m e n ta r ef u z z y , t h i sh a sm a d et h er e s u l td i f f i c u l ta n dh a sb e e n a c c e p t e db ya l lp o l i c y m a k e r s ；j u d g et h el a wa n da d o p tt h em e t h o dt h a te x p e r t sc o l o n yj u d g e s f u z z i l ys y n t h e t i c a l l y , c a no v e r c o m et h i ss h o r t c o m i n gp a r t l y s o ，t h i st e x tp l a n st oj o i n t l ya d o p t a n dj u d g et h el a wa n dl e v e la n a l y t i ca p p r o a c hf u z z i l ys y n t h e t i c a l l y , u t i l i z et h ea n a l y t i ca p p r o a c h o ft h el e v e lt oc o n f i r mt h ea d v a n t a g ew i t hc o n v e n i e n ta n ds w i f tw e i g h t ，n e e dw i t ht h ep r o j e c t p r a c t i c a b i l i t yo ff u l lf o o t ；u t i l i z ef u z z ys c i e n c ew h i c hj u d g e st h el a wt od i s p e lm i d d l e m a n s s u b j e c t i v ef a c t o ro fa n a l y t i ca p p r o a c ho f t h el e v e la tt h es a n l et i m ei n t e r f e r e n c e t h er e s e a r c hc u r r e n ts i t u a t i o n so ft h eh o l ep r o j e c to ft h ed e e pb a s ea n dm a n yt a r g e t s d e c i s i o nm e t h o d sa t p r e s e n to ff o u n d a t i o no ft h i st e x t ，c o m b i n ed e e pb a s e h o l ep r o j e c t c h a r a c t e r i s t i cp u tf o r w a r ds y s t e m a t i cd a r kb a s eh o l ep r o pu pa n dp r o t e c tt h ep r e f e r r e dm o d eo f t h es c h e m e t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 1 1a n a l y z eb a s eh o l ep r o pu pc u r r e n ts i t u a t i o n ，e x i s t i n gp r o b l e ma n dd e v e l o p m e n t 们n d p a r t i a lt o e d ，o nr e c o m m e n d i n gt h ec o m m o n l yu s e df o u n d a t i o np i tt op r o pu pa n dp r o t e c tt h e f o u n d a t i o no ft h es c h e m ea n de a c hp l u s e sa n dm i n u s e s ，p r o pu pt h ed e s i g nc o m p u t i n g t e c h n o l o g yw h i c hp r o t e c tt h es c h e m e a f t e rs u m m a r i z i n gs e v e r a lk i n d so fd a i l yb a s eh o l e si nt h e a r e ao fl o e s s o nt h eb a s i so fe x p l a i n i n gt h a tp r o p su pa n dp r o t e c t ss c h e m ep r e f e r r e di m p o r t a n c ea n d n e c e s s i t yi nt h eb a s eh o l e ，p r o pu pa n dp r o t e c tt h ep r e f e r r e dm o d e a f t e rp u t t i n gf o r w a r dt h eb a s e h o l e ，m a i n l yb yr e a c h i n g t h ea n a l y t i ca p p r o a c ho ft h el e v e la n dj u d g i n gt h el a wf u z z i l y s y n t h e t i c a l l y ，h a v ei n t r o d u c e dt h ed e t a i l e do n ea n dp r o v e dt oi tt h a tc o n f i r m st h er a t i o n a l i t yo f t h ew e i g h tb ya n a l y t i ca p p r o a c ho ft h el e v e l ( 耍) m u l t i 1 e v e lt oj u d g el a wa p p l yp r o j e c tt oa m o n gt h ee m b o d i m e n ta n du n l o a dt oa n h u i s o m eh u a i n a nc o a ld i t c hp r o j e c tg oo n ，p r o pu p ，p a r t i a lt o ，d e s i g n ，c a l c u l a t es y n t h e t i c a l l yw h i l e b e i n gf u z z y k e y w o r d ：f o u n d a t i o np i t ，p l a no p t i m a l ，l e v e la n a l y t i ca p p r o a c h ，f u z z yt oj u d g e l a w s y n t h e t i c a l l y , d e s i g nc a l c u l a t e i i l 主要符号表 评价因素集 评语集 模糊转换矩阵 模糊向量 为判断矩阵的最大特征根 一致性指标 为判断矩阵的平均随机一致性指标值 一致性比值 三轴试验快剪粘聚力标准值 水的重度 三轴快剪内摩擦角标准值 水平荷载标准值 水平抗力标准值 稳定性系数 滑动面上抗滑力矩总和 滑动面上总下滑力矩总和 滑动体分条数 滑动体土钉数 整体滑动分项系数，可取1 3 基坑侧壁重要性系数 矿r口k口肼锹k坼聆m儿 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：雅 指导教师签名： 套虽雩篪 日期：加矽st 仫 ：孙刨件声明 学位，1 ：，奠创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学 指导下进行的研究工作及取得n 勺研究腑 方外，学位论文中不包含其他人已经办 已申请学位或其他用途使用过的成果。： 在论文中作了明确的说明并表示了致谫 i ，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 、，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 _ 。墨写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 t 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 学位论文与资料若有不实之处，刁、! ：担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 玛姬 鲈专c 弓垤 日期：抄7 争形 l 绪论 1 1 引言 1 绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国城市化进程的加快，城市数量、规模和城市人口都有 了巨大的增长，城市建设用地日渐紧张，城市土地也越来越贵。为了节约城市用地、调节 城市土地使用结构，高层、超高层建筑的出现如雨后春笋拔地而起，如8 1 层的深圳地王 大厦、高达3 8 4 米，8 0 层的广州中天广场、高达3 8 9 9 米，地下3 层、地上8 8 层的上海 金贸大厦则把国内建筑最大高度改写为4 2 0 5 米。另一方面，城市地下空间也不断得到开 发和利用，涌现出大量的地铁、地下商场、地下车库等地下工程，如亚洲最大的地铁车站 一上海徐家汇地铁车站，基坑开挖宽度达2 3 米，长达6 6 0 米，东莞市“第一国际”工程则 把单层地下车库停车位的世界吉尼斯记录改写为4 3 2 0 个【1 1 。随着这些高层、超高层建筑 的兴建，随着地下空间的开发和利用，大量的深基坑工程应运而生，深基坑工程的重要性 和复杂性也日益显露出来，成为工程界的一个热点和难点。 深基坑工程包括基坑支护结构的设计与施工、土方开挖、地下水控制、工程监测和周 围环境保护等内容，具有很强的系统性。其中包含了强度、稳定和变形等问题，涉及工程 地质、土力学、基础工程、结构力学、工程结构、施工技术等学科，具有很强的知识性、 技术性、综合性。再者，深基坑工程相关许多不确定性、模糊性因素，具有较强的个性和 实践性，在当今新的时代环境下，深基坑工程又呈现出许多新的特点1 2 1 。特别是深基坑支 护结构，它虽然属于临时性建筑，但它直接关系到整个工程的安全、工期和费用。因此， 深基坑工程的发展对支护结构方案的合理选择和优化设计提出了更高的要求。 1 2 基坑工程发展的现状 1 2 1 国内外基坑工程发展的现状 国外第二次世界大战后的2 0 多年间，欧美地区一些发达国家在城市建设和工业化进 程的推动下，出现了大量的基坑工程，基坑支护技术的研究随之开展起来。最早提出基坑 分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程 度和支撑荷载大小的总应力法。5 0 年代初e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑坑底隆起的方 法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城的软粘土深基坑中使用了仪器进行监测，这一时期 基坑支护技术发展的成就主要表现在：深化并发展了对基坑支护概念的认识，发展了土压 力理论，提出了较符合工程实际的挡土结构内力分析模型和计算方法，试验和测量技术以 及对土性参数的确定和土体本构模型的研究等方面都得到了迅速发展【3 1 。尤其是各种新型 挡土结构的出现和应用为基坑支护技术的进一步发展开辟了广阔的前景，并积累了大量工 西安工业大学硕十学位论文 程经验，形成了较好适用性的丰富经验的设计、施工和预测基坑变形的方法。 近3 0 年间，基坑支护技术的发展进入了一个新的发展阶段。在此期间，随着基坑工 程的发展，与各种挡土结构相适应的设计理论不断完善，产生了指导基坑开挖的法规；基 坑支护的概念也发生了变化，在原来的外部支护设计的基础上，又提出了以加固土体、提 高土体自承能力为目的的内部支护的方法；施工机械的发展、施工工艺的不断改进、新型 挡土结构材料的应用，为复合型挡土结构在复杂的深大基坑中的应用提供了良好的条件； 计算方法上，应用有限元理论对土压力、基坑稳定性和基坑变形等进行联合分析的方法得 到了较大发展。目前，发展新型材料用于加固和支挡土体，提高坑壁土体在基坑支护中的 利用效果，改进施工工艺和加强施工管理，应用计算机进行计算和分析等，己成为基坑支 护技术新的发展方向。在我国，从2 0 世纪8 0 年代初开始，在改革开放政策的指引下，基 本建设蓬勃发展，高层建筑不断涌现，相应的建筑基础的面积和埋深不断增加。这时我国 开始逐渐重视深基坑设计和施工领域的研究，并逐渐应用于实际工程【4 1 。在深圳地区的第 一个深基坑支护工程率先应用了信息反馈施工法，大大节省了工程造价。 进入9 0 年代，人们对三维立体化空间的需求不断增长。一方面城市高层建筑成为发 展趋势，建筑基坑越挖越深；另一方面，地下空间的开发利用也已成为发展方向之一，地 铁、地下商城、地下油库和地下停车场等大型建筑物不断增多。基坑开挖与城市建设密集、 地下管线众多、建设场地狭小，周围环境要求高等不利因素的矛盾更加突出。大坡度大深 度的基坑开挖给设计、施工及周围环境保护都提出了许多新的问题，使岩土工程的经典理 论面临着新的课题i5 1 。这一阶段，全国各地的科研机构、设计和施工单位，在学习外国先 进理论、借鉴外国先进技术的基础上，积极开展了基坑工程的理论研究，在基坑支护设计 基本原则，水土压力的分算与合算，土的强度等级，土压力计算方法，支护结构设计计算 方法，支护结构选型等多方面进行研究。比如在上海市，建筑物密集，地下管线众多，交 通网络纵横，环境保护要求高，给深基坑工程设计与施工带来极大困难，虽然也有过一些 事故，但总体来说设计和施工水平有很大提高，基本上达到了国际水平。将先进的仪器和 计算机技术应用于实验和实测分析，各种各样的新型支护结构在我国_ 开始大量应用；为总 结我国深基坑设计与施工经验，一些大城市和地区深基坑设计与施工的法规、指南等相继 出台，全国性的法规规范也已问世。有关深基坑工程方面的全国学术性会议几乎每年都在 举行，正在推动着我国深基坑工程向世界水平靠近并走向领先的水平。 1 2 2 深基坑工程的研究现状 深基坑工程主要包括深基坑支护体系设计与施上、土方开挖、地下水控制、工程监测 和周围环境保护等内容。目前的研究主要集中在土层性质研究、计算分析的理论方法研究、 环境效应问题对策研究、新型支护结构及施工工艺研究等四个方面。 1 ) - i - _ 层性质研究土的松散性、多相性、多变性，天然性以及由此引起的结构性、非 均匀性、各向异性、流变性、剪胀性，导致了受力性态的千差万别，且受应力水平、应力 历史、应力路径、应力状态的影响，可以说，任何一个数学模型都不能全面地、正确地表 2 两安1 = 业大学硕士学位论文 达土的这种特性。深基坑开挖实质是一个卸载问题，加强土性研究，搞清楚工程的土性非 常有必要。 先后有许多学者对此作了研究性工作，如曾国熙等对土体卸荷与再加荷进行了室内土 工实验研究，将开挖区用一种典型的应力路径表示：夏明耀对土在剪应力作用下的蠕变和 应力松弛进行了实验研究，孙钧等对上海地区软粘土的流变问题进行了理论分析和实验研 究，提出了半经验半理论的流变模型：侯学渊、刘国彬根据上海软粘土的几种卸荷应力路 径试验结果，提出了初始卸荷模量：李永盛根据从实际工作中取样后的室内试验成果，研 究了坑内井点降水前后土的力学参数的变化l ，】。 2 1 计算分析理论研究正确的计算分析是深基坑工程设计确保安全性以及寻求经济效 益的关键，对于深基坑工程这一复杂多变的岩土工程难题，理论界的研究一直比较活跃。 夏明耀通过相似材料的模型试验，进行了开挖深度、地表超载等多种单因素试验研究， 并在此基础上统计出基底隆起量的经验公式：王广国采用有限变形理论的全拉格朗日描述 方式对基坑工程进行了数值分析：李庆来采用数量化理论、人工神径网络理论，分别得出 了施工工序、土的强度指标、降水、有无支撑和开挖深度对支挡结构水平位移的影响较大 的结论：杨雪强借助坑壁土体的三维破坏模式，基于土的塑性上限理论及极限平衡分析理毋 论，提出了考虑空间效应的土压力计算公式，刘国彬尝试利用可靠度理论进行基坑工程中 支护结构的受力及变形分析，提出了基于可靠度理论的基坑支护结构受力及变形的概率预 测方法：俞建霖研究了基坑开挖过程中围护结构变形、土压力的空间分布及基坑的几何尺五 寸效应f 6 1 。 3 1 深基坑工程环境效应问题对策研究深基坑工程对周围环境的影响是深基坑工程的 重点和难点课题，其突出特点是：不能把深基坑工程作为一个孤立的问题来考虑，仅侧重勃 于基坑围护结构强度控制难以达到保护周围环境的目的，而要把深基坑工程与周围环境作 为一个整体系统加以分析，设计力求从强度控制转变到变形控制i ，】。 胡一峰、陈永福、刘国彬等先后通过对支撑刚度、挡墙刚度、基坑形状和土的力学性 质对变形的影响作了详细研究：张鸿儒通过数值计算，研究了开挖对于地下管线等地下工 程设施的影响：刘金元针对基坑工程中环境对策问题，提出了循迹补偿原理：李大勇、龚晓 南运用三维有限元法成功进行了地下管线位移与内力计算，预测由基坑开挖引起的地下管 线变形。 4 1 支护结构及施t i 艺研究深基坑工程的实践性很强，常常表现为实践先于理论。在 多年来的深基坑工程实践中，己有的支护结构型式逐步得到发展和完善，也不断有新的支 护结构型式出现并得以应用【8 】。由于支护结构型式繁多，有关支护结构型式优化选择的研 究逐步得到重视。在施工工艺方面，其中最为突出的是土钉墙方案大量实施，使得喷射混 凝土技术得以充分的运用和发展，内支撑和可拆除式锚杆等新型锚杆逐渐得以推广和运用， 用悬喷桩或深层搅拌桩来构筑止水帷幕的方法应用较多，在基坑降水时采用回灌技术减少 地面附加沉降的工艺发展较快，为减少坑壁土体的侧向变形，基坑内外双液快速注浆加固 西安t 业人学硕十学位论文 土体的工艺运用较多。 1 2 3 深基坑支护结构选型方法研究现状 目前，深基坑支护结构选型的常用方法是人工方法，但近年来也出现了一些新的选型 方法或选型辅助方法。归结起来，主要有以下几种： 1 ) 直接经验判断法传统的深基坑支护结构选择方法是经验判断法，即设计人员根据个 人经验和地区特点进行分析、类比和推理，从而得出一个最优实施方案。事实上，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，仅用直接经验判 断法很难达到既安全又经济的效果。 2 ) 层次分析法【9 l 深基坑支护方案的优劣受众多因素影响，应用层次分析原理，将复杂 的深基坑支护方案决策问题层次化，并根据深基坑支护系统的特点建立层次结构模型，通 过逐层分析比较，选出最优支护方案。 3 ) 灰色系统理论与方法0 0 1 根据灰色关联分析原理，将影响待决策的深基坑支护方案的 众多因素的理想解指标值组成比较数列，影响深基坑支护方案决策的实际指标值组成参考 数列，根据灰色优化理论模型得出综合的深基坑支护的最优支护方案。 4 ) 模糊综合评判法【l l 】模糊综合评判法是一种定性、定量相结合，解决涉及多个指标( 或 因素1 的事物的评价问题的方法。在分析深基坑支护方案优选的影响因素的基础上，提出 方案评判的指标体系，应用模糊综合评判理论建立深基坑支护方案的模糊优选模型，可以 较全面、清晰、有效地评判这一有众多因素制约的复杂系统，从而得到最优支护方案。 5 1 推理网络法 1 2 1 深基坑支护体系的推理网络，是将影响因素与支护方案之间的关系形 成推理网络图，各种因素对支护方案的影响程度则采用专家排序打分的方法确定，然后通 过算法和评价，用定性的方法推理决策出优化方案。推理网络方法的实质是产生式专家系 统的一种拓展和归结。 6 ) 类比学习法0 2 1 类比学习就是当一个设计对象进入系统后，不是通过规则知识的推 理，而是通过与己知工程进行比较，而得出设计方案的一种决策方法。该方法是通过样本 库与当前设计的己知属性的模糊距离来实现的，即依据贴近样本和当前设计的己知属性 ( 如基坑几何特征、地质条件、环境条件等) ，来确定当前设计的未知属性( 支护结构类型) 。 其学习模型包括模糊聚类、模糊识别、模糊匹配和模糊评价四个步骤。 把推理网络和类比学习结合起来，一定程度上克服推理网络的主观局限性和类比学习 的客观局限性，能更好地用于深基坑支护方案选择。 n 计算机辅助优选方法【1 3 】近年来，随着计算机技术的发展，利用计算机强大的储存和 计算功能，基于计算机技术的改良选型方案得到了较大发展。中南大学的李廷做了基于关 系数据库的专家系统在深基坑支护结构选型中的应用研究：现在市场上出现的“深基坑支 护之星”软件和同济“启明星”深基坑系列软件也都是以人机配合的方式，在计算机上进行 半自动或自动设计，对深基坑支护结构型式的优化选择有一定的推动作用。 4 西安t 业人学硕士学位论文 1 2 4 深基坑支护结构选型决策现状 目前工程实践中的选型现状不容乐观，主要呈现两大特点：一是设计人员对选型上不 够重视，在设计上重支护结构的定量计算与优化，习惯借鉴地方经验做法，却无视支护结 构选型决策这个首要的关键问题，这往往导致非最优方案在工程中的运用；另一种情况是， 设计人员虽然思想上重视支护结构选型决策工作，但目前存在的选型方法大多比较复杂、 难于掌握，可操作性不强，设计人员在工程实践中不能自觉的采用而放弃了最优方案的寻 找。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 问题的提出 深基坑支护结构设计首先是根据地质勘察报告和环境调查结果进行分析，合理选择支 护结构型式，再进行适当的细部优化，使深基坑工程的安全性、可靠性、经济性、施工便 捷性和环境要求等综合目标最优。所以，合理的选择深基坑支护结构型式是深基坑支护结 构优化设计前提性和关键性的一步。 支护结构的型式的选择不仅要考虑深基坑的几何尺寸、场地工程地质和水文地质条 件、基坑周边环境、施工作业设备、施工季节，还要充分考虑费用和工期要求，以使所选 择的支护结构方案满足技术合理性、施工可行性和经济性要求。但由于选型所涉及到的因 素具有较大的模糊性和不确定性，在数学推理上不完备、不严密，更大程度上是一种经验 知识，无法用传统的选型方法和数值方法进行分析，导致多年来深基坑支护结构选型在方 法上的突破并不大，目前多沿用传统的人工选型方法。 人工选型方法即工程设计人员根据设计目标要求及一些约束条件，对照以往工程经 验，采取类比推理的方法进行支护结构选型。这种选型方法强调设计人员个人的领域知识、 工程经验和判断能力，较大程度上受到个人知识、经验、能力、主观判断的局限和制约， 难以做到科学、准确、可靠。另一方面，在设计进行过程中或完成后，常出现新的工程情 况，或者委托设计方提出新的要求，选型设计的边界条件发生相应变化，设计人员又得重 新进行方案比选，增大了设计工作量。传统的人工选型方法存在的弊端显而易见。如何提 高深基坑支护结构选型的科学性、准确性、可靠性和智能化程度成了一个亟待解决的问题。 1 3 2 本文研究的内容 根据深基坑工程研究现状及存在的问题，本文主要作了以下几个方面的研究工作。 1 ) 在分析了基坑支护的现状、存在的问题及发展趋势，介绍了常用的基坑支护方案及 其各自优缺点的基础上，总结了黄土地区常用的几种基坑支护方案的设计计算方法。 2 ) 在阐述基坑支护方案优选的重要性和必要性的基础上，提出了基坑支护优选的模式， 主要用到了层次分析法及模糊综合评判法，对其进行了详细的介绍并验证了用层次分析法 两安工业人学硕士学位论文 确定权重的合理性。 3 ) 将多层次模糊综合评判法应用到工程实例当中并对安徽淮南某卸煤沟工程进行了支 护设计计算。 本文对解决当前深基坑工程设计和施工中存在的问题，提高企业的经济效益和社会效 益都具有十分重要的理论和现实意义。 6 2 深基坑支护t 程相关问题及常见支护类型 2 深基坑支护工程相关问题及常见支护类型 2 1 造成基坑工程事故的原因分析 基坑工程涉及领域广，技术难度大，工程事故多，造成的损失严重。查明各种深基 坑工程事故的原因，是把我国基坑开挖与支护技术提高到一个新水平的必要条件。通过对 我国各地百余起深基坑事故的调查分析，造成基坑工程事故的原因可以概括为以下几个方 面14 1 。 2 1 1 支护结构选型不当 深基坑支护结构形式的选择，取决于基坑实际开挖深度、土体的物理力学性质、地下 水位、周边环境、设计变形要求以及施工条件等因素。一些施工单位由于对深基坑支护重 视不够，轻率地套用一种支护结构，结果问题百出，事故隐患极大。 2 1 2 实际的主动土压力大于设计值 土压力的计算是支护结构设计的核心，但是，实际的土压力在从基坑开挖到地下结构 完工的过程是变化的。 雨季、涨潮期、周围地下管道漏水等都会使地下水位上升，土的粘聚力降低，内摩 擦角变小，基坑的侧土压力增大，造成基坑支护结构严重变形甚至破坏。 由于施工场地有限，挖出的土方以及大量的钢筋、水泥等建筑材料堆放在基坑边， 造成基坑周围地面严重超载，侧土压力增大，使基坑支护结构变形。 不按正确规程作业，如大型挖土机工作时离支护桩太近，并反铲挖土，使支护桩承 受很大的侧向力，引起严重变形。 2 1 3 防水、排水、降水措施不当 水是深基坑工程的大患，我国9 0 以上的深基坑工程事故是在大雨后发生的，深基 坑的防水、排水和降水关系重大。 基坑开挖、支护以及地下结构施工的时间跨度大，却不做坡顶护面及坡顶排水沟， 遇到大雨时，轻者冲刷围护结构，威胁周围建筑物，重则冲垮支护结构。 高水位地区的基坑开挖，未做止水帷幕，在基坑内大量降水，引起基坑周围一定范 围内的基础土随着降水漏斗曲线的形成而产生不均匀沉降，使周围建筑物、道路及地下管 线等设施下沉、开裂甚至破坏。 基坑周围的地下水管年久失修，基坑的开挖很可能造成水管的渗漏，如不提前妥善 处理，会给基坑工程造成很大的麻烦。 7 西安工业大学硕上学位论文 止水帷幕的设计未考虑基坑的地质条件和不同的开挖深度，采用同一长度单排水泥 搅拌桩止水，并且搅拌桩未穿透粉细砂层，造成基坑内严重漏水。 2 1 4 锚杆失效 锚杆设计的位置不当，使支护结构的抗力不足，引起支护结构大变形。 锚杆的长度不足，不能阻挡基坑的整体滑移。 由于地面排水措施不完善，大量雨水下渗；或地下水管渗漏，使地基土的粘聚力降 低和内摩擦角变小，锚杆的锚固力降低，导致锚杆失效。 由于地基土的冻胀作用，使锚杆的锚固力下降。 由于机械振动使地基土内孔隙水压力上升，有效应力下降，从而使砂土液化，粘土 产生触变，降低锚固力。 2 1 5 支撑结构不合理 支撑式支护结构是应用较广的一种支护形式，其整个支撑体系基本呈受压状态，杆件 和体系的稳定，不容忽视。 基坑平面尺寸较大时，采用钢管内支撑，由于钢管压弯变形，使结构产生位移。 支撑的节点数少，联结不牢固，使支撑杆下挠，产生弯曲变形，达到一定程度后， 丧失支撑作用。 首道支撑位置太低，使支撑结构顶部位移过大。 支撑间距过疏，使支撑杆件产生过大的弯曲变形。 2 1 6 基坑土体稳定性不足 支护结构插入坑底土体的深度不够，被动土压力不足，使支护结构的稳定性差，甚 至基坑坡角滑动，坑底土体大面积隆起，引起整体滑动。 在饱和粉细砂场地的基坑内降水，土体会因坑底的管涌而失稳。 2 1 7 淤泥地基发生触变 在淤泥或饱和软粘土场地，采用锤击式预制钢筋混凝土桩作为工程桩及支护桩，布 桩密，锤击数多，使地基土严重挠动，孔隙水压力急剧上升，短时间内不能消散，土体产 生触变，强度迅速下降，桩体挠曲，甚至断裂。 在淤泥或饱和软粘土场地，不降水开挖基坑，由于挖土、运土设备的扰动，土体抗 剪强度下降，使基坑周围土体产生滑动，导致支护结构向坑内移动。 2 1 8 设计的安全储备过小 设计时为了节约，过大地折减主动土压力，减少支护结构的配筋，在基坑周围土质 发生不利变化时，导致支护结构较大的变形。 设计人员缺乏经验，许多必要的经验做法如联梁、护面等被忽略，从而埋下隐患。 两安t 业人学硕上学位论文 2 1 9 施工管理水平低且施工质量差 施工单位监测技术落后，或根本未进行施工监测，支护结构由小位移发展到大位移。 施工单位对监测数据分析不够，出现危情时，不能及时作出正确处理对策，采取合 适的应急措施，从而招致灾难。 施工时，随意改变设计意图，不严格遵守施工程序，从而造成事故。 施工质量差，灌注桩强度达不到设计要求，止水桩起不到止水作用，基坑开挖后， 到处流泥漏水，事故隐患极大。 当然，上述每个原因，只是造成某个深基坑事故的一个主要方面。一般来说，每起深 基坑事故都是由许多不利因素共同引发的，这与深基坑工程的设计、施工、工程监测及工 程管理密切相关。因此，不能以简单的方式处理复杂的深基坑事故，这是十分重要的1 2 2 深基坑支护工程当前存在的问题 2 2 1 支护结构设计计算与实际受力不符 目前，深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论，但支护结构的实际受力并不 那么简单。工程实践证明，有的支护结构用按极限平衡理论计算的安全系数，从理论上讲 是绝对安全的，但却发生了破坏；有的支护结构却恰恰相反，即安全系数虽然比较小，甚 至达不到规范的要求，但在实际工程中仍获得成功。这说明极限平衡理论中的参数选择及 方法体系都存在一些不足，还有待改进和完善【- s l 。这也不难理解：极限平衡理论是深基 坑支护结构的一种静态设计，而实际上开挖的土体是一种动态平衡状态，随着时间的延长， 土体强度逐渐下降，并产生一定的变形，在设计中本应给予充分的考虑，但在目前的设计 计算中却被忽视掉，这就造成了设计计算方法的不完善，甚至一定程度上的不适用。 2 2 2 设计中土体的物理力学参数选择不当 由于在深基坑开挖后，土体物理力学参数是可变值，使得相应参数值的选取十分复杂， 沿用库仑公式或朗肯公式，很难准确地计算出作用在深基坑支护结构上的土压力大小。土 体物理力学参数的取值对计算结果产生很大的影响，参数选择不当，则直接威胁到支护结 构的安全性。 2 2 3 深基坑开挖存在的空间效应考虑不周 深基坑开挖中大量的实测资料表明：基坑周边土体向基坑内发生的水平位移是中间大 两边小，深基坑边坡失稳常常发生在长边的居中位置，即基坑开挖与其空间分布有直接关 系，这说明深基坑开挖是一个空间问题。而传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问 题处理的，忽略了开挖的空间效应，这会对近似长方形或长方形的深基坑，特别是软土地 区的深基坑的支护结构设计造成较大偏差f 1 6 】。在设计过程中，应对支护结构的构造进行 适当调整，以适应基坑开挖的空间效应要求。 9 西安工业大学硕上学位论文 2 2 4 深基坑土体的取样具有不完全性 对地基土层进行取样分析试验，取得较为准确的物理力学指标，才能为支护结构的设 计提供可靠的依据。但在勘察时一般按照国家规范的要求进行钻探取样，为减少勘察的工 作量和降低造价，钻孔数量非常有限，所取土样具有一定的随机性，特别对于地质构造极 其复杂、多变的场地，所取得的土样不可能全面反映地基土层的真实性，这可能导致后续 支护结构的设计具有一定的偏差，不能完全满足实际支护需要。 2 3 深基坑支护工程的发展趋势 随着深基坑工程的发展，深基坑支护结构工程的设计和施工都得到了较好发展，与此 同时，现有设计理论和施工技术的不足之处也逐渐显露出来，这无疑会刺激和推动深基坑 支护结构工程设计理论和施工技术的发展和进步。专家分析，深基坑支护结构工程在未来 的发展中将呈现出下列新的趋势。 2 3 1 深基坑支护结构方案优选 深基坑支护结构的设计与施工不同于上部结构，除地基土类别外，地下水位的高低、 土的物理力学参数指标及周边环境等因素都直接与支护结构的型式选择有关。要做到支护 结构安全可靠、施工顺利、节约工期、节省费用并具有良好的社会效益，合理选择支护结 构型式是最首要的关键性问题。可见，支护结构型式的优化选择是深基坑支护技术发展的 必然趋势。 2 3 2 从强度控制设计到变形控制设计 深基坑工程周边的道路、建筑物和地下市政设施管线抵御变形或不均匀沉降的能力有 一定限度，但在现有的以强度控制为主的设计中，较少关注支护结构工程对周围环境的影 响，从而造成许多工程的周边环境发生一定程度的破坏或事故。因此，既要保证深基坑工 程的强度和稳定性，又要保证基坑周围的道路、建筑物和地下市政设施管线的安全性，从 强度控制设计到变形控制设计的转变是关键，是发展的必然趋势。 2 3 3 计算参数的取值必须考虑施工因素的影响 在现行深基坑工程设计规范中，对计算参数的取值往往是给定一个区间值，而且这一 区间很大，工程设计人员一般是根据经验进行判断和取值，存在较大的随意性和任意性。 事实上，为做好精确计算，特别是变形预测，必须要考虑施工因素对设计参数的影响，即 利用现场测试的基坑变形数据，建立能包括施工条件在内的各种复杂因素的参数计算方 法，反分析出相关计算参数的取值，用以作为工程设计和变形预测的依据。特别是对于一 些施工过程便于调整和动态控制的支护结构，如土钉墙支护结构，不仅可以在一次性设计 的参数取值中考虑施工因素的影响，还可以分阶段设计，根据实际施工监测值进一步反分 析出计算参数，调整下一阶段的计算参数值以优化设计。 l o 两安t 业人学硕j 二学位论文 2 3 4 更加重视工程实践 深基坑工程的开挖与支护包含土力学强度与稳定问题，位移与变形问题，土与支护结 构相互作用问题以及环境岩土工程问题，深基坑工程具有显著的个性和很强的区域性，是 地下工程施工中内容丰富且极富变化的领域，这就决定了深基坑工程必须注重工程实践， 把施工过程中可能发生的时空效应和各种不利因素考虑进去，编制切实可行的施工组织实 施方案，在实践环节中具体问题具体对待，并在对具体问题的处理中积累经验，才能更好 地推动深基坑支护结构工程的整体向前发展。 2 4 建筑基坑支护设计原则 为了保证基坑工程的安全，必须具备严谨的科学态度，既要重视工程经验，同时又要 十分注意理论指导，以便防患于未然【l7 1 。基坑工程设计施工的一般原则为： 1 ) 重视基本理论的指导作用 尽管土力学理论与计算方法尚远不能解决基坑工程中出现的所有问题，也不能时常提 供“精确”的计算结果，唯有结合实际工程经验加以应用才是上策。但是，所有成功的工程 与土力学、结构力学所揭示的基本理论是一致的，并可能是对其理论和计算的补充、完善。 当前，以研究软土流变性质与工程经验相结合的“时空效应”理论及其对工程的指导作用就 是成功的例证之一。相反，一些失败的例子，总是在某些方面违反了基本理论所确定的规 t 。 则。 2 ) 设计中计算分析全面，避免“漏项 ，并且应考虑各种不利条件下的“工况 土质指标及抗力系数的选用要把理论与当地工程经验相结合。对可能遇到的雨季等自 然条件变化，尚应考虑强度降低的可能性f 1 引。对于基坑通过不同加固之后的计算指标， 目前只能根据试验和当地经验加以确定。 3 ) 做好基坑工程总体方案的选择 鉴于基坑工程的复杂性和风险性，要求设计者掌握本地区或类似条件下成功的经验和 失败的教训，根据自身工程要求和条件综合考虑，做出安全、可靠、经济的整体方案( 包 括支护结构、支护体系、土方开挖、降水、地基加固、监测和环保等) 。 4 ) 做好