第1章 绪论.doc

第1章 绪论1.1研究背景和意义1.1.1概述 随着国民经济和城市建设的迅速发展，近年来，我国城市化进入了一个新的发展时期，城市的数量、规模以及城市人口都有了巨大的增长。同时作为城市化的产物之一高层建筑不仅在数量上越来越多，而且在高度上也越来越高。据1995年初步统计，我国高层建筑高度超过100米的己有100多栋，正在设计和加紧兴建的200米以上的高层建筑有26栋，其中6栋超过300米。相应地，基坑开挖的深度也越来越大，如武汉的国贸大厦基坑开挖到地面以下16.8米，北京市经贸委大楼，地下四层结构，基础埋置深度为地面以下30米，上海的经贸委大厦主楼基坑预计开挖到地面以下32米。由此可见，我国高层建筑数量的越来越多，建筑面积越来越大，基坑向大深度、大面积方向发展已成为必然趋势。 目前，许多高层建筑在密集的建筑群中施工，由于施工场地狭窄，邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，深基坑开挖不可盲目放坡，而且对基坑稳定和位移控制要求很高，使得深基坑工程的设计与施工难度越来越大，深基坑降水就是其中之一。 在地下水位较高的地区开挖基坑时，含水层被切断，地下水会不断渗入到深基坑内。为提供地下工程作业条件，防止与地下水有关的涌砂、边坡失稳及地面变形、地基承载力下降等危害，必须对地下水进行处理。特别是对位于沿海、沿江的大城市来说，深基坑开挖中的降水问题显得尤为重要。如我国长江中下游沿岸城市大都位于长江一级阶地之上地基呈典型的二元结构，上部由透水性弱、力学强度低的粘性土层组成，下部由力学强度高、透水性强的砂、砾、卵石层组成，富水性好，在两层结构之间，间或出现厚度不一的粉砂过渡层，抗渗强度低，这样更增加了地下工程支护与施工的难度。 由于基坑开挖时，支护一般只是临时性工程，提供设计的基础资料不足与所处理的工程复杂性之间常形成矛盾，导致目前降水设计中存在许多局限。近10年间，由于基坑开挖深度过大，地下水位高，地基土质软弱等不良地质条件，加上深基坑开挖支护技术不成熟，施工队伍素质低等一系列原因，导致了我国深基坑工程失事频繁，由此造成的损失高达数十亿元，同时产生恶劣的社会影响。深基坑失事的主要原因涉及两方面的问题。一是深基坑支护体系失稳;二是深基坑开挖引起周围环境条件的恶化。主要表现在:基坑坍塌，地层过度变形，地面沉降，地下管线断裂事故。在基坑开挖与降水过程中，边坡的地下水产生较大水力坡度，地下水向坑内渗流易产生管涌，流砂和坑底隆起【1】。实践中还常因帷幕结构防渗条件差，引起坑外水土流失造成地层产生位移与沉降;当基坑以下有一高水头的承压含水层，在基坑开挖至一定深度后，坑底至含水层顶板之间的土体压力小于承压水的浮托力时，坑底就产生突涌，使围护结构产生不均匀沉降;此外，有些工程虽已认识到降水工作的重要性，为了给施工创造良好工程条件，保证施工质量和安全，进行大量抽水，忽视了因降水而引起的环境问题。上海某隧道复线工程，在基坑开挖中采取井点降水，抽水过程中引起附近地面塌陷，深度达5米之多，由此可见，不合理的深基坑降水对周围环境影响不可忽视。为了做好深基坑降水工程设计，水文地质勘察工作十分重要，必须查清地下水的埋藏条件，分布规律，富水性，水文地质参数，地下水动态，补给与排泄条件以及与地表水体的关系等。这样才能合理地选取降水方案，既达到地下水位(减压)确保安全施工，又不致于对周围环境产生太大的影响，不引起较大的沉降与侧向位移。1.1.2建筑工程基坑的发展概况 改革开发以来，随着我国经济建设、城市建设和建筑工业的迅猛发展，许多高层、高层建筑及道路、桥涵、地下管线、地质灾害治理等工程建设项目，如雨后春笋般的拔地而起。城市建设的发展，带动地下空间的发展，目前各类用途的地下空间已在世界各大城市中得到开发利用，诸如地下停车库、地下街道、地下商城、地下医院、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。同时，地下工程建设项目的数量和规模也迅速增大，如高层建筑物基坑、大型管道的深沟槽、越江隧道的暗埋矩形段及地铁工程的车站深基坑等。近20年来，我国己建成高层建筑累计超过1.3亿厅，到2002年，我国已建成100m以上的高层建筑约320幢，且有几十幢200一3oom及以上的超高层建筑正在计划设计或施工中【2、3】。像上海金茂大厦，地上88层，塔楼的开挖深度达一19.65m，裙房开挖深度为一-11.5m，基础开挖面积约2万，楼层高度达420.5m;深圳地王大厦高达325m;广州中天大厦高达322m;它们跻身于当今世界20座超级巨厦之列，令人瞩目【4】。还有为了迎接2008年第29届奥林匹克运动会在首都北京举行，进行的奥林匹克运动场基坑的开挖，也属于深大基坑之列。伴随着更多深大基坑工程的设计和施工，我国的深基坑工程技术正随着工程实践不断地成熟起来。1.1.3水利工程基坑的发展概况在中国几千年的历史中，农业一直是社会经济的主要部门，而水利则是农业的命水利的发展不仅对于中国古代社会经济的发展起着至关重要的作用，同时对现代我国的济建设仍然起着十分重要的作用。从大禹治水开始，我国治水的历史己有几千年。几千来，水利活动绵延不断，水利成就举世无双。古代劳动人民修建了郑国渠、都江堰、灵大运河等大批水利工程，在历史上对于经济社会发展起过重要的作用【5。新中国成立来，水利建设一直受到党和政府的高度重视，特别是改革开放20年来，我国水利工程设事业得到迅猛发展，取得了举世注目的伟大成就。经过60年来的水利工程建设，初1绪论控制了洪涝灾害，在防洪、灌溉、供水、发电、航运、水保等方面发挥了巨大的社会效益环境效益和经济效益，为促进国民经济和社会发展做出了重大贡献【6，。目前我国许多大型水利设施都在完建和正在建设之中，随着三门峡、丹江口、葛洲坝官厅、观音阁等一大批水利水电工程的相继建成，特别是三峡、小浪底、二滩等巨型水工程的建设，标志着我国水利工程建设迈上了新台阶，跨入了世界先进水平【”。水利工程的建设推动了水利基坑的建设发展，在许多大型水利工程中，由于工程地条件和水文条件非常复杂的地区，同时这几年的水利工程规模也越来越大，如目前世界最大的水利枢纽一三峡水利枢纽，这样必然会带来更深、更大和更为复杂的水利基坑建设因此，水利基坑朝着更深、更大、更复杂的方向在发展着。1.2基坑降水的研究现状随着近年来水利建设工程的地质、水文条件越来越复杂，大型水利基坑的设计和施是一个不容忽视的话题。同时由于高层建筑、地铁、隧道、地事等工程的深开挖8、”(DeePExcvaation)，深基础工程和地下空间的开发利用己日益成为建筑工程中一个引人目的技术难点和热点问题。无论是水利工程的基坑，还是建筑基坑，深基础工程的设计施工是一个涉及工程、水文、地质、程结构、工程施工、工程管理的系统工程，是融岩工程、结构工程、工程施工程管理的系统工程，是建筑、水利行业科技进步和发展的标之一。尤其10年来我国基坑工程得到迅猛发展【。、“，大量的工程实践大大丰富和提高国在基坑工程领域内的技术水平。但是，基坑工程是实用性、经验性极强的学科，是随工程实践不断提高的学科。近10余年的工程实践既有大量成功的经验，也有失败的教训，更有一系列有待进一步解决的问题，如在基坑开挖过程中，有的含水层被切断，地下水可避免地会不断渗入到基坑内，由此引来了基坑方面的问题，如何控制好地下水，减小对基坑开挖和周围环境的负面影响，成为深基坑开挖与支护工程中一个十分重要的方面，成为现代城市高层建筑和枢纽建设的重要岩土工程问题之一，而且基坑降水的成功与否，将关系到整个施工过程的进展，同时也关系到施工人员的性命与安危，对地下水处理的坏，是基坑工程成败的重要因素，是深基础地下建筑物施工中一个重要而又较难解决的工环节，如果基坑降水失败，轻则可能造成施工进度缓慢、影响工程施工进度和增加工投资，重则造成基坑报废，甚至人员伤亡，因此基坑降水应引起高视。虽然基坑降水越来越引起人们的高度重视，但因基坑降水失败而发生的事故也屡屡现，如天津无缝钢管总厂某基坑工程事故，由于没有采取有效坑降水，当基坑开挖完毕，发现设备桩和支护桩均向基坑方向位移、倾斜，不断增大，基坑边坡出现裂缝，支护桩移800一1200llull，主扎机基坑中的桩位移超过400Inln的占78.5%，位移超过600Inln的占42.8%，若按国家规范的允许偏移量为截面边长的50%，则有90%桩的位移量超出规范允许值，情况在基坑工程中较为少见【2。这样，就促使工程技术人员以新的眼光来审视工程这西安理工大学硕士学位论文古老课题，使许多新的经验和理论的研究方法得以出现和成熟。基坑降水技术早在1896年德国建造柏林地下铁道时就开始采用。随后世界各国在建水坝、水电站泵站、隧道、高层建筑的地下室、市政工程等工程中分别采用了不同的水方法。在我国，井点降水方法是新中国成立后才逐步发展起来的，早在五、六十年代，在北重工业基地建设、鞍山钢铁公司、包头钢铁公司、太原钢铁公司等重大工程项目建设采用了轻型井点、喷射井点降水取得良好的降水效果【3。我国沿海一带如上海、天津广州等地先后广泛地应用管井降水并取得成功。进入八十年代以后，建筑与市政工程迅发展，特别是高层建筑发展非常快，这些高层建筑都有一至二层地下室，个别的有三层下室，这些地下室的基坑开挖都需要进行基坑降水，极大地促进了基坑降水技术的发在基坑开挖施工中，为了避免产生流砂、管涌，防止坑壁土体坍塌，保证施工安全工程质量，必须对地下水进行有效的治理。在基坑工程施工中，对地下水的治理一般要两个方面进行，一是堵截地下水;二是降低地下水位。目前，国内外对地下水进行堵截方法有钢板桩、地下连续墙、稀浆槽、夹心墙、防渗垂直帷幕、防渗水平帷幕及冻结法当地下水位高于基坑底面时，应进行基坑降水，我国在1965年的北京地铁施工中采用深井降水;到七十年代，己发展到采用电渗法、真空法、喷射井点等单项技术或多项技综合应用的局面，最大降水深度达186m，最大排水量达3000m3/h。1.3基坑降水井群优化的研究现状基坑排水是施工中为排除地下水干扰，保证施工安全和工程质量而广泛采用的必要施，常用的方法有明沟排水和井点降水两种。而关于基坑降水井群的布置有多种方法，据不同的地质条件，地理状况有不同的布置形式，但很显然，基坑降水井的数量越多，间距越密集，井底深度越大，抽水量越多，地下水位下降得越多，因此基坑底板也就越全，但是与之同时增加的还有基坑降水所需的成本，以及井深加大后，井周围渗透坡降否还能得到保证等问题均会出现。人们在基坑降水井的布置中总是希望在给定的条件下到在技术经济上尽量符合理想的设计方案，因此如何合理地布置降水井群的数目、位间距及合理地确定降水井的井底深度和井半径成了降水工程设计中设计者们不得不着考虑问题。一个正确的深基坑工程降水设计，既要保证整个基坑地下水位降到要求的地下水又要保证基坑的安全。在安全的前提下设计要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工因此，深基坑工程降水的优化设计主要从以下几方面进行:(1)技术的可行性、先进性以及施工工艺的可行性;(2)经济效益;(3)环境影响;1绪论(4)工期。“优化设计，”是现代补算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根据优化原理和方法综合各个方面的因素，以人机对话或“自动搜索”的方式，选出在现有程条件下的最佳设计方案的一种设计方法。现如今，最优化方法在结构设计、系统工程计、机械设计等领域得到了广泛的应用，在实践中发展成为了一门新兴的学科。实践证明，利用优化设计方法和计算机，可使设计周期大大缩短，设计效率大大提高。己有资料表明，优化设计方法可比传统设计方法节约5%一10%的资金。优化设计是现代工程分析最佳设计的四种主要方法之一。这四种方法是有限元分析最优化分析、动态设计和数值仿真。最优化方法是根据目标要求和条件限制，建立待最化问题的数学模型，通过反复迭代数学模型中设计变量的灵敏度来确定每个变量，然后到结点的新位置，并在模型中自动修复，直到满足灵敏度要求。与最优化方法几乎同时发展形成的另一门新兴学科人工智能，是研究尽可能地用机体现或模拟人的智能行为的科学。人工智能的研究方向是:对各种模型(包括专家系统基于逻辑的心理模型、神经元网络模型、定性物理模型及可视知识模型等)的获得、表及使用的计算方法。人工智能理论中有以下两个分支可用于问题的优化处理:一种是人神经网络，是一种结构化模型，它由一定数量的神经元以及一定的权值联系而成，不同组织结构，构成不同的模型，描述不同的对象，具有不同的性能，实现不同的目的。它以用于联想记忆和优化计算等。另外一种是遗传算法，是在计算机上模拟生命进化机制，它根据适者生存，优胜劣汰等自然进化规则进行搜索计算和问题求解。对许多数学上难求解或明显失效的问题，特别是最优化问题，遗传算法提供了一种新途径。现今，己出将人工神经网络、遗传算法、模拟退火及禁忌搜索等算法规划是为现代优化计算方法之念。对于基坑降水来说，目前，在国内降水井群方案布置的优化设计己有多人进行过研究，优化设计的目标函数的选择有多种，大多数是以工程造价最小为目标函数，即以较低的价而达到降水的目的，也有以井深、井距的合理配置达到最佳效果为优化条件。李金轩“以总排水量最小为目标函数，在保证基坑安全施工的前提下，使得每口井以最佳排水量行抽水，且满足排水井数目最少，进行井群的优化设计。同时虎维岳【6也以总疏水量小为目标函数，以井位和疏干水量为决策变量，以不同点的疏干降深为控制约束条件，修正单纯形优化计算的方法和理论，对矿井疏干井群进行优化设计，而王彩会“，则以坑降水出水量最小作为目标函数，应用Excel的线性规划方法进行井群优化设计，以尽能小的降水量将区域地下水降低到预定的水位;滕凯“8、柳宝田、张永亮“，以基坑井排水的总费用最小建立目标函数，采用非线性规划的方法，对基坑井群降水进行优化设计郭金敏【川采用大井法计算出基坑涌水量、单井出水量，确定出井眼数、井间距，后采井群互阻公式来验证设计降深是否满足，来对基坑降水井进行布置设计;王晓霞、温天胜万怡、孙敏2采用三种不同降水井布置方案进行反复计算比较，最后得出最优化的方案西安理工大学硕士学位论文苏凤全、尤春峰、张焕【22智根据实际抽水实验数据，建立相应的经验方程，进而进行坑降水井群布置方案的对比分析，从而取得较理想的效果;刘秀婷、李存法、夏传良把有限单元法用于基坑降水工程，并给出数学模型、计算方法及程序运用技巧，则可以确、快速地进行基坑抽降水超前模拟计算，依此进行基坑降水的优化设计，结果通过工实践检验，此法是基坑降水工程优化设计的一种有效的数值计算方法，取得了较好的效还有关锦荷等用排水沟代替排水井列的有限单元法分析渗流场2。因此，对于基坑井降水来说，其方法众多。1.4影响基坑降水工程质量的主要因素(l)降水方案的设计是否合理是影响基坑降水工程质量的首要因素降水方案设计应用技术可行、经济合理，这是保障降水工程质量的前提。由于基坑水工程水文、地质条件的复杂性和特殊性，降水场地内地下水的埋藏条件、各含水层的力参数等的不确定性，还有施工方案中施工说明不明确、不详细，例如成孔方法、井管料、滤料规格、洗井方式等要求不明确，这些都会影响基坑降水方案的成功，对于降水案的成功与否，除了受客观因素影响之外，也有人为的主观因素，那就是设计人员在不入了解、分析研究降水参数的前提下，尽凭借经验对基坑工程进行降水方案设计，这也导致基坑降水失败的主要因素之一。(2)施工质量的好坏是影响基坑降水工程质量的关键因素许多工程实践证明施工质量问题是影响设计方案实施成败的关键。设计方案合理但工时不按设计要求施工，随意改变或省去某些施工工序，势必影响基坑降水工程质量，终导致降水失败。因此，希望在进行降水方案设计时，必须全面了解工程情况，包括水地质条件、施工条件、工期要求、经济造价等，要有两个以上方案相比较，才能得出最的降水方案【5。1.5本文研究的主要内容近10年的水利工程基坑和建筑基坑工程实践表明，在基坑降水工程中既有大量成的经验，也有不少失败的教训，更有一系列有待进一步解决的问题。降水工程的优劣是响基坑支护、基础工程施工等其它后续工程能否顺利进行的关键。因此，认真分析影响水工程质量的原因，总结降水工程中的经验教训，探索提高基坑降水工程质量的措施，水利事业和城市现代化建设的发展有着重要的现实意义。因此，对基坑降水的设计和施做一专门研究非常必要，也很有实际意义。目前，由于对基坑降水井群优化布置方案的规方法中，比较常见的是“大井”法和有限单元法，“大井”法用于降水井群的优