基坑支护方案的分析和优化

-摘要深基坑工程设计与施工是一项系统工程，由于土体介质的复杂性及工程中其它不确定性因素的影响，全部采用确定性分析很难保证较好的反映实际情况，以概率统计为基础来分析结构破坏概率的可靠度理论的引进是一种必然趋势。根据工程实际拟定几个方案，从中优选一个相对最优的设计是一项重要任务。本文分析了深基坑工程支护原则、支护类型和适用条件，并在可靠度理论研究的基础上，应用概率极限状态设计的基本理论，对深基坑工程支护方案的可靠度进行了分析研究。主要内容为：可靠度分析的基本方法；深基坑支护可靠性的概念、意义以及可靠度模型的建立方法；建立了支护结构极限状态方程和可靠度模型。在实际工程中，由于深基坑支护体系选型受到许多因素的影响，有些因素相对较模糊，不容易量化。本文运用模糊综合评判理论，以减少问题的模糊性和复杂性，使问题的解决在准确和简单之间取得平衡，并针对基坑工程方案的多属性和最优决策进行研究，通过对模糊综合评判法的研究，把它的原理应用于基坑支护工程，对不同的方案进行优选评价，选出最优方案。通过工程应用实例，证明可靠度分析与模糊综合评判对深基坑支护方案的设计和选优具有一定的实用价值。关键词： 深基坑； 支护方案； 可靠性分析模糊综合评判； 方案优选；精选资料目录第一章绪论111选题依据112国内外研究现状2l.3研究的主要内容及思路4第二章深基坑工程支护的设计原则和常见支护类型721深基坑工程支护的设计原则723小结10第三章深基坑工程支护方案的可靠-陛分析1231概述1232可靠性与极限状态方程12321可靠度理论概述12322基坑工程的不确定性13323极限状态方程1433深基坑工程支护方案的可靠性分析15331岩土参数的处理15332可靠度指标(B)的确定与推导17333可靠度指标B的取值1934小结20第四章深基坑工程支护方案优选研究2141模糊综合评判的模型与方法21411模糊综合评判的初始模型21412多层次综合评判方法2342模糊综合评判在深基坑工程支护方案中的应用24421深基坑支护体系影响因素分析24422模糊综合评判在深基坑支护方案中的应用2443小结25第五章工程应用实例2751深基坑实例的工程概况2752深基坑工程支护方案设计2853工程支护方案的可靠性分析2854工程支护方案的优选335.5 小结36第六章结论与建议3761结论3762建议38参考文献39致 谢40第一章绪论随着建设的发展，当前城市状况呈现地窄人稠、地价高涨，向空中和地下发展是个总体趋势。近年来，高层建筑的不断增加和地下空间的开发利用，产生了大量的深基坑工程。国外著名的地下工程有法国的巴黎中央商场、美国明尼苏达大学土木工程系的办公楼和实验楼、日本东京八重洲地下街等。我国近年来也有了许多基坑工程，在北京地区最深已接近30m，在上海地区己超过15m，宝钢热轧厂铁皮坑的挖深已达322m。深基坑支护工程是一个复杂的系统工程，因其影响因素较多，故其支护方案也具有多属性，支护方案的决策也受到技术安全可靠、经济合理性、旋工便利并保证工期、环境保护等诸多因素的影响。深基坑工程是一项l临时性工程，过于考虑安全问题会导致投资过多而造成浪费，相反，过于强调经济效益又可能导致基坑失稳破坏，在这两方面已有不少的教训。选择一个科学合理支护方案是深基坑工程成败的关键。基坑工程的研究无论在理论上还是在实践上还不很成熟，因此对其深入研究是十分必要的。11选题依据深基坑工程支护设计与施工是一项系统工程，必须具有结构力学、土力学、地基基础、地基处理、原位测试等多种学科知识，同时要有丰富的施工经验，并结合拟建场地的土质和周围环境情况，才能制定出因地制宜的支护结构方案和实施办法。近几年来，随着高层建筑、地下工程的发展，深基坑工程也随着不断地向深、大的方向发展，对基坑开挖提出了更高更严的要求，即不仅要保证基坑稳定，还要满足变形控制的要求，以确保基坑周围原有建筑物、构筑物、地下管线及道路等的安全。但深基坑工程是一项临时性工程，过于考虑安全问题会导致投资过多而造成浪费，这就给设计人员出了一个难题，虽然支护方案形式多样，但是基坑设计方案既要保证安全又要经济合理也不容易。深基坑的设计方案的多属性和工程地质条件的复杂性，决定了它有许多问题值得研究和探索。I、设计过于保守是一个普遍的问题。设计时仅仅考虑到深基坑的安全和自身的责任问题，只要保证基坑不出现安全问题，而不考虑给业主增加多少经济负担。基坑是安全了，但给业主造成巨大浪费。其实，额外浪费也是一种设计上的失败。2、过于考虑经济效益，而忽视安全问题。设计单位和业主片面强调深基坑工程的临时性，而忽略其重要性、复杂性、随机性、困难性、风险性及事故的常见性与多发性。业主减少投资，精简设计，造成在施工过程中，支挡失效。3、地区设计经验占主导部位，而新颖低廉的支护方案往往不能被采用。由于缺乏成熟的设计经验，新型的支护形式不被采用，虽然其施工经验可能已经比较成熟，转变和更新设计者的观念也是深基坑设计的新课题。4、每一种深基坑工程支护设计方案都是一个烦琐的复杂的计算过程，设计人员往往习惯一种支护类型的计算和验算，而不进行多种支护类型优化设计。从知识范围上看，操作深基坑工程，必须具有理论力学、材料力学、结构力学、建筑结构、工程与水文地质、土力学、地基基础、地基处理与原位测试等多种学科的知识，同时又要有丰富的施工经验，并结合拟建场地工程地质条件和周围环境情况，才能因地制宜制定出合理的深基坑工程方案。诚然，工程技术人员凭借长期积累的经验和娴熟的判断不确定性的能力，也常常做出成功的设计来，因为科学的发展在当时并没有给工程技术人员提供更好的理论和方法。所以采用概率极限状态设计法，在现有的安全系数设计法的基础上进行可靠度评估，将使岩土工程设计方法向着更科学、合理化的方向发展。由于土体介质的复杂性及工程中其它不确定性因素的影响，全部采用确定性分析很难保证较好的反映实际情况。以概率统计为基础来分析结构破坏概率的可靠度理论的引进是一种必然趋势。所以如何采用较简便的方法进行可靠度评估，是岩土工程可靠度理论真正进入实用阶段要解决的重要问题之一。在深基坑工程中，为达到同一支护目的，可供选择的方案有多种。在这些方案中，每种方案都有其各自的特点。根据工程实际拟定几个方案，从中优选一个相对最优的设计方案具有重要意义。12国内外研究现状基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题，放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。在20世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人员须从新的角度去审视基坑工程这一古老课题，导致许多新的经验或研究方法得以出现并逐渐趋于成熟。在20世纪30年代，Terzaghi和Peck等人已经开始研究基坑工程，他们在20世纪40年代提出了顶估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论沿用至今。在以后的时间里，世界各国的许多学者都投入研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果。60年代开始在奥斯陆和墨西哥城的软枯土深基坑工程中使用仪器进行监测，对提高预测的准确性起到了促进作用，从70年代起，产生了相应的指导丌挖的法规。基坑工程在我国进行广泛的研究始于80年代初，高层建筑不断涌现，相应地基础埋深不断增加，基坑开挖也就不断加深；特别是到了90年代，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的城区内进行深基坑开挖给这一古老课题提出了新的内容和挑战，那就是如何控制深基坑开挖产生的环境效应问题，从而进一步促进深基坑开挖技术的研究与发展，由此产生了许多先进的设计、计算方法，众多新的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功工程实例。然而不容回避的事实是，由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当，基坑工程发生事故的概率仍然很高。任何一个工程方面课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的成果。基坑工程的发展往往是一种新的支护类型的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、认识、再实践、再认识的规律，从而走向成熟。早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到限制，产生了支护开挖。迄今为止，支护类型已经发展至数十种。从基坑支护机理来讲，基坑支护方法最早有放坡开挖，然后有悬臂支护、内支撑(或拉锚)支护、组合型支护等。放坡开挖需要场地有较大的空间，且开挖土方量较大，在场地周围条件允许的情况下，放坡开挖至今仍然不失为基坑支护的好方法；悬臂支护是指不带内支撑或拉锚的支护结构，其可以通过设置钢板桩或钢筋混凝土桩形成支护结构，另外，悬臂支护结构也可以通过对基坑周围土体进行加固改良形成，如水泥土重力式挡墙结构；为了改善悬臂式支护结构的受力性能和变形特征，满足较深基坑支挡土体的要求，发展了内支撑支护和拉锚式支护结构；为了挖掘支护结构材料的潜在能力，使支护结构类型更加合理，并能适合各种基坑类型，综合利用“空间效应”，发展了组合型支护结构类型。可靠性设计法采用可靠性指标或失效概率作为衡量安全度的指标，这一指标可用概率统计的方法综合考虑上述不确定因素。20世纪六十年代末期到20世纪七十年代，可靠度理论在其它领域的应用尤其是在结构工程中的应用，促进了可靠度理论在岩土工程领域的发展。六十年代后期工程可靠度研究进入了实用阶段，许多国家相继颁布了基于可靠度理论的结构设计规范，有力地推动了岩土工程领域的可靠度研究。我国也于八十年代制定了建筑结构设计统一标准GBJ6884(试行)。明确提出了对建筑结构可靠度采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。随着各种岩土施工技术的发展，人们发现：一方面基坑支护工程的难度日益加大，需要考虑的因素R益增多，如施工场地狭小，地下管线干扰等，并且考虑是否周全对施工难易程度有较大的影响；另一方面各种施工新技术层出不穷，如桩基施工技术与机具种类繁多，使人应接不暇，并且选取不同的施工方案对工期和造价有很大的影响，这就隐含着这样一个事实，即基坑支护工程实施的路径并非唯一，但对于给定的场地和建筑工程而言，应当存在最优者，并且有着极大的经济效益。l.3研究的主要内容及思路在深基坑工程支护方案设计中，由于土体介质的复杂性及工程中其它不确定性因素的影响，全部采用确定性分析很难保证较好的反映实际情况，以概率统计为基础来分析结构破坏概率的可靠度理论的引进是一种必然趋势。深基坑工程支护方案的评价优选是一个多目标的决策问题。由于决策环境的日益复杂和决策因素的日益增多，决策者也不可能了解全部的决策方案；另外由于人力、物力和财力的限制，也不可能将所有方案一一进行比较。在有限个离散方案中选择一个相对最优的方案即能达到优化的目的。本课题是在广泛搜集前人的研究资料和理论成果的基础上，通过对可靠度分析方法和模糊综合评价法的研究，把它应用于深基坑支护工程，对不同的支护方案进行可靠性分析和优选评价，选出最优方案。具体的研究内容如下：l、深基坑支护工程的现状、存在问题及其发展趋势；2、深基坑支护工程的设计原则和常见支护类型及其所适用的条件；3、深基坑工程支护方案的可靠度分析研究，推导出符合工程实际的可靠度分析方法，使之成为基坑支护工程的原理和方法；4、建立深基坑工程支护方案的优选模型(本论文采用模糊综合评判法)，确定各支护方案的评价指标体系(本论文的评价指标包括技术安全性、经济合理性、施工便利和工期、环境影响程度)，将各指标的相对定量评价值转化为模糊等级，利用模糊综合评判法得出各支护方案的综合评价值，根据其评价值的大小选出系统综合最优支护方案；5、以工程实例应用于可靠度理论与优选决策模型以验证该模型的合理性和科学性。本论文研究的技术路线见图1-1.第二章深基坑工程支护的设计原则和常见支护类型建筑物或构筑物地下部分施工前，需开挖基坑，为保证基坑施工、：卜体地下结构的安全和周围环境不受损害，要进行支护、降水和开挖，并进行相应的勘察、设计、施工和监测等工作，这项综合性的工程就称为基坑工程。21深基坑工程支护的设计原则基坑开挖的施工工艺一般有两种：放坡开挖(无支护开挖)和有支护开挖。在基坑工程中，若场地条件容许时适当放坡，基坑边坡就能保证稳定性要求，无疑首先考虑无支护开挖方案。深基坑工程设计的原则为：1)安全可靠性原则：满足支护结构本身强度、稳定性以及变形的要求，并要确保周围环境的安全：2)经济合理性原则：在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效果的方案；3)施工便利性原则：在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足方便旋工。4)工期短的原则：深基坑支护工程具有时效性，时间越长基坑的危险性越高，尽量采用工期较短的支护方案：5)保护环境原则：深基坑工程尽量减少对环境的危害，有条件的情况下尽量选择环保的支护方案。根据中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程(JGJl2099)的规定，基坑支护结构应采分项系数表不的极限状态设计方法进行设计。基坑支护结构的极限状态，可以分为下列曲类：(1)承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏；(2)正常使用极限状态：对应丁支护结构的变形己妨碍地下结构施工，或影响基坑周边环境的正常使用功能。基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，对于安全等级为级及对支护结构变形有限定的二二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。建筑基坑支护技术规程(JGJl20 99)规定，基坑侧壁的安全等级分为三级，不同等级采用相应的重要性系数y。基坑侧壁的安全等级如表2】所示： 22常见的工程支护类型及其适用条件常见的深基坑工程支护类型有以下几种：水泥土搅拌桩围护、排桩围护、地下连续墙围护、支锚工程和土钉墙支护。一、水泥土搅拌桩围护该种方法适用于软土地基，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。深层搅拌法最适宜于各种成因的饱和软粘土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等。加固深度从数米至5060m，国内最大深度可达1518m。一般认为含有高岭石、多水高岭石与蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；含有伊里石、氯化物等粘性土以及有机质含量高、酸碱度(PH值)较低的粘性土的加固效果较差。二、排桩围护基坑开挖时，对不能放坡或由于场地限制而不能采用搅拌桩围护，开挖深度在6lOm左右时，即可采用排桩围护。排桩围护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩等。排桩围护结构可分为：(1)柱列式排桩围护：当边坡土质尚好、地下水位较低时，可利用土拱作用，以稀疏钻孔灌注桩或挖孔桩支挡土坡。(2)连续排墙围护：在软土中一般不能形成土拱，支挡桩应该连续密排。密排的钻孔桩可以互相搭接，或在桩身混凝土强度尚未形成时，在相邻桩之间做一根素混凝土树根桩把钻孔桩排连起来，也可以采用钢板桩、钢筋混凝土板桩。(3)组合式排桩围护：在地下水位较高的软土地区，可采用钻孔灌注桩排桩与水泥土桩防渗墙组合的形式。按基坑开挖深度及支挡结构受力情况，排桩围护可分为以下几种：(1)无支撑(悬臂)围护结构：当基坑开挖深度不大，即可利用悬臂作用挡住墙后土体。(2)单支撑结构：当基坑开挖深度较大时，不能采用无支撑围护结构，可以在围护结构顶部附近设置一单支撑(或拉锚)。(3)多支撑结构：当基坑开挖深度较深时，可设置多道支撑，以减少挡墙的内力。三、地下连续墙围护地下连续墙的施工工艺是利用特制的成槽机械在泥浆护壁的情况下进行开挖，形成一定槽段长度的沟槽，再将在地面上制作好的钢筋笼放入槽段内，然后采用导管法进行水下混凝土浇筑，完成一个单元的墙段，各墙段之间用特定的接头方式相互联结，形成一道连续的地下钢筋混凝土墙。地下连续墙围护呈封闭状，则在基坑开挖后，加上支撑或锚杆系统，就可挡土和止水便利了深基础的施工。地下连续墙工艺具有如下优点：(1)墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基变形都较小，既可以用于超深围护结构，也可用于主体结构；(2)适用各种地质条件，对于砂卵石地层或要求进入风化岩层时，钢板桩就难以施工，但却可采用合适的成槽机械施工的地下连续墙结构；(3)可减少工程施工时对环境的影响，施工时振动少，噪音低；对周围相邻的工程结构和地下管线的影响较小，对沉降及变位较易控制；(4)可进行逆筑法施工，有利于加快施工进度，降低造价。但是，地下连续墙旌工法也有不足之处，这主要表现在：(1)对废泥浆处理，不但会增加工程费用，如泥水分离技术不完善或处理不当，会造成新的环境污染；(2)槽壁坍塌问题，如地下水位急剧上升，护壁泥浆液面急剧下降，土层中有软弱疏松的砂性夹层，泥浆的性质不当或已变质，施工管理不善等均可能引起槽壁坍塌，引起邻近地面沉降，危害邻近工程结构和地下管线的安全。(3)地下连续墙如用作施工期间的临时挡土结构，则造价可能较高，不够经济。地下连续墙围护比排桩与深层搅拌桩围护要高，要根据基坑开挖深度、土质情况和周围环境情况，并经技术经济比较认为经济合理，才可使用。一般来说，当在软土层中基坑开挖深度大于lOm，周围相邻建筑或地下管线对沉降与位移要求较高，或用作主体结构的一部分，或采用逆筑法施工时，可采用地下连续墙。四、土钉墙支护土钉墙支护是在基坑丌挖过程中将较密的细长杆件土钉置于原位土体中，并在坡面上喷射钢筋网混凝土面层。通过土钉、土体和喷射混凝土面层的共同作用，形成复合土体。土钉墙支护充分利用土层介质的自承力，形成自稳结构，承担较小的变形压力，土钉承受主要拉力，喷射混凝土面层调节表面应力分布，体现整体作用。同时由于土钉排列较密，通过高压注浆扩散后使土体性能提高。在实际施工中是边开挖边支护，施工快捷简便，经济可靠，得到广泛的应用。土钉墙支护适用与地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土和卵石土等。对于淤泥质土、饱和软土应采用复合型土钉墙支护。23小结深基坑支护类型是多样的，选择支护结构类型要考虑很多因素，如基坑的开挖深度、坑壁土体的物理力学性质、地下水位情况、地面荷载的分布与大小、周围环境情况(邻近建筑物及邻近地区地下管线等)、设计的容许变形量等因素密切相关。在选择支护类型时，要综合考虑技术、经济、安全和环境等要求，即要做到技术措施得当、经济合理、结构安全和对环境无害。根据基坑工程的场地条件、施工条件、土层条件和开挖深度等影响因素，列出了适合这些因素的基坑支护结构，并给出对应支护类型的优缺点及注意事项。详见基坑挡土支护结构常用类型一览表，表2-2。第三章深基坑工程支护方案的可靠-陛分析31概述深基坑工程支护方案设计是一项技术复杂、综合性很强的工作，基坑开挖反映了土、桩、支撑之间相互作用的过程。深基坑工程支护属于地下结构旅工力学范畴，方案设计者必须熟悉工程结构、土力学和施工方面的知识，且依靠经验、技术和理论之间的密切结合。具体设计时除了应掌握拟建场地土质特性外，还需要了解环境荷载因素和相邻建筑物、地下管线的特征及其承受变形的能力，仔细考虑施工方法和计算地下室施工全过程的各种施工压力产生的变形，从而因地制宜优选合理可靠的支护结构体系。目前，在深基坑工程支护设计中仍然采用原来的安全系数法来评价基坑的稳定，安全系数虽是以数值表示安全度指标，但其并不能定量表示安全度，不能说Fs=30的基坑边坡的安全度是Fs=15的基坑边坡的安全程度的两倍。在实际工作中，安全系数的确定往往凭借设计人员的设计经验，并没有通用的准则。要定量评定深基坑工程的安全度，有必要引入基于风险概念的可靠性分析。一个成功的深基坑工程支护设计方案，必须满足两点要求：a)支护结构及周围建筑物稳定，变形控制在要求范围内：b)方案最经济。如果一个工程满足了第一个要求而不满足第二个要求，则不能认为完全成功，因为它不是最优方案。研究支护结构的可靠性计算，有助于建立合理的深基坑开挖设计和施工规范以及管理制度，对如何合理的设计深基坑工程支护方案，做到既安全可靠又经济合理，具有重要的意义。32可靠性与极限状态方程321可靠度理论概述可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内完成预定功能的能力。可靠度就是在规定的条件下和规定的时间内完成预定功能的概率。深基坑可靠性分析的目的是把基坑工程土体与支护结构的性质和稳定状态的不确定性量化，进而把这些不确定性合理的纳入基坑设计中。对于这样一个不确定性问题，采用概率统计方法处理是非常有效的。为了适当的描述分析参数的空间变化，需要采用统计分析方法，根据特定参数的有限数量的观察结果，检验数据样本的频率分布，并对参数全体做出判断，用来解释客观结果。规定的作用条件，是指设计所顸计的环境条件、指定的施工条件和正常使用条件。在规定的条件中，包括不可控因素，如基坑上体的组成和结构，大暴雨等，以及可控因素，如基坑的几何形状、人工加固、降压排水等。为了合理的规定这些条件，对于比较重要的基坑工程，必须严格遵守有关规范进行设计，并做出切实的风险估计，切忌设计、施工中的随意性。当然，所有规定的条件都受到当时的认识能力和技术条件的制约，在基坑开挖支护过程中，应当在不断丰富现有资料的基础上，采用动态设计最优化方法，不断修正规定条件，使基坑始终在当前条件下达到最佳状态。规定的使用期限，是指基坑工程的有效服务期。可靠度与时间有着密切的关系，没有时间概念就无所谓可靠度。规定的时间，通常是指基坑施工开始到完成填土的总的时间。在可靠度计算中，是根据基坑的不同使用期限和重要程度，选定极端条件的再现期和估计其发生概率。此外，就同一基坑而言，随着时间加长，可靠度必然会降低。虽然不是超过了使用时间立即就不能使用，但其破坏概率必将逐渐加大。预定的功能，是以基坑工程性能指标安全性、实用性和时效性来表征的。这三个性能是相互依存的，没有安全性，就失去了使用价值；没有实用性，安全性也就没有实际意义；从使用角度说，安全性和实用性必然有时效性。如果实现了规定的性能指标，就叫做完成了预定功能，否则，就是丧失了功能。完成功能和丧失功能都是以概率值来度量的。322基坑工程的不确定性基坑工程设计和评价中的物理数学模型、基本变量及预测结果都带有某种不确定性。模型的不确定性，基坑可靠性分析与设计是利用地质模型、力学模型、数学模型来实现一组输入量或基本变量(如基坑几何参数、强度参数、支护结构强度参数等)与所要求的输出量(如可靠指标、破坏概率等)之问的联系。这些模型一般是立足于对土体平衡分析与运动的确定性，采用确定性分析方法的简化图式与力学模型，因而在形式上是确定的，它们都是在对实际问题理想化的数学力学抽象下构造的，计算和设计背后的简化和假定条件，结果就把包含许多假设或理想化的理论公式、以及试验获得的数据误认为真值而进行设计计算。实际上，这罩已引入了不确定性，即基本变量的不确定性和模型本身的不确定性。物理的不确定性，基坑形成以后是否发生不允许的大变形和破坏，主要取决于基坑土体不连续面的形态、强度和变形性质、地下水压和荷载的实际值以及支护结构的强度等。然而，影响基坑稳定的各个参数的真值都不能精确的知道，特别是土体参数，因为它们都是变化量，这是历史的和现代的地质作用过程和作用产物带来的不确定性，它反映了诸参数的空间变异性：对支护结构来说，它们一般都是人工材料，不确定性相对较小，但也是存在的。统计的不确定性，统计与由样本观察所得出的推断有关。在基坑可靠性分析过程中，先要建立各个基本变量的概率模型，然后确定它的参数值。概率分布的参数值是根据样本数据估计的，样本和样本容量不同，估计的参数也不同。显然，我们能够掌握的始终是统计量，不是基坑土体和支护结构的真值。因此，对于一组已知的数据，可以认为分布参数本身也是随机变量，其不确定性依赖于样本数据总合及已有的知识。这种不确定性叫做统计不确定性。它主要是由于信息误差和信息缺乏而产生的。323极限状态方程深基坑稳定性受许多变量的控制，这些变量都具有不确定性，都是随机变量。可以用用这些随机变量来构造函数模型，来描述基坑的稳定状态：Z=g(X)=g(X，x4X。) (3-1)函数g(X)反映深基坑的状态或性能，称为状态函数或功能函数，X为基本状态变量。极限状态方程为：Z=g(X，X：，X。)=O (3-2)可把系统分为三种状态，即：g=g(x)O 安全状态(3-3) Z=g(X)=O 极限状态(3-4) Z=g(x)O 破坏状态(3-5)最简单的例子，是由相互独立的基本变量R和S组成的二维状态，即所谓极限状态的Rs模型，即：Z=g(R，S)=R-S=O (36)式中：R为抗滑力或抗滑力矩；s为滑动力或滑动力矩a破坏概率可由下式表示：Z=g(X，X：，X。)=O (37)其中Z=Rs物理意义是安全储备。33深基坑工程支护方案的可靠性分析331岩土参数的处理3311深基坑设计参数的获取土参数，特别是土的抗剪强度c、妒值，对基坑支护设计影响甚犬，c、妒值取值是否合理，直接决定着基坑设计的成败。然而，上体参数又是不确定的，其不确定性主要来于三个方面：一是岩土性质固有的变异性；一二是勘察取样与试验方法的误差；三是实验数据和勘察数量的不足。测试数据的采集、处理都必须遵循可靠性思想。岩土工程可靠性分析中，最困难的是岩土参数的统计问题。可以根据岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)中规定，岩土参数的标准值可按下式确定：14 3312数据的采集目前，数据采集是通过工程勘察得到的，如何使勘察工作满足可靠性设计的要求，是一个很值得研究的问题。现在，规范对这方面规定较少，为满足可靠性设计对参数统计的要求，宜结合可靠性理论对勘察和取样进行详细的规定。基于以上原因，基坑勘察的布点取样、测试要严格按照有关规范和岩土工程的建议执行。土参数的试验方法：按照高层建筑岩土工程勘察规范规定，对基坑支护设计宜采用三轴不固结不排水剪或直剪快剪(uu)，而有的地区则建议采用固结快剪(cu)。采用何种试验方法，可以从下面三个方面考虑：从基坑开挖的速率考虑。目前基坑多采用机械开挖，施工速度快，如土的透水性较差且排水条件又不好时，土来不及固结就可能失稳，这时可采用uu试验：如土的透水性较好时，可采用cu试验。从基坑是否降水和土的渗透性考虑。若基坑降水，在基坑开挖过程中，粉土、粉质粘土既非完全不排水，又非完全排水，可采用CU或cD(慢剪)试验结果；对粘土、饱和粘土、老粘土、淤泥质土，由于渗透性很小，宜采用UU试验；若基坑不降水而采取止水措施时，宣采用uu试验。从应力路径考虑。深基坑的开挖，宏观上属于卸载问题，土体中平均应力下降，偏应力增大，见图3-1。由图所知，对卸载问题，采用UU试验是偏于危险的，特别是对老粘土，该种土表现为c。一O，c。O，则安全，ZO，则破坏 。破坏概率P，=P(zO)等于图中阴影部分的面积。由此可见，由原点0到均值u。的直线距离，可以用标准差o：来度量，即u：=o：。因此，B和P，之间存在一一对应的关系，B愈小，P，愈大；反之，0愈大，P，愈小。故，B和P，一样，可以作为衡量基坑可靠性的一个指标，一般称为可靠指标。可靠指标B即为安全储备的均值与标准差之比，或安全储备的变异系数的倒数，即： 333可靠度指标B的取值设计可靠度是设计规范规定的或设计取用的作为设计依据的可靠度，它表示设计所预期达到的工程可靠度，或者从风险角度说，它表示设计所允许的或可以接受的风险水平。风险是相对的，即要考虑安全，又要考虑经济合理性，所以并不是可靠性越高越好。可靠性越高，费用就越多。作为工程设计的控制标准，用目标可靠度指标B来衡量时，其取值与建筑物的安全等级及破坏特性有关。上部结构的目标可靠度指标在建筑结构可靠度设计统一标准中己有规定。但地基设计的可靠度指标B一直没有确定的数值，从不同的角度出发可能得到不同的结论，因而存在结构上、下部可靠度的匹配问题。由于这些因素的存在，关于深基坑支护结构的B取值问题至今尚无定论。我国“建筑结构设计统一标准(GBJ6884)”中对建筑结构工程可靠度取值规定，见表3-1。34小结本章主要介绍了可靠性的基本概念和基本理论知识，可靠度分析的基本方法，深基坑支护可靠性的概念、意义以及可靠度模型的建立方法，建立了深基坑工程支护结构极限状态方程和可靠度模型，推导了基于极限状态的深基坑支护可靠度指标13值，并结合规范和有关规程给出了不同的安全等级和不同的破坏类型的可靠度指标大小，从而为实现了深基坑工程支护模型从定性分析到定量分析的飞跃。第四章深基坑工程支护方案优选研究深基坑工程支护体系的优选问题是在考虑安全、经济、技术和环境等多种因素后，对几种相对适应的深基坑工程支护类型进行选择。在实际工程中，由于工程支护体系选型受到许多主、客观因素的影响，其中有些因素是确定的，或者容易量化，而有些因素则相对较模糊，或不容易量化，只能用“大小”、“好坏”、“难易”等来定性说明。同时，不同方案之间的优劣也是一个模糊的问题，如果只考虑费用或工期这样单一的目标进行优选，问题当然很容易，但是实际上不同方案之间的选择是在众多目标上的综合优选。所以，深基坑支护形式的优选是一个模糊性多目标的综合决策(或评判)问题，41模糊综合评判的模型与方法模糊数学以隶属函数形式表现了事物具有某种属性的程序，从而使一些内涵不是很分明的的概念得以表示。在现实生活中，对于一种方案的评价不仅是多指标的而且在指标体系中有些指标的内涵并不十分清晰，这时使用模糊数学方法对方案进行评价，就能更好地反映现实情况。为了解决深基坑支护体系的优选问题，可借助模糊综合评判理论，减少问题的模糊性和复杂性，使问题的解决在准确和简单之间取得平衡。411模糊综合评判的初始模型设被评判对象(支护方案)的各因素组成的集合为因素集U=1,2,3,n，基坑支护体系诸方案组成的集合为评判集y=v1，v2，v3.vn 。首先，对因素集u的单因素“(f=L2，H)作单因素评判，ri)，从而n个因素的评判集就构成一个总的评判矩阵R。由于各因素的重要性不同，因此，根据这个因素在参与评判时的重要性不同，可对各因素作出“程度”重要性分析，并分别赋予它们不同的权重口i而组成模糊权向量。 412多层次综合评判方法由于深基坑选型时要参考的因素很多，并且各因素间还有层次之分，为此，我们可以选择多层次综合评判方法，避免当因素过多时，难以合理地定出权数分配，或者由于权数过于平均而使结果失真。多层次综合评判的一般步骤如下：42模糊综合评判在深基坑工程支护方案中的应用421深基坑支护体系影响因素分析深基坑支护体系决策因素一般为安全、经济、技术和环境等因素，安全可以归与技术一并考虑，具体情况可参考下表4-i。显而易见，由于指标较多，初始评判难以合理给出权数分配，所以，在考虑各指标的性质后，对指标进行了二级分类。422模糊综合评判在深基坑支护方案中的应用l、设深基坑工程共有n种方案可供选择；2、采用专家评分法，即可聘请若干专家，对指标的满意程度进行打分，并判定指标的权重，并汇总成表42；3、由上表分值Ci计算评价指标的隶属度：并形成评判矩阵。4、对二级因素可采用模型M=(，+)计算可得：对一级因素由专家判定权重分配为A，令总评价矩阵为R，做二级综合评判得：6、根据最大隶属度原则，可选出最优方案。43小结模糊综合评判模型用模糊子集描述影响深基坑工程支护选型的各因素，以隶属度的大、小来评价各因素影响作用的大小，以各因素带权隶属度之和最大为优化过程的优化准则，避免了各因素之间不可比性给优化决策造成的困难，使综合评判的结果正确反映了客观实际。考虑到深基坑支护方案优选问题具有多目标、目标的模糊性、目标的重要程度不同和需要人的经验进行判断等特征，本文提出的模糊多层次综合评判方法可以在一定程度上解决此类问题，具有一定实际意义。第五章工程应用实例研究问题是为了解决问题，同理，理论也是这样，理论是为生产实践服务的，每一理论的成熟也即是该理论充分应用于生产实践，本论文也就是为了把理论应用于实践这一最终目的而写的。51深基坑实例的工程概况一、工程概况某高层建筑，框架结构，基础埋深一9m，基坑形东西长lOOm，南北宽80m。1、地层岩性杂填土，层厚O525，平均厚度131m。粉土：层厚0532，平均厚度162m。f。=120kPa，容重181 1kNm3，粘聚力16OkPa，内摩擦角20。，摩阻力标准值20OkPa。粉质粘土：层厚2844，平均厚度361m。k=140kPa，容重1876kNm3，粘聚力19OkPa，内摩擦角15。，摩阻力标准值26OkPa。粉土：层厚O824，平均厚度18m。fak=130kPa，容重196kNm3，粘聚力16OkPa，内摩擦角20。，摩阻力标准值22OkPa。粉质粘土：层厚1228，平均厚度2Om。厶=lSOkPa，容重1774kNm3，粘聚力2OkPa，内摩擦角15。，摩阻力标准值28OkPa。粉土：层厚0827，平均厚度204m。k=150kPa，容重1885kNm3，粘聚力18OkPa，内摩擦角25。，摩阻力标准值25OkPa。粉土夹粉砂：层厚O742m，平均厚度254m。fak=140kPa，容重1904kNm3，粘聚力15OkPa，内摩擦角18。，摩阻力标准值24OkPa。粉砂：层厚1056m，平均厚度267m。厶=160kPa，容重1932kNm3，粘聚力16OkPa，内摩擦角17。，摩阻力标准值28OkPa。粉土：层厚O831m，平均厚度149m。fak=150kPa，容重192kNm3，粘聚力17OkPa，内摩擦角25。，摩阻力标准值26OkPa。粉砂：层厚3263，平均厚度506m。f。k=180kPa，容重1918kNm3，粘聚力20kPa，内摩擦角20。，摩阻力标准值32OkPa。2、水文地质条件场地地下水类型为潜水，其补给柬源t要为大气降水，地p水位埋深32m左右，年变化幅度为1Om左右。3、地形地貌及周边环境概况拟建场地地形平坦，地貌单元属黄_7【I冲积平原。基坑周围无多层或高层建筑物，施工条件较好。52深基坑工程支护方案设计根据本工程的概况、场地的工程地质条件和周边环境概况，适合本场地的基坑支护类型为排桩围护、地下连续墙围护或深层搅拌桩挡墙。一、排桩围护通过类似深基坑工程的施工经验及经济技术分析，可采用500ram厚的钢筋混凝土板桩，长16m，设三道预应力钢铰线地锚锚拉。二、地下连续墙围护也可采用地下连续墙围护，墙厚600ram，深155m，设三道钢筋混凝土支撑，间距9米。三、深层搅拌桩支护采用单排深层搅拌桩结构，桩径巾600ral，套入200rrIl，有效400Irun，桩长18m。53工程支护方案的可靠性分析首先给出基坑支护极限状态计算所需的岩土参数，见表51一、排桩围护的可靠性分析设地面附加荷载为q=20kPa。基坑的可靠度大于3.20，所以基坑的失稳可能性很小。三、深层搅拌析支护的可靠性分析基坑的可靠性数值大于3.2，所以基坑失稳概率极小。54工程支护方案的优选根据上述支护方案的可靠性分析，三种支护类型均满足稳定可靠性要求。现对三种方案进行优选。首先，设d为排桩围护；d。为地下连续墙围护；d3为深层搅拌桩挡墙。然后对三种方案的影响因素进行分析，并对三种方案的各指标进行评价，见表52。采用专家评分法，对指标的满意程度进行打分，采用百分制，评分情53。根据最大隶属度原则，选择d3 即水泥搅拌桩围护方案为最优方案。而且本工程采用的支护方案就是深层水泥搅拌围护方案。5.5 小结以概率论和数理统计论、可靠性理论为基础，把影响基坑稳定性的各个变量看作随机变量来研究。从而实现用系统可靠度的分析方法进行定量分析解决整个深基坑支护稳定性的可靠度，这样基坑稳定性研究性工作才会有新的突破和真正的实际工程运用。根据具体的深基坑支护案例的场地工程条件、水文地质条件和周边环境概况，设计了三种不同的方案，并对各工程方案进行了可靠性分析和模糊综合评判，选出了最优的方案，与实际采用的方案相对比符合，验证了它的可行性，可用于实际工程和生产实践。第六章结论与建议深基坑工程是当前大家十分关注的岩t【：程热点，也是技术复杂、综合性很强的难点，同时又是提高工程质量减少事故的重点。基坑支护结构的可靠性，对于保证工程建设的顺利进行是非常重要的。深基坑工程是与众多因素相关的综合技术，是一个系统工程的问题，它与场地工程地质勘察、支护结构设计、施工开挖、基坑稳定、降水、施工管理、现场监测、相邻场地施工相互影响等密切相关。基坑设计与施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、地下水动态、施工程序和方法等许多相关的复杂性问题，是理论上尚待完善、成熟和发展的综合技术学科。如何根据场地工程地质、水文地质、环境条件制定合理的设计方案；如何在保证稳定性的前提下，设计最经济的方案，即基坑优化设计方案；如何吸取失败的教训、总结成功的经验，指导今后的设计与施工，都是值得深入研究的问题。61结论本文针对实际工程中的支