深基坑支护细部结构优化与应用分析

发表时间:2016/5/27   来源:《工程建设标准化》2016年2月供稿   作者:赖彦林
[导读] (中国空气动力研究与发展中心,四川,绵阳,621000) 本文阐述了深基坑支护的相关概念及深基坑支护细部结构优化内容,分析了现有的深基坑支护细部结构优化的不足。

(中国空气动力研究与发展中心,四川,绵阳,621000)
 
        【摘  要】本文阐述了深基坑支护的相关概念及深基坑支护细部结构优化内容,分析了现有的深基坑支护细部结构优化的不足,并对如何优化深基坑支护细部结构进行了探讨分析。
        【关键词】深基坑;支护;细部结构;优化;应用

        城市地下空间的开发与利用是实现城市可持续发展的重要基础。深基坑工程与地下工程息息相关。但现阶段的深基坑支护细部结构仍有较大的不足,因此,必须优化深基坑支护细部结构,确保建筑工程顺利施工。
一、深基坑支护的概念
        深基坑支护主要使用支挡的方式加固及保护深基坑侧壁及其周边环境,所以,设置深基坑支护的主要意义在于加强地下建筑施工基坑周边环境的稳定性与安全性。
        深基坑施工方案的确定通常需要参考施工深度以及施工现场环境工程的实际建设进度。深基坑施工时必须注意地下水位问题,目前大多使用轻型井点,将地下水位控制在基坑底1m以下,并做好抽水记录。深基坑上下应设置支撑靠梯或阶梯,禁止踩踏支撑,还应在深基坑周边设置防护栏等。
二、深基坑支护细部结构优化的内容
        对深基坑支护细部结构进行优化主要是在确定深基坑的支护方案之后,对该支护设计方案进行初步的优化,然后深入的丰富与完善该方案的细节内容及有关参数。如,如果方案确定支护方法是高压旋喷桩,则对其进行细部结构优化就主要在于优化其旋喷作业流程、布置插管以及选择钻孔位置等,进一步确保该支护方案的安全性及科学性。
三、现有深基坑支护细部结构优化的不足
        近年来, 深基坑支护技术得到了不断的优化与更新, 各类优化方案及模型的提出,丰富了我国的深基坑支护技术理论研究体系。但在施工过程中,各类深基坑工程事故时有发生,而且造成了极其严重的后果。所以, 还需要对深基坑支护细部结构进行一定的优化。
        (一)优化设计方案十分复杂
        深基坑支护细部结构优化设计方案大多需要使用大量的数学模型及方法,所以优化方案的理论性极强,大部分都需要进行十分复杂的数学计算,但要想完成此计算过程,就必须要求有关计算人员具备十分扎实的数学知识。因此,从优化方案的最终使用者及应用者方面来看,现有的深基坑支护细部结构优化方案十分复杂,不便于进行施工。优化设计方案复杂的问题,在一定程度上局限了深基坑支护细部结构优化方案的应用范围及实施效果。
        (二)优化方案的设计难度较大
        在进行深基坑支护细部结构优化方案设计时,设计人员常常需要从各种数学角度、使用各种数学方法来进行设计目标函数的建立、设计相关约束条件的确认以及设计相关变量的选择。但在实际设计中,由于相关设计变量十分繁琐,而且有着较大的不确定性,所以必须使用一些方法来进行计算结果的优化选择,再以此找出最大的优化变量,从而降低优化难度。而这一过程往往需要进行严密的力学分析,在力学分析中,需要分析各类支护结构的安全性,才能为优化设计有关变量确定最终函数,建立起深基坑支护细部结构的数学优化模型,这是一个非常复杂且操作难度极大的过程。
        (三)深基坑支护方案集的构建不足
        许多设计人员在优化设计细部结构以及决策深基坑支护结构方案时花费了大量的研究精力及时间, 但对于深基坑支护方案集的构建明显不足。深基坑支护方案集的构建主要是对建筑施工现场各类水文地质情况等其余工程条件进行了解分析后,初步设计出几种较为经济安全的深基坑支护方案, 从中确定初步的支护方案,这是优化设计细部结构以及决策深基坑支护结构方案的重要基础,因此,深基坑支护方案集的构建是必不可少的。
        (四)缺乏相关的设计资料
        现阶段,国内外的各类深基坑支护参考资料数量都十分庞大,但其内容大多是一些关于支护技术的理论知识,相较于支护设计的过程以及有关的计算问题的详尽,深基坑支护方案的设计与选择就显得十分匮乏。


在深基坑支护工程中,支护方案的设计需要充分考虑深基坑施工区域自然条件、地质情况及实际支护功能的需求,深基坑支护结构设计方案相关资料的缺乏,严重阻碍了深基坑支护细部结构优化。
四、深基坑支护细部结构的优化方法
        优化深基坑支护细部结构,是提高深基坑支护质量的重要基础,探讨分析,进行深基坑支护细部结构的优化时,需要注意其设计理念以及设计步骤两个方面。
        (一)设计理念的改变
        最初的优化设计理念是经由我国的现代计算机来建立与发展的, 它是在充分考虑各类有关因素后,利用计算机网络技术,实现半自动或自动化的设计,并从中快速选择最科学的设计方案。其设计原则就是实现设计的最优化,这种设计手段利用了计算机的一级程序编制, 其设计方案依靠的是各类数学方法。因此,要想做好深基坑支护细部结构优化,就需要利用最优化的设计理念及方法,才能确保以最低优化投入,得到最大的经济效益。
        (二)设计步骤的优化
        1.设计变量
        深基坑支护工程的设计变量主要是指支护结构的大小、形状及其空间结构参数等,其中细部优化设计的准数就是设计变量的总体数量。所以在优化细部结构设计时必须优先选择确定设计变量。
        以深基坑地下连续墙的设计变量为例,其中主要包括了墙体嵌固深度、墙体厚度以及支撑位置等,这三个变量对于支护结构的整体稳定度、工程量以及约束变形,提高墙体刚度等方面有着十分重要的作用。因此,必须对其进行合理的选择。以工程实例为例,该工程基坑深度为15m,五层土层。则根据每层土层力学性质指标,其有关设计变量为: C1=11kPa,γ/1=18.5kN/m³,φ1=11°,厚度(H1)为2.5m;C2=21kPa ,φ2=18°,γ/2 =19.5kN/m³,厚度(H2)为2m;C3=12kPa,φ3=11°,γ/3 =19.8kN/m,厚度(H3)为10m;C4=25.5kPa,φ4=25°,γ/4 =21.5kN/m,厚度(H4)为2.5m, C5=34kPa,φ5 =30°,γ/5 =21.5kN/m,厚度(H5)为8m;坡顶荷载(q)为20kN/m。
        2.目标函数
        在深基坑支护细部结构优化时,首先要明确优化设计的最终工程目标,才能完成对细节工程的更准确定位。如结构位移偏量较小等目标。所以,在进行细部结构优化中,要注意目标函数的科学性,才能更好的明确深基坑细部结构优化设计目标。
        3.约束条件
        深基坑细部结构优化设计必须满足约束条件,也就是其设计变量的取值有一定的区间限制。只有明确其设计约束条件,才能确保深基坑细部结构优化设计的科学性及合理性,为建立设计模型打下基础。
        4.建立优化设计模型
        在选择设计变量、确定目标函数、明确约束条件后, 还需要构建深基坑支护细部优化的数学模型。该数学模型必须符合约束条件,在选择合适的设计变量后,计算找出其目标函数的最优值(其最优值的体现大多是最大值或者最小值的形式),从而建立起一个科学合理、安全有效的优化设计模型,完成深基坑细部结构优化。
五、总结
        综上所述,做好深基坑支护细部结构优化,需要有关设计部门及人员,加强自身设计理念的创新,按照科学的设计步骤,做好深基坑支护细部结构优化的各个环节,从而提高深基坑支护细部结构优化效率,确保地下空间工程施工质量。
        参考文献:
        [1]付香才.浅谈深基坑支护结构选型决策方法的研究与应用[J].低碳世界,2014,09: 191-193.
        [2]]杨晶海. 深基坑工程支护方案优化设计和优选的研究[D].青岛理工大学,2011.
        [3]付香才.浅谈深基坑支护结构选型决策方法的研究与应用[J].低碳世界,2014,09: 191-193.
        [4]杨海林. 建筑深基坑支护优化设计研究及应用[D].中国地质大学(北京),2013.
        [5]潘威,赵轩. 深基坑支护细部结构优化及应用研究[J]. 建设科技,2015,07:109- 110.

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