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浅谈基坑支护优化设计

摘要
本文以基坑支护为研究对象，分析了基坑支护的发展现状和趋势、总结了基坑支护结构设计原理和方法、阐明了基坑支护的优化过程、并简要的介绍了基坑支护方案的功能评价指标体系等等。

关键词：基坑支护；结构设计；设计优化；功能评价

1. 绪 论
1.1建筑工程常用的基坑支护
1.1.1 SMW型支护
基于深层搅拌桩发展起来的SMW是Soil-cement Mixing Wall的缩写，该工法具有桩支护及止水帷幕于一体的优良特性，也称劲性水泥土搅拌桩法。
1.1.2工字钢基坑支护
工字钢基坑支护在中等深度以下的基坑中较为常用，适用于一般黏质土、砂性土和粒径不大于100 mm的砂卵石基坑。该基坑支护类型的优点是成本低、施工简便快捷、受力性能好、刚度大、材料省。缺点是止水性能差。
1.1.3 拉森钢板桩支护
拉森钢板桩作为一种新型建材多用于深基坑支护工程中，由于其止水性能卓越、围挡刚度强、施工简易、费用低、材料可多次使用等优点，在建筑同行中得到频繁运用，特别在大型管道、抗洪抢险和地下铁道中。但是，碍于其施工作业过程时的噪声较大，因此较少被运用到市区。
1.1.4 钻孔灌注桩
钻孔灌注桩是指在工程现场通过机械钻孔的手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼，灌注混凝土而做成的桩。
1.1.5 地下连续墙
地下连续墙利用各种挖槽设备，在特制泥浆的护壁作用下，在地下挖出窄而深的沟槽，然后在沟槽内放置钢筋笼，并在其内浇筑水下混凝土而形成一道具有防渗挡土和承重功能的、连续的地下墙体。
2. 基坑支护结构设计
2.1基坑支护结构的设计原则
基坑工程根据结构破坏可能产生的后果，采用不同的安全等级，一级安全等级对应破坏后果很严重，二级对应严重，三级对应不严重。深基坑支护结构的设计一般按两种状态即承载力极限状态和正常使用极限状态进行设计。(1)承载力极限状态也称应力极限状态。 (2)正常使用极限状态。正常使用极限状态也称变形极限状态。
2.2 基坑支护结构设计的计算方法
现在一般采用有限元法进行挡土墙的内力分析，用这种方法可以有效的计入基坑开挖过程中的多种因素；有限元法可以有效、安全、经济的优化挡土结构形式和开挖过程中的合理化。挡土结构有限元分析法主要有两种，即“弹性杆系有限元法”和“连续介质有限元法”。目前在我国主要采用的还是“弹性杆系有限元法”，因为它计算模型简单，参数易取，结果可靠。最近几年来，随着计算机技术的不断提高，特别是一些通用的有限元计算软件的进入，使得“连续介质有限元法”得到了越来越广泛的运用。
2.3 基坑支护结构选型
深基坑支护的目的与要求是确保坑壁稳定，施工安全；确保邻近建筑物、构筑物和管线安全；有利于挖土及地下室的建造：支护结构施工方便、经济合理。支护体系的选用原则是安全、经济、方便施工，选用支护体系要因地制宜。一个优秀的支护体系设计，要做到因地制宜，根据基坑工程周围建(构)筑物对支护体系变位的适应能力，选用合理的支护型式，进行支护结构体系设计。优秀的设计，应能较好地把握支护结构安全变位量，使支护体系安全，周围建筑物不受影响，费用又小。
3. 基坑支护的优化
3.1 基坑支护优化的内容
目前基坑支护优化按其阶段不同，可分为三级，第一级是进行基坑支护类型的选择；第二级是设计优化；第三级是施工过程的实时优化。基坑的优选，主要是采用定性的评价，根据基坑的周边环境条件、地层条件，地下水埋藏条件各种支护类型的特点及适用条件，综合进行支护类型的优选，也有少量用模糊数学的方法进行支护类型的优选。第二级是支护结构的设计优化也称细部优化，是在支护类型方案确定之后，对具体类型方案的细部进行优化计算，如锚杆或支撑点的位置和层数、支护桩的桩径、桩距、插入深度等优化。优化目标是使支护系统总体造价为最小，工期最短，环境影响最小。这种优化最简单的方法是规范规定的弹性抗力法即m 法，它通过支护系统位移，最大弯矩，剪力等计算，优选出合适的设计计算方法。此外，还有通过数学模型进行优化设计，其过程是选取设计变量，列出目标函数给定约束条件后便可构造出最优化设计的数学模型，该模型通过各种算法，进行求解；第三级是面向施工过程的信息法施工，是方案设计及实施的过程中根据检测的信息实施的优化。
3.2 基坑支护方案优化的重要性
基坑支护类型方案很多，为达到同一目的，可以有多种支护类型方法，即每一种方法都有其独特的优点，有的速度快，有的占地小，有的经济，有的噪音小。支护结构类型选择合理，就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工期，带来可观的经济与社会效益，否则一旦基坑支护失败，轻则导致重大经济损失，重则导致人身伤亡的重大事故。因此，如何使得基坑工程做到安全、经济，就成为目前一个急待解决的课题。
基坑支护方案的优化，归纳起来有如下重要性：
第一、可以从众多的设计方案中优选出适合本工程的最佳设计方案，首先可以做到使基坑稳定、安全；
第二、通过设计方案的优化可以做到投资最少，做到经济上合理；
第三、通过设计方案的优化可以减少工程事故的发生，从而既有经济效益又有社会效益；
第四、通过设计方案的优化，可以保护基坑周围的各种环境，从而带来环境效益。
总之，通过基坑支护工程的优化，可以产生经济效益，社会效益和环境效益。
3.3 基坑支护方案优化的原理和方法
最优化问题在数学上就是求极值问题，而运用到基坑支护工程中就是对拟定出来的支护方案，从造价、施工难度、工期、机械设备及对环境的影响等方面用多目标模糊优化方法进行比选，找到一种相对比较优越的支护方案。在工程设计中，同时考虑多个目标(或指标)都达到最优的问题，即多目标优化问题，其中各目标往往彼此矛盾，难以使它们同时达到最优，而仅能在综合考虑各目标的情况下求得一个合适的优化方案。由于各个目标的相关程度具有模糊性，且寻求合适优化方案需要人们加以判断也具有模糊性，因此使用普通优化方法求解会遇到困难，而价值工程理论结合模糊集合论是研究这种多目标优化问题的有效工具。
参考文献
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[3]龚晓南，高有潮．基坑工程设计施工手册．北京：中国建筑工业出版社，1998．
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