深基坑支护技术方案的选择及其优化设计

深基坑支护技术方案的选择及其优化设计

摘要：深基坑工程主要包括基坑支护结构设计、施工以及土方开挖等等内容，具有一定的复杂性。在当前的情况之下，基坑工程出现了一些新的特点，尤其是深基坑支护结构，对整个工程的安全、工期以及费用有着直接影响。因此，本文论述了深基坑支护技术方案的选择以及相关优化设计。

关键词：深基坑；支护方案；选择；优化设计 引言

为了提高城市的土地利用率、容积率，满足国家相关规范对基础埋置深度和人防工程的要求，目前高层和超高层建筑几乎都设计了一层甚至多层地下室。因而在高层建筑施工中做好深基坑边坡支护工程尤为重要，其技术理论和施工实践都日趋成熟，已成为高层建筑施工中被广泛运用的方法。

1、工程实例

某市商业城，拟建地上10层，地下2层。本工程±0.00相当于绝对标高2.90m，基坑开挖深度为8.70~9.10m；局部边桩承台坑开挖深度为9.40~11.30m。基坑侧壁安全等级为一级。场地周边为中山市老城区，建筑物密集且紧靠基坑开挖边线，基坑周边有大量管线通过，对支护结构的变形的控制要求高。在对该工程支护方案进行设计之时，可以采取以下方法。

2、深基坑支护的类型

2.1、钢板桩支护

钢板桩被广泛应用于挡土和截水中，主要包括U形、Z形和直腹板型三种截面形式，其由带锁口或钳口的热轧型钢制成，将其互相连接后便形成了钢板桩墙。由于钢板桩本身具有很大的柔性，因此，如果设置的支撑或锚拉系统不当就会造成过大的变形，因此，当深基坑支护深度超过7m时，不宜采用钢板桩支护。

2.2、深层搅拌支护

这种支护主要利用水泥作为固化剂，采用机械将固化剂和软土剂进行强制拌合，促使固化剂和软土之间产生一系列物理化学反应而逐步硬化，从而形成具有整体性、水稳定性以及具有一定强度的水泥土桩墙作为支护结构。

2.3、排桩支护

将钢筋混凝土孔、钻孔灌注桩作为主要的挡土结构间隔布置在柱列式之间的一种支护形式，包括桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。

2.4、复合土钉综合支护

由于复合土钉支护技术综合了土钉墙和生曾搅拌水泥土桩或高压旋喷桩技术的优点，因此，具有施工速度快以及经济实用的特点。其常使用于单层地下室且淤泥层较薄以及地下水较少的基坑。

3、深基坑支护结构方案优选

3.1、网络分析法

3.1.1、确定目标、准则

对决策问题进行详细的描述，包括该决策问题的目标、准则和子目标，以及该决策问题的参与者及其目标．影响深基坑支护方案（方案集Ａ）决策的因素有很多，且每个因素的影响程度不同．在总结归纳国内外学者的理论分析和案例分析的基础上，根据个人的知识经验，得到影响深基坑支护方案决策的因素准则层有：安全可行性C1，经济可行性C2，施工可行性C3，环保可行性C4．显然，准则层的四个因素之间存在一定的依赖和反馈关系．本文将不在这一层进行关系确立，而是选择再下一层因素层进行，进而由下而上反馈准则层之间的关系．

通过大量的文献阅读和专家访问调查，根据深基坑支护方案影响因素的特征，对以上4个准则层进行独立性展开，梳理归纳朱彦鹏、冯庆高等学者的研究成果，得到的各准则层的子准则层如图１所示。

图1深基坑支护方案决策的指标体系

3.1.2、依据目标、准则构建网络

根据已确立的决策目标和准则，以深基坑支护方案决策为例，建立典型的ＡＮＰ网络结构图，如图2所示．控制层部分为支护方案的决策目标以及各个方案的评价一级指标（准则），网络层则为在相应目标、准则下网内的元素或元素组，并以箭头表示相互之间的影响关系。

图2基坑支护方案决策ANP网络结构图

3.2、支护结构细部优化

如下图3所示列出了方案的种种功能评价的指标,而影响到支护结构的县官要素,使用定性以及定量彼此结合的评价方法。在数学之中优化问题属于极值问

题,要求通过系统的理论来支撑这一问题,如此对于支护结构则是怎样才能实现种种指标最优的效果,此种优化最简单的方法是通过计算优选出合适的设计方法。

3.3、基坑支护方案功能评价指标体系

最后则是一种面向施工过程的信息法而进行施工。在这之中一个工程的最后的目标，通常来说则是应该做到保质保量。对于一个工程较难直接观察到工程的质量情况,当前我国国内外则主要是凭借对于工程有关人员的管理来不断提升工程质量,难以达到要求,所以这就出现了一个新的施工方法则是“信息法施工”。比如说计算机技术也可以给深基坑优化设计产生新的发展,使用计算机模型模拟实际工程结合优化方法设计,与以往的设计相比较设计方法方便,效果也好。随着计算机技术在各个领域的广泛应用,我国出现诸多的设计软件。可以通过计算机编程的程序,使用最优化的数学方法来实现优化设计的目的。然而当前这些软件的比较大问题则是在对已经选择好的支护形式进行软件分析计算,当前还不能提供较为合理的方案选型过程。所以,在使用软件进行分析计算之前,支护型式的选择对于以后的计算有十分重要的影响。

3.4、模糊数学综合评判的改进模型

3.4.1、模糊数学综合评判存在的问题

模糊数学可将表示差异的定性化形容词(严重、中等、轻微)转换成定量化的隶属度函数，采用逻辑运算解决从简单到复杂的各种问题。模糊综合评判法是以模糊数学为理论基础，将一些边界不清，不易定量因素量化，进行综合评价的方法。简而言之，模糊综合评判法是将评价目标当作多种因素组成的模糊集合，求出各因素归属程度，根据各因素在评价目标中的权重分配，求出定量解值。模糊数学综合评价方法虽然在定性、定量指标体系评价方面具有强大功能，但在实践运用过程中发现存在以下问题。在确定评价因素权重时，往往是依靠少数专家的知识和经验，显然存在着一定的缺陷。模糊数学综合评价常用的取大取小算法，信息丢失很多，常常会出现结果不易分辨(即模型失效)的情况。

3.4.2、模糊数学综合评判模型改进的思路综上

模糊数学综合评价的改进模型。首先，采用层次分析法来确定各指标的权系数，使其更具合理性，更符合客观实际并易于定量表示，这样就可以提升评判结果准确性；接着使用加权平均求隶属等等的方法，对于大部分评价对象则可以依据等级位置进行排序，如此则就可以合理地解决取大取小运算法丢失信息严重而出现的问题。

4、深基坑支护工程的系统优化设计原则

4.1、将定性规则和量化计算有机结合，按照工程条件来进行基坑边坡土体

作用力的计算，在计算过程中，所用计算理论为郎金理论与库伦理论。同时，将围护结构与支撑体系的设计可否使土体作用力达到平衡来作为设计依据。

4.2、在土体作用力计算结果中应包含开挖方式以及降水效果，将用料的数量或者所用材料造价成本作为优选的参考依据，而各施工方案仅为定性优选所需的参考依据。施工方案的选择工作可从工程的资料库来实施。

4.3、在明确支护方式时，可事先给定任意一个支护方式，对于土体作用力不可达到平衡的支护方式剔除，循序渐进地来选择支护方式。可借助于三级选优这一方式来实施优化设计。

5、基坑支护方案优化研究存在的问题

在基坑的研究以及实践之中,支护结构的设计这是一个相当复杂的，并且没有得到完全解决的岩土工程问题。通常包括的内容有土力学以及工程之中的诸多问题,同时理论同实践之间结合还没有达到人们预期的要求。当前，我国的国内在这此领域之中积累诸多的工程经验,也给此技术的发展提供相当广阔的前景,然而基坑支护工程从勘察、设计一直到施工,其关系的内容相当广泛,所以还要求一个比较完整的组织设计管理系统。随着各基坑支护技术以及理论知识的补充,计算机的应用也获得一定程度的提升。基坑软硬件设备的应用水平也获得提升。对于具体基坑工程,在确保支护结构安全、稳定的前提之下,应该科学地合理地处理支护结构的工程造价与安全可靠和顺利施工之间的关系。在过去几十年基坑工程实践之中,发明了式样不一的基坑支护形式以及支护方法,但是对于一个不同地域的具体工程,怎样可以较好地选择支护方法更经济实用,并且也可以满足支护结构坑壁稳定以及土体变形的要求,则是基坑研究设计人员需要解决的问题。我国一些从事基坑支护方面的专家近几年,在该领域取得了一定的理论成果,并有一些已经应用到实际工程,此些理论方法以及模型的提出,对于支护优化体系的完善有了一定程度的补充,然而需要应用到实际工程之中还要求一些工程的实践,其拥有一个共同的不足之处,则是当前此些模型以及方法的理论性太强,对于设计者要求具备较深的数学专业知识,那么就会使得一些设计研究人员应用这些方法之不够方便,计算复杂,效果也不佳,进而会影响工期的进行。