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]；目录第一章绪论............................................11．1选题依据......................................11．2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..........72．1深基坑工程支护的设计原则......................72．3小结.........................................10第三章深基坑工程支护方案的可靠-陛分析................123．1概述.........................................123．2可靠性与极限状态方程.........................123．2．1可靠度理论概述........................123．2．2基坑工程的不确定性....................133．2．3极限状态方程..........................143．3深基坑工程支护方案的可靠性分析...............153．3．1岩土参数的处理........................153．3．2可靠度指标(B)的确定与推导..............173．3．3可靠度指标B的取值....................193．4小结.........................................20第四章深基坑工程支护方案优选研究.....................214．1模糊综合评判的模型与方法.....................214．1．1模糊综合评判的初始模型................214．1．2多层次综合评判方法........................234．2模糊综合评判在深基坑工程支护方案中的应用.....244．2．1深基坑支护体系影响因素分析.............244．2．2模糊综合评判在深基坑支护方案中的应用...244．3小结.........................................25第五章工程应用实例...................................275．1深基坑实例的工程概况.........................275．2深基坑工程支护方案设计.......................285．3工程支护方案的可靠性分析.....................285．4工程支护方案的优选...........................335.5小结........................................36第六章结论与建议.....................................376．1结论.........................................376．2建议.........................................38参考文献.............................................39致谢...............................错误!未定义书签。天津大学网络教育学院本科毕业设计（论文）1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32．2m。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。1．1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天津大学网络教育学院本科毕业设计（论文）2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。1．2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，产生天津大学网络教育学院本科毕业设计（论文）3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