深基坑工程优化设计理论与动态变形控制研究

【摘要】： 现代城市建设和经济发展以及技术进步对越来越多的深基坑工程提出了一个更高的要求：“最优”设计，这就需要深入研究深基坑工程的设计理论和方法。 (1)基于上述目标和多年实践经验，本文首先从系统工程的观点出发，运用最优化理论，研究了深基坑工程优化设计的基本原理，提出了深基坑工程优化设计的新方法，即从四个方面：技术、经济、环境和工期，分为三个阶段：系统优化、设计计算优化和动态实时反演分析优化分别进行。 (2)概念设计是深基坑工程第一步优化——系统(方案)优化设计中的关键，文中重点讨论了概念设计中的几个难点问题，如土性参数的确定、土压力的选取、深基坑工程的安全度和可靠度分析等；总结分析了饱和软土、老粘性、膨胀土和黄土这四类常见地层条件下的深基坑工程中的主要岩土工程问题，其中重点研究了长江Ⅰ级阶地上的饱和软土深基坑边坡变形和破坏模式，提出了选择支护方案的基本原则，即：面向问题、面向基坑特点、面向周边环境特点。 本文在分析大量工程资料的基础上，建立了深基坑支护系统的指标体系和层次结构；并运用多目标模糊决策理论，建立了深基坑支护系统多目标模糊优化决策模型，使方案决策定量化、科学化。将该决策模型应用于实际工程，实践证明取得了最优的决策效果。该决策模型可方便地应用于深基坑工程招标评标工作中。 (3)第二步设计计算优化首先应是设计计算方法的优选。本文对目前常用的几种支护结构设计方法进行了讨论，并结合深基坑工程实例，分别对悬臂排桩、单支点排桩和多支点排桩的各种计算方法的结果进行了对比分析。文中在分析了弹性抗力法的原理和计算方法、支点刚度等的计算确定方法的基础上，又重点探讨了土体水平抗力系数m值的确定方法，即室内试验确定、理论计算确定、水平载荷试验直接确定、旁压或扁铲试验求得。m值的选取，应注意适合于其相对应的支护结构位移的大小，而后者则取决于具体深基坑工程受周边环境制约的程度。 本文运用非线性规划问题求解方法，建立了深基坑支护结构设计计算优化的模型和计算流程，并应用于工程实践，起到了可观的经济效果。 (4)本文根据深基坑工程施工过程力学原理，提出了作为一个动态系统， 深基坑工程在其施工阶段进行实时优化控制的意义、原理和方法。深入研究了 深基坑开挖反分析的基本概念，并建立了基于弹性地基梁与数学规划的深基坑 工程位移反分析方法和深基坑施工实时优化流程图。 结合工程实例，证明了基坑土体的力学性态在开挖过程中是不断变化的， 只有用最新的实测数据去反演它的力学参数，然后再用新反算得到的参数值预 测下一施工工况才是最接近实际情况的。以此形成不断量测、不断反算、不断 预报的循序渐进的施工反馈预报方法。 （5）本文最后重点研究了深基坑工程变形控制设计的必要性以及基本原理 和内涵，强调指出变形控制设计是深基坑工程设计技术发展和工程建设的迫切 需要，是从深基坑工程环境控制角度对支护结构的进一步优化。变形控制设计 是从变形控制的目标出发，对深基坑工程整个变形发展阶段进行分析控制，其 核心是动态设计；探讨了变形控制设计主要方法。笔者收集的上海、杭州、武 汉数十项深基坑变形资料分析表明，在控制基坑变形方面桩撑结构优于桩锚结 构，更明显优于喷锚网和悬臂结构。 本文选用Drucker干rager弹塑性本构模型，建立了模拟深基坑开挖和支护 全过程的平面有限元数值分析模型。该模型分析计算结果表明，基坑开挖后塑 性区最初产生于坑底墙角处，随着开挖深度及应力释放的增加，塑性区逐渐扩 大，并逐渐传到地面，形成基坑周边地面沉降。另外，剪应力和拉应力在锚杆 的端部处的地面上均集中。 借助上述平面有限元程序，并结合工程实际，对深基坑开挖和支护的变形 进行了分析，找出了影响深基坑变形的主要因素：支护结构的刚度、支撑（锚 杆）的设置时间和刚度、支护结构入土深度、基坑开挖深度和宽度以及地层强 度参数等，并相应地从设计和施工等方面研究了支护结构变形和环境控制的对 策，并结合笔者完成的两个饱和深厚软土上的深基坑工程，对复杂环境条件下 如何控制深基坑变形进行了进一步的研究、分析和验证。