深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法

劉肖　劉兵

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代建筑工藝的逐漸進(jìn)步，各種新型現(xiàn)代建筑技術(shù)層出不窮，建筑質(zhì)量獲得了有效的提升。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的一種施工技術(shù)，論文主要針對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化進(jìn)行探討。

【Abstract】 With the continuous development of science and technology and the gradual progress of modern construction technology， various new modern construction technologies have emerged one after another， and the building quality has been effectively improved. The deep foundation pit support structure is a construction technology widely used in the construction field. This paper mainly discusses the optimization of the support structure design for deep foundation pit.

【關(guān)鍵詞】深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu);設(shè)計;優(yōu)化方法

【Keywords】 deep foundation pit support structure; design; optimization method

【中圖分類號】TU473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）06-0163-02

1 引言

隨著城市人口的不斷增多，對空間的利用率要求也越來越高，高層建筑項目建設(shè)數(shù)量也在不斷增加。在當(dāng)前新的建筑發(fā)展形勢下，采取科學(xué)的支護(hù)方式并配套使用相應(yīng)的施工技術(shù)，是保證建設(shè)項目安全性和可靠性的前提。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的要求，保證施工安全，根據(jù)實際施工情況可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化之后的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅能夠保障施工的安全性和可靠性，而且還可以有效降低成本，縮短工期，提高工程建筑質(zhì)量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 當(dāng)前深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中存在的問題

2.1 土體取樣問題

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作開展之前，設(shè)計人員首先需要對施工場地和施工地質(zhì)條件進(jìn)行系統(tǒng)全面的勘探，明確地基土層類型以及含水量，并做好土體相關(guān)試驗工作。從實際土體測試與土體取樣過程來看，測試人員在土地取樣期間隨機(jī)性較強(qiáng)，沒有嚴(yán)格按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和流程規(guī)范要求進(jìn)行，導(dǎo)致取到的土體樣品無法真實地反映出當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和地基土層性質(zhì)，影響方案設(shè)計的合理性和科學(xué)性，從而導(dǎo)致后續(xù)施工存在一定的問題，影響整體工程質(zhì)量。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計算問題

結(jié)合建筑工程項目建設(shè)要求以及當(dāng)?shù)貙嶋H情況進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并開展有效的計算工作，明確各個部件支撐受力情況，以有效評估施工方案的可行性和安全性。目前，多以極限平衡概念為基礎(chǔ)開展深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計算工作，在理想狀態(tài)下，極限平衡理論所采用的安全系數(shù)具有建筑項目施工參考價值，但由于現(xiàn)實建筑環(huán)境相對比較復(fù)雜，具有多變性的特點，因此，現(xiàn)實安全系數(shù)通常難以充分匹配支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞的情況，導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)誤差，影響后續(xù)施工的判斷。從某種程度上來說，建筑工程項目以極限平衡理論為指導(dǎo)開展的計算工作往往只適用于靜態(tài)設(shè)計條件。在土體開挖這一動態(tài)平衡過程中，安全系數(shù)難以有效匹配，同時，隨著時間的不斷推移，相應(yīng)土體的強(qiáng)度會逐漸降低，并進(jìn)一步產(chǎn)生變形問題。在具體計算的過程中通常會出現(xiàn)土體變形和土地動態(tài)變化問題，引起較大的計算誤差，導(dǎo)致計算結(jié)果難以滿足實際工程建設(shè)要求。

2.3 開挖空間效應(yīng)難以得到滿足

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工過程中，深基坑開挖一旦出現(xiàn)水平位移過大的情況，將會影響附近土體的狀態(tài)，深基坑開挖土體的水平位移呈現(xiàn)兩邊小中間大的狀態(tài)，并從基坑附近向基坑內(nèi)進(jìn)行，位移現(xiàn)象的產(chǎn)生會引起邊坡失穩(wěn)，影響開挖空間的穩(wěn)定性和安全性。以往以平面應(yīng)變的形式進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的處理，這種處理方式難以滿足所有基坑條件，通常只適用于長條形的基坑。因此，在設(shè)計過程中，要合理做出深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的假設(shè)，結(jié)合深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體要求以及相關(guān)方案，合理調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，以滿足工程項目建設(shè)的空間要求。

3 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案

做好深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化工作，可以顯著降低施工成本，提高施工效率，縮短施工工期，保障企業(yè)的生產(chǎn)效益。首先，設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計方案選擇時，需要以目標(biāo)特征值矩陣為指導(dǎo)，對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行準(zhǔn)確合理評價，并擬定一個值作為評價指標(biāo)。組建專業(yè)隊伍評估深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)多種方案的工程造價、成本、可靠性、施工技術(shù)、施工工藝、污染問題等，針對各個因素對施工建設(shè)的影響程度給予合理評分，通過收集評分評價施工方案的可行性。在方案步驟優(yōu)選的過程中，工作人員可以采用歸一化的處理方式，降低一個評價內(nèi)容獲得的指標(biāo)值進(jìn)行處理，得到最優(yōu)化的設(shè)計方案，保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

其次，設(shè)計人員需要建立起一個明確的層級結(jié)構(gòu)模型和判斷性質(zhì)的矩陣，將安全理念、環(huán)保理念、經(jīng)濟(jì)理念、便攜理念融入層級結(jié)構(gòu)模型中，使結(jié)構(gòu)模型滿足建設(shè)需求，并利用判斷矩陣充分反映出各個因素的重要性和價值。然后，采取一致性檢驗與層次單排序的方法進(jìn)行施工方案的評估，做好同一層次不同因素以及不同層次同一要素的排序，明確要素的重要性差別，區(qū)別不同因素對方案設(shè)計的影響，優(yōu)選出最佳設(shè)計方案[1]。

3.2 優(yōu)化設(shè)計計算工作

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算方法包括彈性地基梁m法、彈塑有限單元法、經(jīng)歷平衡法以及等值梁法。彈性地基梁m法可以充分考慮到土地變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況，但使用過程中仍然具有一定的局限性。比如，在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，難以有效確定m值，m值受到地質(zhì)條件和環(huán)境因素影響較大，參考數(shù)據(jù)取值范圍存在較大差異，影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，由于參數(shù)m僅僅代表一項彈性指標(biāo)，在進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，難以直接計算支護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度。利用該方法計算所得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)并不匹配實地測量所得到的位移情況，計算誤差嚴(yán)重超出規(guī)范要求。經(jīng)歷平衡法與等值梁法主要是通過墻前后泥土壓力極限平衡條件進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)插入應(yīng)力情況和深度的計算，該方法應(yīng)用并不廣泛，受到技術(shù)條件限制，難以有效計算出泥土壓力的極限值，在計算過程中也沒有充分考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)以及土體變形的影響，計算結(jié)果無法為施工設(shè)計提供有效指導(dǎo)。因此，在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)挖掘施工過程中的應(yīng)用并不多。目前應(yīng)用比較廣泛的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法是彈塑有限單元法，彈塑有限單元法可以有效獲得塑性區(qū)分布狀況，并綜合考慮土地變形情況以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，準(zhǔn)確判定深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的概率以及發(fā)生形變的程度，可以得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，為設(shè)計方案的調(diào)整與后續(xù)施工的質(zhì)量提供專業(yè)的數(shù)據(jù)[2]。

3.3 細(xì)部優(yōu)化深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行細(xì)部優(yōu)化可以有效降低工程增加成本，保證施工方案的可行性。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的細(xì)部優(yōu)化需要綜合考慮數(shù)據(jù)方案中的變量約束條件、目標(biāo)函數(shù)以及優(yōu)化算法這三個部分，做好深基坑施工的材料控制、人員控制、設(shè)備控制以及環(huán)境控制。相對來說，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中所包含的參數(shù)比較復(fù)雜，類型較多，這些參數(shù)在某種程度上決定了影響深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的具體因素。確定優(yōu)化方案的約束條件，結(jié)合約束條件劃分深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級，并確定結(jié)構(gòu)變形范圍，根據(jù)具體的數(shù)字計算得出相關(guān)結(jié)論。在確定深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部優(yōu)化約束條件之后，可以應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)進(jìn)行計算，保證數(shù)據(jù)的精確性，將深基坑支護(hù)造價成本控制到最低，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計與計算活動息息相關(guān)，設(shè)計人員可以采取動態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行詳細(xì)的編程，獲得計算結(jié)果。現(xiàn)代信息技術(shù)的使用極大地解放了人力，減少了人類的腦力投入和工作量，數(shù)據(jù)越來越精確化，比如，在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中可以通過工具箱進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計的計算。

4 結(jié)語

綜上所述，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計在我國當(dāng)前建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，直接關(guān)系著項目建設(shè)質(zhì)量和項目建設(shè)進(jìn)度。隨著建筑工程項目施工環(huán)境的日益復(fù)雜，有的深基坑工程在設(shè)計施工期間存在較大的風(fēng)險，施工難度大，容易出現(xiàn)變形和破壞問題，影響施工的安全性，因此，需要不斷加強(qiáng)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，創(chuàng)新施工工藝和施工技術(shù)，提高基坑支護(hù)效果，從而推進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】廖 瑛，夏海力.深基坑支護(hù)系統(tǒng)的模糊綜合評判[J].科技通報，2004（04）：334-338.

【2】肖武權(quán)，冷伍明.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法[J].巖土力學(xué)，2007，28（06）：1201-1204+1211.