深基坑工程结构优化设计探讨
第24卷第4期2006年8月
文章编号:1004-3918(2006)04-0567-04
河南科学
Vol.24No.4Aug.2006
HENANSCIENCE
深基坑工程结构优化设计探讨
曾照明
(山东水利工程总公司,济南
摘
250014)
要:基坑工程的规模和深度在不断加大,其计算分析方法也需要不断完善.本文主要从理论和计算两方面讨
论了基坑工程的优化设计.
关键词:基坑工程;计算优化;设计优化中图分类号:
TU472
文献标识码:
A
基坑支护设计与施工是一项系统工程,涉及结构力学、土力学、地基基础、地基处理、原位测试等多种学科知识,它包含了结构的刚度、变形与稳定性问题,同时还涉及到土与支护结构的共同作用.基坑支护结构设计需要充分考虑各种工况,其关键是正确分析支护结构在不同工况时的受力状态与变形情况.从力学的观点来看,场地可以看作本构关系比较复杂的多相半无限体.在基坑开挖之前,半无限体处于平衡状态,基坑开挖打破了原来的平衡,从而使基坑周围一定的范围内土体应力场与渗透场失衡.基坑支护的目的,是通过支护作用,在基坑开挖的情况下,使土体应力场与渗透场重新处于平衡或动态平衡状态.但是要精确分析这一类问题,是十分困难的,不仅在于力学模型的复杂,更是由于水土参数具有较大的不确定性与离散性.目前所有的基坑支护系统的计算方法,都具有明显的近似性.优化设计将是以后基坑支护设计发展的必由之路,是设计的发展方向.
1基坑工程优化设计
在深基坑工程中,设计是核心,监测是手段,施工是保证[4].一个支护设计方案是否合理,决定了基坑工程的成败.在关于判断设计方案的合理性上有学者提出了两条标准:一是能保证基坑及周围环境的安全;二是工程造价最小化.对一个基坑工程,不同的设计人员可以拿出不同的设计方案,但这些方案中,有的工程安全性得不到保证;有的工程安全性可以得到保证,但造价太高,不是最优方案.这时应进行方案比较、方案论证,从中择取最佳方案或重新设计.进行方案论证、方案优选是设计中很重要的环节,应引起设计人员的高度重视.
2基坑工程优化设计基本原理
设计计算优化就是对由初选方案得出的支护方案的具体设计参数,如平立面布局、结构尺寸等进行优化.对于深基坑支护工程而言,由于基坑深度大,环境情况比浅基坑工程更加复杂,因此目前主要是用多支撑、多锚杆或支撑与锚杆共用的支护体系.优化设计所得的结果,不仅要求“可行”而且也要求“最优”.这里所说的“最优”,是相对设计者预定的要求而言.
对于设计者评价设计“优”的标准,在优化设计中称为目标函数.结构设计的量,以变量形式参与结构优化设计的称为设计变量.设计时应遵守的几何、强度及刚度等条件称为约束条件.结构优化设计中,选择设计变量,确定目标函数,根据约束条件列出约束方程,称为制定优化设计的数学模型.有了优化设计的数学模型后,还要选择合适的优化方法,进行结构优化设计,从而得到优化后的结构设计.在制定优化设计的数学模型过程中,必须明确以下几个概念[1]:
(1)给定参数:给定参数指预先给定的描述结构特性的参数,在优化设计过程中,其值是通常固定的,一般作为常量考虑.比如弹性模量E及材料容重! 等都属给定参数.
(2)设计变量:选定设计变量也就是确定需要优化的参数.从建立和求解某种最优化数学模型的角度
收稿日期:2006-01-12作者简介:曾照明(1976-),男,山东潍坊人,山东水利工程总公司工程师,主要从事岩土工程设计与施工.
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河南科学
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来说,简化条件越多,考虑的参数越少就越有利,但如果过于简化条件、优化参数太少,可能导致数学模型解答的真实性、可靠性较差.因此合理选择优化参数是非常重要的.设计变量的数值通常是可变的,如柱子直径和厚度常常属设计变量.设计变量通常用函数列x1,x2,…,xn表示,并构成一个向量X=[x1,x2,…,xn]T.
(3)目标函数:目标函数指优化设计所追求的目标,它是设计变量的函数,如结构的重量最轻、造价最省通常可为目标函数,一般将目标函数表示为F(X).(4)约束条件:约束条件指结构设计中为满足使用上的各方面的要求,对设计方案施加的种种限制,如保证结构正常工作的强度、刚度和稳定要求,规范的有关规定及构造上的要求等等.(5)数学模型:建立数学模型包括选定设计变量,选择目标函数,建立约束方程等内容.在满足给定的约束条件(决定n维空间En中的可行域U,即X∈U" En)下,选取适当的设计变量X,使其目标函数V(X)达到最优值(通常为最大或最小值).深基坑工程优化设计数学模型可表述为:在满足约束条件(施工工艺、变形要求)下,寻求一组设计变量值(如支护桩长、间距等),使得目标函数达到最优值(造价最省).
3基坑工程优化设计计算优化
目前,深基坑支护结构的类型有各种板桩墙、灌注桩墙、桩锚结构、内支撑结构、粉喷桩重力式挡墙、土
钉墙等.对于类似汉口、上海等软土地区的深基坑而言,仍以各种类型的桩排或地下连续墙加锚杆或内支撑的支护结构应用较多.这类深基坑支护结构的设计计算包括外力(土压力及地面超载)和支护结构内力、弯矩变形的计算及整体稳定性、地基承载力和桩顶位移验算等等.对于高水位(或高水头)地层,尚需进行地下水处理(降水、隔渗)、抗管涌的设计计算[2].
在目前古典基坑支护设计中,通过概念设计和系统优化确定了支护结构方案和型式后,针对支护结构细部的设计计算优化是至关重要的,而在之前还必须选择正确的计算方法.由于支护结构型式多,地质条件变化多,深基坑时空、边界条件变化大,因此,深基坑支护结构的设计计算不同于一般的结构工程,尽管计算理论和方法多,但均不完善.如龚晓南主张将深基坑悬臂式支(围)护结构计算理论分为四类(见表1).其中第一类最为简单而近似,第四类较为精确,但计算复杂并有待于进一步研究应用[3].
表1
悬臂式支(围)护结构计算理论分类
Table1Classificationofcantileversupportstructurecalculation
类别1234
计算理论(方法)古典的板桩计算理论
弹性地基梁法
适用条件
土压力已知,不考虑墙体变形土压力已知,考虑墙体变形
方法名称举例静力平衡法杆系有限单元法(m法)
共同变形理论(弹性)土体为弹性介质,土压力随墙体变位而变化,考虑墙体变形弹性有限元法(包括土体介质)非线性变形理论
考虑土体为非线性介质,考虑墙体变形
非线性有限单元法
根据目前在工程界应用广泛的深基坑支护结构的设计计算理论和方法,将深基坑支护结构的设计计算理论可以分为三类:古典设计方法(也可称为常规设计方法)、弹性抗力法(典型的如“m”法)、有限元方法.
有限单元法作为今后基坑支护设计计算的发展方向,该方法既考虑了土体与支护结构的变形,又可得出塑性区的分布,从而判断支护结构的整体稳定性.在结构计算方面,建立了能考虑基坑围护结构和土压力的空间非线性共同作用理论及其计算方法,并编成程序,方便高效地完成基坑维护工程的计算.在设计理论方面,采用动态反演和预报方法,通过将现场量测信息、优化反演参数、围护结构体系变形与稳定性分析有机结合,可以对基坑支护位移和安全性预测建立动态预报体系.表2是现行有关深基坑规范、规程所推荐的深基坑支护结构设计计算方法.
从表2可以看出,古典设计方法和弹性抗力法仍然是目前支护结构设计的主要方法.由于设计计算方法较多,即使对于同一个工程,如采用不同的计算方法,得出的结果也会偶然不同.在实际工程中,亦不乏由于设计计算方法选取不当而造成深基坑支护结构设计过分保守或失稳的例子.因此需对这些古典设计方法加以对比研究与改进;同时发展有限元方法使之实用化、系统化,成为支护结构设计计算软件,供设计
4]
与施工管理采用[3,.
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表2
Table2
标准建设部行标
设计方法
深基坑工程结构优化设计探讨
不同规范、规程对支护结构设计计算规定的比较
稳定性分析
抗隆起采用普兰特尔承载力公式,整体稳定用圆弧法分析
=0),计算底部承载用不排水强度T(0Φ力,也可用小圆弧法验算坑底土的稳定,验算时可考虑桩墙的抗弯,整体稳定用圆弧法分折
抗隆起采用普兰特尔承载力公式,整体稳定用圆弧法分析
Canno-Prandtl承载力公式,也可用小圆弧法,桩墙的抗弯可不考虑,整体稳定用圆弧法分析
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Comparisonbetweendifferentcodesonsupportstructurecalculation
渗流稳定分析抗底部突涌计算,抗侧壁管涌验算抗底部突涌计算,抗侧壁管涌验算
悬臂及支点刚度大的桩墙采用被动区极限应力法,支点刚度小时采用弹性支点法,内力取上述两者中的大值,变形按弹性支点计算采用极限平衡法计算入土深度,二、三级基坑采用极限平衡法计算内力,一级基坑采用土抗力法计算内力和变形,坑边有重要保护对象时采用平面有限元法计算位移
采用极限平衡法计算入土深度,采用弹性抗力法计算内力和变形,也可采用平面有限元法计算变形
以桩墙下段的极限土压力力矩平衡法计算抗倾覆稳定性,板式支护结构采用竖向弹性地基梁基床系数法,弹性抗力分布有多种选择
冶金部行标
湖北省规定上海规程
以抗底部突涌计算为主,抗侧壁管涌验算较少用
抗底部突涌计算,抗侧壁管涌验算
4工程实例
汉口某医院外科病房大楼系由一栋33层塔楼及5层裙楼组成,均设两层地下室,占地面积约为74m×
66m.建设场地位于两条公路的交汇处,该基坑设计开挖深度从现地面起算主楼为12.5m,南侧裙楼为12.0m.场地地层具有明显的二元结构特征.其主要地层分布及其土力学参数见表3.
表3
层号123-a3-b456
土层名称杂填土淤泥质粘土粉质粘土粉质粘土粉质粘土含粉土粉砂粉土互层粉砂夹粉土
状态松散流塑 ̄软塑软可塑可塑软塑梢密稍密
土层分布及其土力学参数
平均厚度1.50.82.71.41.33.322
重度#(kN/m3)
18.517.218.218.917.918.820
粘聚力(kPa)
812202616122
内摩擦角#(" )m(MPa/m2)
18781282028
2.52.04.55.04.07.08.0
Table3Layersandmechanicalparameters
本基坑支护结构拟采用钻孔灌注桩排加三排预应力锚杆的支护体系.由于局部受周边建筑物桩基础
限制,采用四排较短锚杆.锚杆通过施加预应力,能够有效的控制支护桩的位移[5].
土压力分布模式按朗肯土压力理论,水土压力合算,被动土压力折减系数取1.1.排桩的入土深度按极限土压力平衡理论和等值梁法计算确定.排桩的内力、位移通过弹性抗力法和杆件有限元法计算确定.优化算法采用约束变尺度法.设计采用标号C30混凝土用作支护桩混凝土、Ⅱ级钢筋、锚杆直径为130mm.
1、约束函数为支护桩和锚杆总造价.其目标函数为:
F=(ASCS+1/4! d2Ch)L1Lt/S+(AgCS1+1/4! D2Ch1)L2Lt/St
2、强度约束为:
a=
1.25fyAs+1/8fcmdsin2!"
1/4! dfcm+3fyAs
A=
KSM-1/12fcmdsin3!" fyAs!
(sin!" +sin!" t)
(4)
32
2
(1)
(2)
(3)
" t=1.25-a
桩间距及锚杆间距1.2d! St! 2.0d
位移及其他约束条件为:桩顶位移Umax! 30mm;锚杆距桩顶距离1.5m! S! 11m;桩径0.8m! d! l.2m;
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3、求F最小值,也即支护桩和锚杆总造价的最经济优化.利用迭代法计算得到如下优化结果.表4为不同桩径,不同锚杆位置的优化计算结果.从表中可看出,对于同一桩径的支护结构,随着锚杆整体位置离桩顶越来越远,支护桩长逐渐变短,配筋率逐渐降低,锚杆总长度逐渐减小,但支护桩的水平变形则越来越大.对于同一锚杆设置位置,随着支护桩径的增大,配筋量逐渐增大,但支护桩顶位移逐渐减小.在本算例中,满足目标函数最小和位移等限制条件的优化设计结果是:支护桩直径d=900mm,间距1.2m,三排锚杆距桩顶的位置分别为3.0m、6.0m和9.5m.优化设计后的支护结构造价与古典方案相比降幅约为11%左右.
表4
Table4
目标函数F(万元)526.36558.18535.92517.64504.36486.50510.76
1000d(mm)800900
S13.01.52.02.53.03.53.0
某大楼深基坑支护经济优化比较
设计变量(其中S1、S2、S3单位:m)S26.04.55.05.56.06.66.0
S39.58.08.59.09.510.09.5
As(mm2)862211776107949812883188319812
L1(m)20.421.420.920.720.420.220.4
L2(m)43.648.946.744.543.240.843.3
位移Umax(mm)31.926.626.827.428.632.028.0
Comparisonofeconomyoptimumaboutonedeepfoundationpit
5结论
深基坑工程是一门综合性复杂的系统工程,它既要解决复杂的工程技术问题,如土体的强度与稳定问题、支护结构变形问题、支护结构与土的共同作用问题以及周边环境影响问题等,又要达到较高的经济效益,需要运用多种技术手段.目前还没有一个十分合理的求解围护结构内力的计算方法.支护系统优化就显得尤为重要.工程实践证明,概念设计和面向问题的深基坑工程设计方法是必不可少的.参考文献:
[1]徐杨青.深基坑工程设计的优化原理与途径[J].岩石力学与工程学报,2001,(3):249-251.建筑工业出版社,1998.[2]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:
[3]徐杨青.深基坑工程优化设计理论与动态变形控制研究[D].武汉:武汉理工大学,2001,52-64.[4]彭振斌.深基坑开挖与支护工程设计算与施工[M].北京:中国地质大学出版社,1998.
[5]陈国强.沿海地区“排桩-环梁-锚杆”联合支护体系设计的几个问题[J].工业建筑,2001,(3):12-13.
DiscussiononDeepFoundationPitStructureOptimumDesign
ZENGZhao-ming
(ShandongHydraulicEngineeringCompany,Jinan250014,China)
Abstract:Thescaleandthedepthoffoundationpithavebecomebiggerthanbefore,sothecalculationmethodsforfoundationpitneedtobeperfected.Thisarticlediscussestheoptimumdesignoffoundationpitengineeringfromtheorytocalculation.
Keyword:foundationpit;calculationoptimum;designoptimum