1、第27卷第2期 VO127 No2 湖 北 工 业 大 学 学报 Journal of Hubei University of Technology 2O12年O4月 Apr20l2 文章编号10034684(2012)02012504 深基坑土钉支护优化设计分析 张 霞，庄心善 (湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068) 摘要对深基坑土钉支护进行了系统优化、反演分析优化以及优化模型分析，特别对参数选取、土压力计算、土 钉支护稳定性进行了探讨，从而使支护方案能够降低造价、缩短工期 关键词深基坑；土钉支护；优化设计 中图分类号TU433 文献标识码：A 对于一深基坑工程的设计方案，
2、在保证结构本 身的强度和基坑变形要求下，要做到安全、经济、合 理的统筹兼顾，对其进行优化设计是很有必要也是 可行的从已有的工程资料发现，采用优化设计的基 坑方案可节约至少5 的资金对于优化，就是在安 全的前提下使设计能节约材料，方便施工，具有较高 的经济效益等 系统优化、设计计算优化和动态反演分析优化， 是深基坑工程在优化设计时要进行的优化流程工 作系统优化，是在考虑某一深基坑工程的具体要求 下优选出一个最佳方案，即所谓的方案优化在方案 选择确定后，对该方案进行细节部分的优化计算，即 是设计计算优化本文以土钉支护为例对土压力模 型、计算方法、土钉布置方式、土钉长度和间距等优 选在同类工程及地质
3、条件下，利用当下施工阶段已 量测到的位移和应力数据，反求地层形态参数和初 始应力状态的措施，即为动态反演分析优化，通过这 一过程达到能够准确预测下一工况中土体变化状态 和支护结构的力学状态响应_l 等，通过反复对比计 算最终取得反映土体实际工作状态的应力值 1 系统优化 深基坑工程的系统优化中，概念设计是其优化 设计的第一步，对可行方案的筛选与优化来说是十 分重要的一步概念设计具体来说有两层含义：一是 首先考虑某一深基坑工程的几何特征以及其影响范 围内的水文地质条件情况，然后从这一关键问题人 手进行方案的优化选择；二是对所选方案进行定性 分析，确定后续施工设计时采用的土压力模式和计 算方法从而
4、达到支护方案的筛选和优化 2设计计算优化 在支护体系确定后，对所选方案的计算参数、计 算模型、支护结构的细部进行优化计算等，即是所谓 的设计计算优化例如对土钉长度、间距、土钉布置 方式和倾角等优选 21 参数选取 设计计算参数的选取，对支护结构的内力和稳 定性的计算至关重要影响其稳定性计算的参数有 很多，比如除自重外的地表及地下荷载；土钉长度、 间距和布置方式，土钉设置和层数；土体的重度、弹 性模量等在上述的一些参数中，有些参数是已知确 定的，比如地表及地下荷载、基坑尺寸等；一些参数 可通过优化选取，例如土钉长度、布置方式等；还有 一些参数是出自勘察资料的，且可以针对具体情况 进行适当的调整例
5、如土体的抗剪强度指标c、 值，土层的弹性模量等尤其是土体的抗剪强度指标 c、 值的选取，对支护结构设计计算有至关重要的 影响 22水土压力计算 土压力计算是深基坑支护结构设计的一个重要 环节土压力计算常用的理论有：CoulombRankine 收稿日期201112一O6 基金项目湖北省教育厅重点项目(D20081408) 作者简介张霞(1984一)，女，河南周口人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向结构工程 万方数据126 湖 北 工 业 大 学 学 报 2012年第2期 土压力理论和极限平衡理论Rankine理论假定墙 体是刚性的，填土面水平，计算时考虑了土的黏聚 力，但是墙背与填土间的摩擦对
6、土压力的影响_2没 有考虑在内采用RanKine理论计算土压力时，在 砂性土层和含水粉质土层中，使用水土分算，有工程 经验时，在粘性土中可水土合算Coulomb理论假 定墙后填土是理想的散粒体，考虑了墙背与填土的 摩擦因素，但未考虑土的黏聚力对土压力的影响；极 限平衡理论通常假设一个潜在的滑裂面，总体上来 说是比较严格的土压力理论一般对主动土压力的 计算，3种理论差别不明显；但是对于被动土压力系 数的计算，采用Rankine理论会偏小【。j一些 计算时常用的两种土压力模型是经典土压力模 型和弹性土压力模型本文主要介绍一下弹性土压 力模型(图1) (a)零分柿 (b)矩形分布 图1弹性法土压力模
7、型 在土压力计算时，基坑外侧竖向应力标准值 采用建筑基坑支护技术规程计算模式计算，计 算简图如图2所示，计算公式为 = +CSok+Glk 式中， 是计算点处的自重应力标准值； 则为基 坑外侧任意深度均布荷载产生的竖向应力标准值； 则为基坑外侧任意深度局部荷载产生的竖向应 力标准值基坑外侧竖向应力标准值采用上述计算 公式，对作用于支护结构上的侧压力标准值的计算 采用Rankine理论 在计算基坑外侧竖向应力标准值时，还要考虑 支护结构附加侧向压力的计算，当坡顶地面或地面 以下有相邻条形基础荷载时，对附加侧向压力的计 算可以按线荷载Q (kNrn)考虑，计算出的结果加 入以上总侧压力标准值计算公
8、式如下： 一 Q： 丝 H (016+ ) 4QL m2n 丌H (m + )。 ( 04)， (m04) 式中，P 则为附加侧向压力；H是相邻基础地面 以下的围护墙体高度；m、 分别是。H、ZH 的比值，a为场地内集中荷载到支护结构的距离，Z 则为相邻基础地面至计算点的深度 q0 rI、 lI ， (a)a。 计算简图 (b) 计算简图 图2各应力计算简图 23 土钉支护稳定性验算和变形计算 根据极限状态理论，考虑土钉支护结构的两种 极限状态，即正常使用极限状态和承载能力极限状 态，对土钉支护结构进行设计时通常应进行下列计 算和验算4： 1)对土钉支护结构的强度和稳定性进行分析 计算； 2)
9、对土钉挡墙进行抗滑移、抗倾覆和变形验 算； 3)对土钉支护结构和周边环境的变形进行验 算； 4)当场地内有地下水时要对抗渗透稳定性和 坑底抗突涌进行稳定性验算 目前基坑围护结构的计算方法很多，主要有等 值梁法、支撑荷载的1z分担法、弹性抗力法和有限 元法等 等值梁法和支撑荷载的1z分担法这些经典法 在计算浅基坑或者无变形要求的土钉支护结构中应 用比较广泛，但是对于一些深基坑支护工程的结构 设计，上述计算方法就难以考虑更为复杂的条件和 难以准确分析支护过程中墙体结构内力和位移的变 化，墙体变形对侧压力及周围环境的影响，坑底加固 及降水处理对土压力的影响以及空间效应问题等 由于上述的经典法从理论上
10、无法真实反映土钉 支护结构的实际工作性状，从而推动了弹性抗力法 的使用弹性抗力法要点是考虑到挡墙位移的控制 要求，基坑内侧不可能达到完全的被动状态，而对挡 墙土压力计算问题提出了改进墙体承受的的水平 荷载直接采用外侧的主动土压力值，对挡墙位移与 内力的计算采用弹性地基梁法，对土体变形与应力 状态计算采用弹性支点法，然后基床系数的计算用 m法进行合理选择，通过采取上述一系列措施使墙 万方数据第27卷第2期 张 霞等 深基坑土钉支护优化设计分析 l27 体的内力与变形计算更精确合理 有限元法是目前基坑开挖模拟与计算分析运用 较为普遍的方法在土钉支护结构的分析计算中，使 用有限元法不仅可以模拟基坑开
11、挖和支护过程中应 力与应变场的变化规律，还可确定不同施工阶段内 的土钉内力和变形总之，采用有限元法可以有效解 决上述经典方法不能求解的力学问题 24优化模型原理 在结构优化设计中，选择所需的设计变量，列出 相关的约束条件，建立目标函数，从数学角度上将， 就是在一定约束条件下建立一个以工程总体造价为 目标函数的数学模型l 一般土钉与锚杆复合支护 工程的优化模型可按下列步骤建立 1)选择所需的设计变量 a)土钉墙参数：包括土钉层数、长度、间距和倾 角等，土钉钢筋和混凝土强度等 b)锚杆参数：包括锚杆长度与位置等；锚具的 数量及规格等 c)定额参数：上述各部件的定额单价或市场价 格，例如土钉、钢筋、
12、砂浆等的定额单价 2)相关约束条件 相关设计变量的取值约束，例如土钉间距宜 为l2 m，土钉长度为开挖深度的0512倍等 b)相关设计准则约束支护结构和周边环境 的变形限制要满足规范要求；土钉支护的稳定性 以及挡墙基础的地基承载力验算应满足规范要求； 土钉挡墙的抗倾覆、抗滑移验算应满足规范要求 等 3)优化模型建立 一般复合土钉支护优化模型可表示为 minf(X)一M1+M2+M3，XE ， Sth (“)一0 (“一1，2，3，)， g ( )0( 一1，2，3，) 式中，minf(x)为目标函数，是支护工程总体造价 最小，经济效益最佳的目标函数；M 则为土钉墙定 额费用，M 则为锚杆定额费
13、用，M3则为土钉成孔 后的压力注浆或钻孔注浆以及泥浆外运的机械设备 费用；h (“)是指一些等式约束条件；g ( )是指 一系列不等式约束条件 综上，土钉支护优化设计的数学模型可概述为： 在满足约束条件下，寻求一组设计变量值(如土钉长 度、间距、倾角等)，使得目标函数总体造价最低，以 便达到最佳的经济效益 3反演分析优化 常规的分析方法是用已知的力学参数来求解工 程结构的应力与位移，在基坑支护过程中，由于地质 条件的复杂性和参数的不确定性，采用此方法往往 难以得到令人满意的计算结果，因而反演分析方法 得到了开展反演分析方法是指依据现场量测到的 位移和应力数据，通过选择合理的本构模型来反算 出土
14、体的原始应力参数，然后再用这些参数进行工 程设计与计算工程中常用的反演分析法是直接法， 它采用最小二乘法原理，避免了测量误差的影响，这 一分析方法在今后必将得到广泛的应用 在进行上述反演分析计算时，比较常用的是弹 性地基梁法，在弹性地基梁法中，支护体系则被作为 一竖直的弹性地基梁的形式来使用，用弹性支点法 模拟支护体系的作用使用该方法，可以明确土体和 支护结构之间的相互作用，可以考虑支撑点刚度及 土体变形与应力状态，该方法一开始主要解决平面 问题现在慢慢发展到可以解决一些支撑体系作用的 空间问题，从而在一定程度上增大了计算结果的可 靠度和合理性用m法计算土应力，利用现场实测 数据选择合理力学模
15、型来计算修正反映土体实际工 作性状的m值 通常采用以下的计算步骤： 1)支撑刚度计算对于钢筋混凝土撑或钢支 撑，其支撑刚度 K一2aEA(LS) 式中，a为支撑松弛折减系数，钢筋混凝土支撑一般 取10，钢支撑通常在0710之间取值；L为支 撑的计算长度；A为支撑横截面积；S为支撑的水 平间距 2)用m法计算土抗力，则有 户：kym(zD)y 式中，k为土体水平向弹簧系数；m为地基反力系 数；D为基坑开挖深度；Z为开挖前参考点所在土层 深度；Y为参考点处的结构位移 3)确定目标函数并使其最小化将上述K、P 与非线性优化相结合，建立地基土m值的直接位移 反分析方法，通过多次修正给定的原有初始应力值
16、， 使计算值和实测值更加接近，差异达到最小，进而获 得与实际情况相吻合的能够反映土体实际工作性状 的m值则目标函数 n 。一 f(m1)= (甜f一“ )。一min il 其中，“ 、, 则分别为支护结构上测点i的水平位 移计算值和实测值； 则为测点总数然后计算求其 最小值，则所得土层参数 即是满足优化要求的参 数 同理，当将泊松比 、黏聚力f、内摩擦角 等 万方数据128 湖 北 工 业 大 学 学报 2012年第2期 视为已知参数时也可反算土层的弹性模量E等 4降水优化设计 一定的约束条件下使降水成本最低即是所谓的 降水优化设计其中的约束条件则是沉降变形对基 坑的边坡安全不造成影响，保证沉
17、降量小于周围建 筑物的允许沉降量，基坑底板不发生突涌破坏等；降 水工程成本最低就是选择合理的地下水控制方法， 在较短的时间能使降水要求得到满足对基坑进行 降水优化设计，一般可从下列几方面着手： 1)根据场地水文地质条件及周边环境要求，选 择合理的地下水控制方法一般情况下，采用降水措 施比采用截水措施经济，在粉土、粉质黏土和含薄层 粉砂层的淤泥质土中大都采用降水措施，降水深度 一般控制在1020 m，截水措施一般运用在水源近 且渗透系数较大或周边建筑物要求水位降深较小的 基坑工程中 2)针对不同地下水控制方法和水文地质特征， 采用相应的降水计算方法 3)降水时间的早晚不但影响到基坑本身的强 度和
18、水平位移，还对周边环境产生影响，所以要选择 合理的降水开始时间 4)合理控制水位降深 5 结束语 深基坑是一门相当复杂的系统工程，随着城市 建设的发展和技术进步对其的要求越来越高，它既 要解决一系列工程问题，又要达到较高的经济效益 因此，对深基坑工程进行优化设计是很有必要的，做 好优化设计的第一步即明确支护系统的优化设计流 程是很重要的从已有工程资料发现，采用优化设计 的基坑支护方案可节约至少5的资金，这对解决 深基坑工程成本问题有很大的帮助 参 考 文 献 1 朱合华，丁文其地下结构施工过程的动态仿真模拟分 析Ej-1岩石力学与工程学报，999，18：558562 2卢廷浩土力学I-M南京：
19、河海大学出版社，2002 E33詹建华基于Matlab的深基坑优化设计理论与应用研 究I-D-1武汉：武汉理工大学图书馆，2005 4赵同新，高霈生深基坑支护工程的设计与实践M 北京：地震出版社，2O1O 5余志成深基坑支护设计M北京：巾国建筑工业出 版社，1997 6 冯俊福，俞建霖反分析技术在基坑开挖及预测中的应 用J建筑技术，2004，35(5)：346347 The Analysis on Optimum Design of Soil Nailing Retaining in Deep Excavation ZHANG Xia。ZHANG Xinshan (School of Civi
20、 Eng&Architecture，Hubei Univof Tech，Wuhan 430068，China) Abstract：The paper analyzed the system optimization，dynamic inversion optimization and optimization model of soil nailing structure in deep excavation，focusing on parameter selection，calculation of earth pressure，and stability of soil nailing，SO that the support scheme can reduce costs，and shorten the con struction period Keywords：deep foundation pit；soil nailing；optimum design 责任编校：张培炼 万方数据
