深基坑支护结构设计的优化方法

刘肖，刘兵

（1.昆明顺通建设工程有限公司，昆明 650000；2.昆明军龙岩土工程有限公司，昆明 650000）

LIU Xiao1,LIU Bing2

(1.Kunming Shuntong Construction Engineering Co.Ltd.,Kunming650000,China;2.Kunming Junlong Geotechnical Engineering Co.Ltd.,Kunming650000,China)

1 引言

随着城市人口的不断增多，对空间的利用率要求也越来越高，高层建筑项目建设数量也在不断增加。在当前新的建筑发展形势下，采取科学的支护方式并配套使用相应的施工技术，是保证建设项目安全性和可靠性的前提。深基坑支护结构能够适应现代建筑发展的要求，保证施工安全，根据实际施工情况可以发现，优化之后的深基坑支护结构设计不仅能够保障施工的安全性和可靠性，而且还可以有效降低成本，缩短工期，提高工程建筑质量，具有良好的经济效益和社会效益。

2 当前深基坑支护结构设计过程中存在的问题

2.1 土体取样问题

在深基坑支护结构设计工作开展之前，设计人员首先需要对施工场地和施工地质条件进行系统全面的勘探，明确地基土层类型以及含水量，并做好土体相关试验工作。从实际土体测试与土体取样过程来看，测试人员在土地取样期间随机性较强，没有严格按照相应标准和流程规范要求进行，导致取到的土体样品无法真实地反映出当地的地质条件和地基土层性质，影响方案设计的合理性和科学性，从而导致后续施工存在一定的问题，影响整体工程质量。

2.2 支护结构计算问题

结合建筑工程项目建设要求以及当地实际情况进行深基坑支护结构设计，并开展有效的计算工作，明确各个部件支撑受力情况，以有效评估施工方案的可行性和安全性。目前，多以极限平衡概念为基础开展深基坑支护结构的受力计算工作，在理想状态下，极限平衡理论所采用的安全系数具有建筑项目施工参考价值，但由于现实建筑环境相对比较复杂，具有多变性的特点，因此，现实安全系数通常难以充分匹配支撑结构发生损坏的情况，导致计算结果出现误差，影响后续施工的判断。从某种程度上来说，建筑工程项目以极限平衡理论为指导开展的计算工作往往只适用于静态设计条件。在土体开挖这一动态平衡过程中，安全系数难以有效匹配，同时，随着时间的不断推移，相应土体的强度会逐渐降低，并进一步产生变形问题。在具体计算的过程中通常会出现土体变形和土地动态变化问题，引起较大的计算误差，导致计算结果难以满足实际工程建设要求。

2.3 开挖空间效应难以得到满足

在深基坑支护结构设计与施工过程中，深基坑开挖一旦出现水平位移过大的情况，将会影响附近土体的状态，深基坑开挖土体的水平位移呈现两边小中间大的状态，并从基坑附近向基坑内进行，位移现象的产生会引起边坡失稳，影响开挖空间的稳定性和安全性。以往以平面应变的形式进行深基坑支护结构设计问题的处理，这种处理方式难以满足所有基坑条件，通常只适用于长条形的基坑。因此，在设计过程中，要合理做出深基坑支护结构的假设，结合深基坑支护结构设计的具体要求以及相关方案，合理调整支护结构构造，以满足工程项目建设的空间要求。

3 深基坑支护结构设计的优化方法

3.1 优化结构方案

做好深基坑支护结构设计的优化工作，可以显著降低施工成本，提高施工效率，缩短施工工期，保障企业的生产效益。首先，设计人员在进行设计方案选择时，需要以目标特征值矩阵为指导，对深基坑支护结构方案进行准确合理评价，并拟定一个值作为评价指标。组建专业队伍评估深基坑支护结构多种方案的工程造价、成本、可靠性、施工技术、施工工艺、污染问题等，针对各个因素对施工建设的影响程度给予合理评分，通过收集评分评价施工方案的可行性。在方案步骤优选的过程中，工作人员可以采用归一化的处理方式，降低一个评价内容获得的指标值进行处理，得到最优化的设计方案，保证计算结果的准确性和科学性。

其次，设计人员需要建立起一个明确的层级结构模型和判断性质的矩阵，将安全理念、环保理念、经济理念、便携理念融入层级结构模型中，使结构模型满足建设需求，并利用判断矩阵充分反映出各个因素的重要性和价值。然后，采取一致性检验与层次单排序的方法进行施工方案的评估，做好同一层次不同因素以及不同层次同一要素的排序，明确要素的重要性差别，区别不同因素对方案设计的影响，优选出最佳设计方案[1]。

3.2 优化设计计算工作

深基坑支护结构的计算方法包括弹性地基梁m法、弹塑有限单元法、经历平衡法以及等值梁法。弹性地基梁m法可以充分考虑到土地变形和支护结构破坏情况，但使用过程中仍然具有一定的局限性。比如，在深基坑支护结构设计过程中，难以有效确定m值，m值受到地质条件和环境因素影响较大，参考数据取值范围存在较大差异，影响计算结果的准确性。同时，由于参数m仅仅代表一项弹性指标，在进行深基坑支护结构设计过程中，难以直接计算支护结构的插入深度。利用该方法计算所得到的支护结构并不匹配实地测量所得到的位移情况，计算误差严重超出规范要求。经历平衡法与等值梁法主要是通过墙前后泥土压力极限平衡条件进行支护结构插入应力情况和深度的计算，该方法应用并不广泛，受到技术条件限制，难以有效计算出泥土压力的极限值，在计算过程中也没有充分考虑到支护结构以及土体变形的影响，计算结果无法为施工设计提供有效指导。因此，在深基坑支护结构挖掘施工过程中的应用并不多。目前应用比较广泛的深基坑支护结构设计计算方法是弹塑有限单元法，弹塑有限单元法可以有效获得塑性区分布状况，并综合考虑土地变形情况以及支护结构稳定性，准确判定深基坑支护结构发生形变的概率以及发生形变的程度，可以得到准确的计算结果，为设计方案的调整与后续施工的质量提供专业的数据[2]。

3.3 细部优化深基坑支护结构

对深基坑支护结构方案进行细部优化可以有效降低工程增加成本，保证施工方案的可行性。深基坑支护结构的细部优化需要综合考虑数据方案中的变量约束条件、目标函数以及优化算法这三个部分，做好深基坑施工的材料控制、人员控制、设备控制以及环境控制。相对来说，深基坑支护结构优化方案中所包含的参数比较复杂，类型较多，这些参数在某种程度上决定了影响深基坑支护结构稳定性的具体因素。确定优化方案的约束条件，结合约束条件划分深基坑支护结构的安全等级，并确定结构变形范围，根据具体的数字计算得出相关结论。在确定深基坑支护结构细部优化约束条件之后，可以应用计算机技术和软件技术进行计算，保证数据的精确性，将深基坑支护造价成本控制到最低，提高企业的经济效益。深基坑支护结构方案的优化设计与计算活动息息相关，设计人员可以采取动态规划法进行详细的编程，获得计算结果。现代信息技术的使用极大地解放了人力，减少了人类的脑力投入和工作量，数据越来越精确化，比如，在深基坑支护结构中可以通过工具箱进行方案优化设计的计算。

4 结语

综上所述，深基坑支护结构设计在我国当前建设领域的应用越来越广泛，直接关系着项目建设质量和项目建设进度。随着建筑工程项目施工环境的日益复杂，有的深基坑工程在设计施工期间存在较大的风险，施工难度大，容易出现变形和破坏问题，影响施工的安全性，因此，需要不断加强深基坑支护结构设计的优化，创新施工工艺和施工技术，提高基坑支护效果，从而推进建筑行业的可持续发展。