基坑排桩支护毕业设计

'安徽建筑大学本科毕业设计摘要经过多年的发展，深基坑工程已发展成为一门综合性的学科。随着高层、超高层建筑项目日益增多，地下工程的大量施工，基坑开挖深度越来越深，开挖面积逐渐增大，相对的是场地越来越狭窄，使施工所遇到的难度也越来越大，因为在深基坑开挖支护过程中，不仅要保证基坑自身的稳定，还必须保证临近建筑设施的安全与稳定。如何优化选择一种既能保证深基坑开挖施工过程中的安全稳定性，又能取得较好经济效益的深基坑支护结构方案，一直以来都是基坑工程研究的首要问题。目前基坑支护结构种类很多，如何根据实际需要选择合适的支护结构并合理地确定支护结构的参数仍然是一个难题。由于排桩支护结构具有环境影响小、地层适应性强等优点，被广泛用于基坑支护工程中。本文以排桩支护结构为研究对象，深入研究其结构问题。本文首先对深基坑支护结构的工程特点进行了论述，介绍了几种常用深基坑支护的结构类型；然后，论文介绍了排桩内支撑的概念，排桩支护类型及支撑类型，简述了其应用范围，对排桩支护结构的计算理论进行较为全面、系统的分析和研究；最后，对基坑开挖9m的实际工程采用排桩钢支撑支护结构应用等值梁法进行了设计计算,使用同济大学启明星软件进行整体计算、校核、编制计算书，计算结果可供工程设计和施工参考。关键词：深基坑；深基坑支护；等值梁法；单排桩钢支撑73 安徽建筑大学本科毕业设计AbstractAfteryearsofdevelopment,deepfoundationpitengineeringhasdevelopedintoacomprehensivediscipline.Withhigh-level,high-risebuildingprojectsincreasing,theundergroundengineeringofconstruction,moreandmoredeepfoundationpitexcavationdepth,excavationareaincreasesgradually,relativefieldismoreandmorenarrow,makeconstructionencounteredthedifficultyalsobiggerandbigger,becauseintheprocessofdeepfoundationpitexcavationsupporting,itshouldnotonlyguaranteethestabilityoffoundationpititself,alsomustguaranteethesafetyofadjacentbuildingfacilitiesandstability.Howtooptimallychooseadeepfoundationpitsupportingstructureschemethatcannotonlyensurethesafetyintheprocessofexcavationofdeepstability,alsoobtaingoodeconomicbenefitshasalwaysbeentheprimeproblemofthefoundationpitengineeringresearch.Thefoundationpitsupportingstructureisalotofmorephyletic,howtochooseappropriatesupportingstructureaccordingtoactualneedsandreasonablydeterminetheparametersofthesupportingstructureisstillaproblem.Duetopilesupportingstructurehastheadvantagesofsmallenvironmentalimpact,formationstrongadaptability,iswidelyusedinfoundationpitsupportingengineering.Basedonthepilesupportingstructureastheresearchobject,thefurtherthisarticlestudyofthestructure.Thisarticlefirstdiscussestheengineeringcharacteristicsofdeepfoundationpitsupportingstructure,thispaperintroducesseveralcommontypesofdeepfoundationpitsupportingstructure;Then,thepaperintroducestheconceptofpilebrace,thepilesupportingtypeandsupporttype,describesitsapplicationscope,Throughthecalculationtheoryofpilesupportingstructureismorecomprehensiveandsystematicanalysisandresearch;Finally,theexcavationofthe9mengineeringusingpilesteelsupportapplicationofequivalentbeammethodforthedesignandcalculationofretainingstructure,usingtheTongjiuniversityQimstarforintegralcalculation,check,formulationofcalculation,thecalculationresultscanbeusedforreferenceintheengineeringdesignandconstruction.Keywords:deepfoundation;deepfoundationpitsupport;equivalentbeammethod;singlepilesteelsupport73 安徽建筑大学本科毕业设计目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1本文研究意义11.2基坑排桩支护结构的发展状况41.3排桩内支撑支护结构形式61.3.1排桩支护类型71.3.2排桩支撑类型111.4本文主要研究内容13第二章基坑排桩支护结构设计基本理论152.1基坑支护设计基本原则152.2侧壁安全等级及重要性系数152.3土压力理论162.3.1经典土压力理论172.3.2水压力计算理论202.4单支点排桩支护设计和计算222.4.1自由端单支点支护桩的计算（平衡法）232.4.2等值梁法232.4.3M法24第三章工程概况263.1工程简介263.2地基土层分布与特征263.3地下水273.3.1潜水273.3.2微承压水283.3.3承压水283.3.4土层渗透性283.3.5地下水水质分析及腐蚀性评价293.4不良地质作用和对工程不利埋藏物293.5基坑设计各层土的主要力学指数293.6对地基土的评价29第四章工程实例基坑支护设计计算314.1基坑支护结构方案设计3173 安徽建筑大学本科毕业设计4.2等值梁法手算324.3配筋计算364.4稳定性计算394.5启明星软件电算39第五章结论与展望465.1结论465.2展望47致谢48参考文献49附录（英文翻译）5073 安徽建筑大学本科毕业设计第一章绪论1.1本文研究意义基坑工程是基础和地下工程施工中的一个传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型的强度、稳定及变形问题，还涉及土与结构共同作用问题、基坑中的时空效应问题以及结构计算问题。对它的研究将随着土力学理论、计算水平、测试技术、数值模拟、施工机械和施工工艺等技术的发展而进步，基坑工程同时也是高难度岩土工程课题，其影响因素多，主要有：场地环境、水文地质条件、施工管理和现场检测、气候条件等，事故隐患多[1]。随着高层、超高层建筑项目日益增多，地下工程的大量施工，基坑开挖深度越来越深，开挖面积逐渐增大，相对的是场地越来越狭窄，使施工所遇到的难度也越来越大，因为在深基坑开挖支护过程中，不仅要保证基坑自身的稳定，还必须保证临近建筑设施的安全与稳定。迫使工程技术人员须从新的角度去审视基坑工程这一综合课题，为更加合理的设计和施工基坑工程提供指导。根据支护结构的性质和结构本身，对其进行大致分类，见表1-1所示。表1-1深基坑支护体系分类表透水挡土结构止水挡土结构挡土部分H型钢、工字钢板加插板地下连续墙疏排灌注桩钢丝网水泥抹面深层搅拌桩水泥土桩、墙密排桩（灌注桩、预制桩）深层搅拌水泥桩、加灌注桩双排桩挡土密排桩间加高压喷射水泥桩连供式灌注桩密排桩间加化学注浆桩桩墙合一、地下室逆作法钢板桩土钉支护闭合拱圈墙插筋补强支护-------支撑部分自立式（悬臂式、墙）锚拉支护（锚拉梁、桩）土层锚杆钢管、型钢支撑（水平撑）斜撑环梁支护设计逆作法施工73 安徽建筑大学本科毕业设计支护结构可根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节条件按表1-2进行选取。表1-2深基坑支护结构的使用条件结构选型使用条件排桩或地下连续墙1、适用于基坑侧壁安全系数1、2、3级；2、悬臂式结构在软土场地中不大于5m；3、当地下水位高于基坑底面时，宜采用降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙水泥土墙1、基坑侧壁安全等级为2、3级；2、水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于150Mpa；3、基坑深度不宜大于6m土钉墙1、基坑侧壁安全等级为2、3级的非软土场地；2、基坑深度不应大于12m；3、当地下水位高于基坑底面时，应采用降水措施或者截水措施逆作拱墙1、基坑侧壁安全等级为2、3级；2、淤泥河淤泥质场地不宜使用；3、拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8；4、基坑深度不宜大于12m；5、当地下水位高于基坑底面时，应采用降水措施或者截水措施放坡1、基坑侧壁安全等级为3级；2、施工现场应满足放坡条件；3、可独立或与上述其他结构类型结合使用；4、当地下水位高于基坑底面时，应采用降水措施基坑支护体系由支护结构和支撑体系组成，而根据其施工、开挖方法可以分为无支护开挖与有支护开挖方法[2]。无支护的放坡基坑工程一般包括以下内容:①降水工程；②土方开挖（工艺及设施）；③地基加固及土坡护面。有支护结构的基坑工程一般包括以下内容:①支护结构；②支撑体系；③土方开挖(工艺及设施)；④降水工程；⑤地基加固；⑥检测；⑦环境保护。基坑工程在我国发展较晚，但是发展趋势迅速。70年代以前我国建筑水平比较落后，高层建筑较少且地下室多为一层，基坑深不过4m，常采用放坡开挖。8073 安徽建筑大学本科毕业设计年代后，我国大力发展城市建设，新建了大量的高层（超高层）建筑，同时许多大城市进入了大规模的旧城改造阶段，各种地下市政设施、地下商场、地铁车站的兴建使基坑工程在我国有了广泛的应用，同时也促进了基坑工程理论和施工技术的迅猛发展[3]，基坑工程是一门综合性很强的系统工程，但总体来说，基坑工程有如下特点：（1）基坑工程呈现出深、大、多等特点随着城市建设的发展，目前国内兴建了大量高（超高）层建筑，基坑工程越来越多，开挖面积越来越大，开挖深度也越来越深。据初步统计,近20年来，我国各大中城市中10层以上的建筑物已逾1亿平方米，其中高度超过100m的建筑物已有约200座。上海金茂大厦、深圳第一信兴地王大厦、赛格广场的高度均超过320m。上海中心工程更是高达到632m,建筑高度令人瞩目。同时，已建和在建的建筑的基坑深度也越来越深，开挖面积也越来越大。如上海中心城区基坑最深的嘉里中心南塔楼开挖深度达到了31.5m。天津高银中央商务区(又称117大厦)基坑长368米、宽262米，大面积开挖深度为19米，主塔楼部位开挖深度为37米，是世界房建单体项目土方量最大、开挖深度最深的工程。润扬长江大桥北锚锚旋基坑的深度更是达到50m，目前这在国内是第一深基坑，在国际上也是罕见的。随着我国经济建设的不断发展,我国的高层建筑将会越来越多，深基坑工程应用也会越来越广泛，深基坑工程向大深度、大面积发展是必然的趋势。（2）基坑支护形式多样化早期的基坑工程由于基坑深度较浅，常采用放坡开挖的形式。但是随着基坑工程的发展,基坑开挖深度越来越深，开挖面积越来越大，施工环境也越来越复杂,放坡开挖已不能满足工程要求。经过工程实践的筛选,形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的多样化的支护结构体系。目前深基坑工程中常用的有悬臂式围护结构、水泥土重力式挡土墙围护结构、内支撑围护结构、拉锚式围护结构、土钉墙围护结构、双排桩门架式围护结构以及复合支护型围护结构等数十种支护形式。（3）逆作法施工技术的广泛应用逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构暴露的时间，改善支护结构受力性能,使其刚度大为增强，减少支护结构的变形及对相邻建筑物的影响，并且降低总造价，一举多得，是一种先进的施工作业方法，因此在深基坑工程中大量被采用。目前国内大部分的高层及超高层建筑例如上海环球金融中心、北京王府井大厦、安徽国际金融贸易中心工程均采用逆作法施工技术。（4）基坑周边施工环境的复杂化73 安徽建筑大学本科毕业设计深基坑施工不仅要确保本身基坑稳定，更要注意对已有建筑的保护。而目前国内的许多大型基坑工程都是在繁华的城区内进行深基坑开挖，基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设施,基坑周边施工环境越来越复杂。如上海中心主楼工程地处浦东陆家嘴金融开发区的核心地带，基坑四周被金茂大厦、环球金融中心、盛大金磐住宅小区和在建的太平金融大厦环绕，最近间距只45米左右，深基坑施工环境极其复杂，对施工技术要求极高。（5）设计方法的发展和专业软件的开发对支护结构采取按变形控制的设计方法正逐渐代替传统的单纯验算强度和稳定性的方法，并逐步完善。同时对传统土压力理论进行改进或发展,提出了考虑位移的土压力计算公式，并考虑土与结构的共同作用，提出了模拟施工过程的计算方法。目前国内根据现有的深基坑支护理论编制研发了大量的深基坑支护设计专业软件。如武汉地区的“天汉”软件,北京地区的“理正”软件,上海地区的“启明星”软件等。各种深基坑支护设计专业软件的开发及应用极大的方便和简化了支护结构的设计,提高了深基坑工程设计的效率。1.2基坑排桩支护结构的发展状况基坑工程在国内进行广泛研究始于80年代初期。基坑支护体系的设计包括支护结构的计算和复核、质量检测及施工监控等几方面。对基坑支护结构进行设计时首先应对支护结构进行选择[4]。支护类型应因地制宜,结合场地工程地质条件和水文地质条件、基坑开挖深度及周边环境,并参照邻近基坑工程和当地的基坑工程、当地技术法规及标准来确定。为了把排桩支护结构技术更好地应用到工程中，人们对排桩的工作性能进行了深入的探讨和研究。研究手段包括理论研究、数值分析和室内外实验研究等几个方面，重点对排桩内力、排桩变形、稳定性和排桩相互作用及优化设计等方面进行了探讨和分析。排桩支护是深基坑支护的一个重要组成部分，在工程中已得到广泛使用。它随着科学技术的发展、时代的需要而产生；随着岩土工程、结构工程、环境工程的不断发展而发展；随着工程力学、计算方法、材料科学的发展，其受力特性将更加明确，形式将更加多样。随着基坑开挖深度的加大，排桩支护结构得到普遍运用。1993年开始,由于高层和超高层建筑的大量涌现，基坑的开挖深度愈来愈大，普遍挖深在6~7m以上，加之基坑周边可以利用的场地愈来愈狭窄，简单的放坡及排桩支护已不能满足要求。此时，悬臂式大直径钻孔灌注桩和人工挖孔桩成为主要的支护结构类型。由于大量采用悬臂式的支护结构出现变形过大、断桩事故，周边环境也受到较大影响,开始对挖深大于8~9m的基坑开始采用排桩加钢管内支撑或锚杆的支护技术。1994年开始，排桩加内支撑或排桩加锚杆的支护技术广泛应用于挖深在10~12m的基坑工程，并以桩锚支护结构居多[5]。Iame[5]73 安徽建筑大学本科毕业设计定性地分析出了若干因素对基坑周边土体变形的影响，并归纳为八个方面:（1）基坑尺寸(长度、宽度、深度)；（2）土的性质；（3）地下水状况；（4）基坑暴露时间；（5）支撑体系；（6）开挖和支撑的顺序；（7）邻近的建筑和设施；（8）活荷载。Bransby[7]等对砂土地层中的悬臂板桩进行了室内模型试验,通过该试验研究了板桩和土体在土方开挖过程中的受力变形特性，并研究了土与挡墙之间接触面光滑程度及砂土性质等因素对挡墙侧移大小和坑周土体沉降变形的影响。Laefer,DebraFer[8]分别具体地研究了刚性与柔性悬臂支护结构对基坑周边土体沉降及近邻建筑物发生位移所产生的不同影响。吴铭炳[9]根据福州软土基坑应用排桩支护结构的原位测试结果，分析总结了排桩支护结构实际受力变形特征，对比了不同理论计算结果与实测结果的异同,提出了：（1）控制排桩位移措施。（2）围护桩为受弯构件，桩身钢筋应力状态主要与支护形式（悬臂或支撑）有关，围护桩采用双面不对称配筋，有利于发挥围护桩强度。（3）悬臂式排桩顶部位移最大，其大小主要受土层性质控制，支（锚）撑式支护桩位移在开挖面附近达最大值，其大小主要受支护结构本身刚度控制。（4）钢筋混凝土内支撑松弛系数：第一层支撑=0.9~1.0，第二层支撑=0.7~0.9,第三层支撑=0.5~0.7,应尽量减少支撑层数。（5）目前常用的计算方法对（软土地基）一层支撑的排桩支护计算较为准确，二层以上支撑的排桩支护内力应采用考虑支撑设置滞后的m法计算，但由于软土的特殊性位移计算仍不准确，在支护设计中应采取相应措施。许锡昌，陈善雄，徐海滨[10]以矩形基坑悬臂排桩支护结构为研究对象，通过分析现场实测数据和数值计算，归纳出了冠梁和支护桩的空间变形模式，建立了整个支护系统的能量表达式。利用最小势能原理，推导了基坑中部桩顶最大位移的解析解，分析了各主要支护参数对该位移的影响。研究结果表明，桩顶最大位移随坡顶超载和桩间距的增大基本呈线性增大趋势；当嵌固深度系数逐渐增大时，桩顶最大位移也逐渐增大，但趋势渐缓；基坑长度对其影响也较大，当基坑长度超过一定数值后，最大位移值趋于稳定。最后利用所得的研究成果对某基坑进行了验证，并与现场实测结果进行了对比，计算结果能够满足工程要求。桩顶圈梁协调了桩与桩之间的协同工作，但尽将圈梁作为一种安全储备造成一种浪费。何建明，白世伟[11]以圈梁两端固定为假设条件，建立了深基坑排桩一圈梁支护系统空间协同作用的计算模型与方法。计算结果表明:排桩一圈梁支护系统有明显的空间协同作用，在工程设计和施工中，可以把圈梁作为排桩支护系统的第一道支撑考虑，并根据圈梁在不同部位所起的不同作用来合理配置受力筋，充分发挥圈梁的作用。林雪梅[12]73 安徽建筑大学本科毕业设计结合具体工程探讨软土地基排桩支护的优化设计并对监测的结果进行分析，包括：方案优选、支撑点位置的优化、支撑结构体系的确定、监测排桩钢筋应力、土压力、排桩水平位移。总结出：（1）软土地基深基坑支护设计，应根据场地情况和周边环境，进行多种方案的经济技术比较，提出优化设计方案；（2）支撑梁的刚度和强度是控制基坑变形的关键，应做到强支撑弱节点；（3）基坑支护的现场监测是基坑工程的重要环节，应做好信息反馈和分析工作。根据空间杆系有限元方法，建立了排桩支护结构的计算模型。分析了切向平面内圈梁对支护桩结构变形，内力的影响和法向平面内基坑的几何尺寸效应。本世纪以来，基坑工程的场地条件愈来愈严峻，工程地质、水文地质条件及对周边环境的保护等，都成为基坑工程中的难点。喷锚支护由于造价较低得到广泛运用，同时为满足日益艰巨的工程条件，逐渐发展了复合喷锚支护和复合土钉墙，但在基底软土层厚度较厚时，仍易发生工程事故，这些因素反而促进了双排桩支护结构和多支撑排桩支护结构的发展。1.3排桩内支撑支护结构形式目前深基坑工程支护形式多样化，其中排桩支护体系由于可靠性高、不侵越红线、便于与逆作法相结合等优点而受到了越来越广泛的应用，排桩支护结构已逐渐成为深基坑工程中应用最为广泛的支护形式之一，因此对于排桩支护结构体系的研究具有重要的理论价值和现实意义。由于排桩支护对各种地质条件的适应性、施工简单易操作且设备投入一般不是很大，在我国排桩式支护是应用较多的一种。排桩通常多用于坑深7~15m的基坑工程，做成排桩挡墙，顶部浇筑混凝土圈梁，它具有刚度大、抗弯能力强、变形相对较小，施工时无振动、噪声小，无挤土现象，对周围环境影响小等特点。当工程桩也为灌注桩时，可以同步施工，从而有利于施工组织，且工期短。当开挖影响深度内地下水位高且存在高透水层时，需采取隔水措施或降水措施。当开挖深度较大或对边坡变形要求严格时，需结合拉锚系统或支撑系统使用。图1-1排桩内支撑结构示意图73 安徽建筑大学本科毕业设计排桩内支撑支护结构是一种广泛应用的基坑支护形式，它主要由支护排桩、钢支撑或钢筋混凝土支撑和外侧各式止水（防挤土）帷幕（高压旋喷桩、水泥搅拌桩等)等构成，如图1-1。各个结构构件之间相互联系、相互影响、构成一个有机统一整体，采用“外护内支”方式保持基坑开挖过程中土体应力场与渗流场处于静力平衡或动态平衡稳定状态。其中外护是指依靠围护墙体（排桩）挡住基坑边壁土体（防止土体颗粒的大量流失）、阻止地下水渗漏；内支是指为保证整体结构的稳定和具有一定的刚度并且受力均衡，采用内支撑为围护墙体（排桩）的稳定与平衡提供足够的支撑力。1.3.1排桩支护类型支护结构中的排桩是主要受力结构,有多种形式，主要有：钻孔灌注桩、预制钢筋混凝土板桩或者钢板桩、人工挖孔桩等，其中钻孔灌注桩应用最广泛。钻孔灌注桩一般直径不宜小于400~500mm，桩间距通常由桩间土稳定条件及排桩受力确定，一般不大于桩径的1.5倍。为防止桩间土体的塌落滑移，通常在桩间土体表面采用水泥砂浆钢筋网护面，或对桩间土体注浆加固。（1）按基坑开挖的深度及支护结构受力情况,排桩支护结构可以分为以下几种：①无支撑(悬臂)围护结构当基坑开挖深度不大时,可利用悬臂作用挡住围护结构后土体。②单层支点支护当基坑开挖深度较大时,不能采用无支撑围护结构,可以在围护结构顶部附近设置一单支撑。③多层支点支护当基坑开挖深度较深时，仅仅设置一层支撑已经不能满足控制支护结构内力和位移的要求，可以在不同的标高处设置多道支撑，以减少围护结构的内力和位移。（2）排桩支护依其结构形式可分为悬臂式支护结构与（预应力）锚杆结合形成桩锚式和与内支撑(钢筋混泥土支撑、钢支撑)结合形成桩撑式支护结构[13]。①悬臂式排桩支护结构悬臂式支护结构主要是根据基坑周边的土质条件和环境条件的复杂程度选用，其技术关键之一是严格控制支护深度。如图1-2所示，悬臂式支护结构适用于开挖深度不超过l0m的粘土层，不超过5m的砂性土层，以及不超过4-5m的淤泥质土层。悬臂式排桩结构的优缺点及适用范围如下：（a）优点：结构简单，施工方便，有利于基坑采用大型机械开挖。73 安徽建筑大学本科毕业设计（b）缺点：相同开挖深度的位移大，内力大，支护结构需要更大截面和插入深度。（c）适用范围：场地土质较好，有较大的c、值，开挖深度浅且周边环境对土坡位移要求不严格。②内撑式排桩支护结构内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙、SMW工法、钢筋混凝土咬合桩等型式。内撑体系可采用图1-2悬臂式支护简图水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑，分别如图1-3（a）、（b）及（d）所示。当基坑平面面积很大，而开挖深度不太大时，宜采用单层斜支撑如图1-3（c）所示。（a）（b）（c）（d）图1-3内撑式围护结构示意图内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管或型钢支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收，且加预压力方便。内撑式支护结构适用范围广，可适用各种土层和基坑深度。内支撑结构造价比锚杆低。但对地下室结构施工及土方开挖有一定的影响。但是在特殊情况下，内支撑式结构具有显著的优点。桩撑支护结构的优点：73 安徽建筑大学本科毕业设计（a）施工质量易控制，工程质量的稳定程度高；（b）内撑在支撑过程中是受压构件，可充分发挥出混凝土受压强度高的材性特点，达到经济目的；（c）桩撑支护结构的适用土性范围广泛，尤其适合在软土地基中采用。桩撑支护结构的缺点：（a）内撑形成必要的强度以及内撑的拆除都需占据一定工期；（b）基坑内布置的内撑减小了作业空间，增加了开挖、运土及地下结构施工的难度，不利于提高劳动效率和节省工期，随着开挖深度的增加，这种不利影响更明显；（c）当基坑平面尺寸较大时，不仅要增加内撑的长度，内撑的截面尺寸也随之增加，经济性较差。桩撑支护结构的适用范围：（a）适用于侧壁安全等级为一、二、三级的各种土层和深度的基坑支护工程，特别适合在软土地基中采用；（b）适用于平面尺寸不太大的深基坑支护工程，对于平面尺寸较大的，可采用空间结构支撑改善支撑布置及受力情况；（c）适用于对周围环境保护及变形控制要求较高的深基坑支护工程。③拉锚式排桩支护结构拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同于内撑式支护结构，常采用钢筋混凝土排桩墙和地下连续墙两种。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式支护结构和双层锚杆式支护结构示意图分别如图1-4所示。地面拉锚式支护结构需要有足够的场地设置锚桩，或其它锚固物。锚杆式需要地基土能提供较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。图1-4拉锚式围护结构示意图桩锚支护结构的优缺点及适用范围：73 安徽建筑大学本科毕业设计桩锚支护结构的优点：（a）桩锚支护结构的尺寸相对较小，而整体刚度大，在使用中变形小，有利于满足变形控制的要求；（b）与桩撑支护结构相比，桩锚支护结构的拉锚力与深基坑的平面尺寸无关，在平面尺寸较大的深基坑工程采用桩锚支护结构能凸显它的这个优势；（c）桩锚支护结构的施工相对较为简单，而且由于基坑内没有支挡，坑内有较大的净空空间，从而能确保土方开挖与运输、结构地下部分施工所需的作业空间，也为提高劳动效率、节省工期创造了前提性条件；（d）桩锚支护结构的造价相对较低，有利于节省工程费用。桩锚支护结构的缺点：（a）桩锚支护结构所占作业空间较大，锚杆的设立要求场地有较宽敞的周边环境和良好的地下空间；（b）需要有稳定的土层或岩层以设置锚固体；（c）地质条件太差或土压力太大时使用桩锚支护结构，容易发生支护结构的受弯破坏或倾覆破坏。桩锚支护结构的适用范围：（a）适用于周边环境比较宽敞、地下管线少且没有不明地下物的深基坑支护工程；（b）特别适用于平面尺寸较大的深基坑支护工程；（c）对于使用锚杆作为外拉系统的桩锚支护结构，宜运用在具有密实砂土、粉土、粘性土等稳定土层或稳定岩层的深基坑支护工程中。（3）排桩从布桩形式上，可分为单排布置和双排布置双排桩支护结构体系属于悬臂类空间组合支护体系。所谓空间组合，是指支护桩从平面上看可按需要采用不同的排列组合，前排桩顶用圈梁连接，前后排之间有连梁拉接，在没有锚杆或内支撑的情况下，发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应，并与桩土协同工作，支挡因开挖引起的不平衡力，达到保持坑壁稳定、控制变形、满足施工和相邻环境安全的目的。双排桩支护结构体系的特点主要体现为：①在双排桩支护结构中，前后排桩均分担主动土压力，其中前排桩主要起分担土压力的作用，后排桩兼起支挡和拉锚的双重作用②双排桩支护结构形成空间格构，增强支护结构自身稳定性和整体刚度③充分利用桩土共同作用的土拱效应，改变土体侧压力分布，增强支护效果。双排桩支护结构体系的缺点：①73 安徽建筑大学本科毕业设计双排支护桩的设计计算方法还不够成熟，实测数据还不多，受力机理不够清楚。②基坑周边要有一定空间，以利于双排支护桩的布置和施工。在对深基坑挡土支护结构的位移有限制的要求下，对于一般粘性土地区来说，双排支护桩是一种很有应用价值的挡土支护结构类型。地下水位较高的软土地区采用双排支护桩时，应做好挡土、挡水，以防止桩间土流失而造成结构失效，上海、杭州、宁波、福建、广东等地区已经有很多双排桩挡土支护结构的成功实例。1.3.2排桩支撑类型内支撑可以有效的传递和平衡作用在围护墙体上的水、土压力，协调围护墙体的受力，控制围护墙体的变形，使整体支护结构受力平衡。支撑体系按材料划分可以分为现浇钢筋混凝土支撑（如图1-5）、钢支撑（如图1-6）和混合支撑三种。图1-5现浇混凝土支撑支护体系73 安徽建筑大学本科毕业设计钢筋混凝土支撑布置形式灵活，无论直线或曲线杆件均可支模现浇，可广泛应用于各种截面形式的深基坑工程；从而钢筋混凝土支撑整体性好、刚度大，能够大大的减少支护结构的变形，从而保护周围环境；同时承载力大，支撑间距较远，能够形成较大的空间，方便机械施工。但是钢筋混凝土支撑自重大，浇筑和养护时间较长，导致基坑工程整体施工工期长，若组织不当容易长生时间效应，对基坑不利，而且钢筋混凝土支撑不能重复使用，基坑开挖完毕后需要拆除。拆除比较麻烦，如果采用爆破方式将会对周围环境产生一定影响。但是目前大量采用的逆做法施工技术将部分内支撑体系作为主体结构的梁、板，从而大大的提高了内支撑结构的可利用性。因此目前的深基坑工程中主要采用这种支护结构。钢支撑多采用钢管、型钢或型钢与钢管组成的组合式构件。钢支撑较钢筋混凝土支撑自重轻，拆装方便，施工迅速，可减少施工工期，从而降低土体的时间效应；同时可以施加预应力并根据支护结构的变形的发展及时调整预应力值，以控制变形；而且可以多次重复使用，所以目前钢支撑在深基坑工程也被大量的使用。但是钢支撑多为直线杆件，无法适应曲线形支撑的需要，而且节点构造相对复杂，同时刚度较混凝土支撑小，支撑间距不宜过大，需要合理的设置立柱，否则可能会发生整体失稳，导致整个基坑工程垮塌。图1-6钢支撑支护体系混合撑则可以充分利用钢筋混凝土支撑和钢支撑的优点，避免各自不足。如在深基坑工程中，可以在基坑上部使用混凝土支撑，基坑下部使用钢支撑，这样即可以发挥混凝土支撑刚度大、承载力大的优点，又发挥了钢支撑快捷方便，施工方便的特点，扬长避短，即保证基坑工程的安全，又减少施工工期。支撑结构不仅分类众多，平面布置形式也是多种多样的[14]。目前支撑结构主要布置形式如图1-7所示。73 安徽建筑大学本科毕业设计（a）（b）（b）（d）(e)(f)(a)加强围檩式（b）长边对顶加角撑（c）琵琶撑（d）结构式支撑（e）环梁式（f）加强角撑式图1-7常用支撑截面形式1.4本文主要研究内容73 安徽建筑大学本科毕业设计深基坑支护设计分为深基坑支护方案选择和支护结构设计两步。目前,深基坑支护方案的决策还没有一个明确的体系，大多数情况下依靠经验专家的定性分析，具有较大的主观性，由于方案选择不当导致深基坑工程事故，造成重大经济损失的案例时有发生；同时，由于方案选择过于保守，造成隐形浪费的实例也不鲜见。因此，对深基坑支护方案优化选择进行研究具有重要意义。随着城市建筑物密集区深基坑工程的增多，环境要求越来越严格。排桩内支撑支护结构利用内支撑系统为围护构件的稳定性提供足够的支撑力，对基坑土体的位移场和应力场扰动小，对周围环境影响较小，应用前景广阔。环境影响评价是方案选择的重要影响因素，因此准确预测基坑开挖对周围环境影响非常重要。本文将对深基坑支护方案优化选择与排桩内支撑结构优化设计进行研究。本文首先对深基坑支护结构的工程特点进行了论述，介绍了几种常用深基坑支护的结构类型；然后，论文介绍了排桩内支撑的概念，排桩支护类型及支撑类型，简述了其应用范围，对排桩支护结构的计算理论进行较为全面、系统的分析和研究；最后，对基坑开挖9m的实际工程采用排桩钢支撑支护结构应用等值梁法进行了设计计算,使用同济大学启明星软件进行整体计算、校核、编制计算书，计算结果可供工程设计和施工参考。第二章基坑排桩支护结构设计基本理论73 安徽建筑大学本科毕业设计2.1基坑支护设计基本原则支护结构应当保证填土、物料、基坑侧壁及构筑物本身的稳定，构筑物应具有足够的承载力和刚度，保证结构的安全正常使用。同时，在设计中还应做到技术先进、经济合理以及方便施工。设计的基本原则为:（1）为保证支护结构安全正常使用，必须满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，对于支护结构应进行下列的计算和验算:①承载能力极限状态的计算，计算内容如下所示：（a）根据支护结构的类型及受力状态来竞选土体稳定性计算。稳定性验算包括：为保证支护结构不会发生整体滑动，应对支护结构的整体稳定性进行验算；支护结构抗倾覆稳定验算；支护结构抗滑移验算；支护结构的抗隆起稳定验算；支护结构抗渗流验算。（b）支护结构的受压、受弯、受剪、受拉承载力计算。（c）若加设锚杆或内支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。②正常使用极限状态计算（a）由于基坑工程施工会对周围环境产生影响，支护结构的变形必须严格要求，应对结构的变形进行计算；（b）对钢筋混凝土构件的抗裂度及裂缝宽度进行计算。支护结构的变形与裂缝应符合：，其中为变形、裂缝等荷载效应的设计值；为设计对变形、裂缝等规定的相应限值。（2）应根据工程的需求、地质及水文条件等因素，综合考虑以确定支护结构的平面布置以及其高度。（3）根据土体性质、受荷情况、地质及水文条件等，确定支护结构类型及其几何形状。（4）保证支护结构设计符合相应规范及条例。（5）支护设计必须与环境相协调，满足保护环境的要求。（6）支护设计方案必须提出施工监控、质量监测的要求。（7）确保支护结构的耐久性,根据基坑要求，给出基坑维护的细则。2.2侧壁安全等级及重要性系数基坑侧壁安全等级划分难度较大，很难定量说明。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中采用了结构安全等级划分的基本方法，按支护结构的破坏后果分为很严重、严重、不严重三种情况分别对应于三种安全等级，其重要性系数的选用与《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）相一致，见表2-1。表2-1基坑侧壁安全等级和重要性系数73 安徽建筑大学本科毕业设计安全等级破坏后果一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.902.3土压力理论作用在支护结构上的荷载主要有土压力和水压力，而土压力是主要的荷载，它指的是支护结构后填土自重或外荷载对支护结构产生的侧向压力。土压力的计算是个比较复杂的问题，它随着支护结构可能位移的方向、大小及填土所处的状态分为主动土压力、被动土压力和静止土压力[15]。静止土压力：若支护结构在土压力作用下不发生变形和任何位移，墙后填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的土压力为静止土压力。主动土压力：若支护结构在土压力作用下向墙前发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐减少，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力为主动土压力。被动土压力：若支护结构在外力作用下向墙后发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐增大，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力为被动土压力。三种土压力与支护结构的位移的关系如图2-1所示。图2-1支护结构位移与土压力的关系上述土压力是随着位移变化的三种极限情况，在相同的墙高和填土条件下，三种极限土压力的关系<<。73 安徽建筑大学本科毕业设计2.3.1经典土压力理论（1）静止土压力理论静止土压力计算依据为半空间弹性变形体在自重作用下无侧向变形时的水平侧压力计算。土体的竖向自重应力,则距填土表面深度z处的静止土压力强度可按下式计算:（2-1）：土的侧压力系数或静止土压力系数，一般砂土可取0.35~0.50；粘性土为0.50~0.70。对于正常固结土提出的经验公式（为土的有效内摩擦角）计算；：墙背填土重度，。由式（2-1）可知，静止土压力沿墙高为三角形分布，如取单位墙长，则作用在墙上的静止土压力为：（2-2）：静止土压力，，的作用点在距墙底处；H：挡土墙高度，m。（2）朗肯土压力理论朗肯土压力理论是英国科学家朗肯于1857年提出的，是通过研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法。朗肯土压力理论假定墙体是刚性的，墙后土体表面水平、处于主动或被动极限状态，墙背为竖直、光滑的平面。主动土压力朗肯主动土压力强度按下式计算：无粘性土：（2-3）粘性：（2-4）式中：主动土压力系数，；c：填土的粘聚力；：填土的内摩擦角；Z：计算点距填土表面的深度（m）。则单位墙长的主动土压力为：无粘性土：（2-5）73 安徽建筑大学本科毕业设计粘性土：（2-6）被动土压力朗肯被动土压力强度按下式计算：无粘性土：（2-7）粘性土：（2-8）式中：被动土压力系数，；c：填土的粘聚力（）；：填土的内摩擦角；Z：计算点距填土表面的深度（m）。则单位墙长的被动土压力：无粘性土：（2-9）粘性土：（2-10）朗肯理论计算公式简单，使用方便。但由于其假定条件较严，使得该理论的应用范围受到限制。此外，由于朗肯理论忽略了墙背与土体之间的摩擦作用，计算所得的主动土压力值偏大。（3）库伦土压力理论库仑土压力理论是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时，根据楔体的静力平衡条件求得的土压力计算理论。其基本假设是：①挡土墙为刚性，墙后填土为无粘性土；②在主动和被动极限状态，墙后产生的滑动土楔沿墙背和通过墙踵的平面滑动；③滑动土楔体为刚体。①主动土压力库伦主动土压力计算图如图2-2所示。库伦主动土压力的一般公式如下：（2-11）（2-12）式中：库伦主动土压力系数；：挡土墙高度，m；：墙后填土的重度，；73 安徽建筑大学本科毕业设计：墙后填土的内摩擦角；：墙背的倾斜角，俯斜时取正号，仰斜时取负号；：墙后填土面的倾角；：土对挡土墙背的外摩擦角。图2-2库伦主动土压力计算图若墙背竖直()、光滑()及墙后填土面水平（），则库仑主动土压力系数，可见在此条件下,库仑公式与朗一式相同。因此朗肯理论是库仑理论的特殊情况。②被动土压力库仑被动土压力计算图如图2-3示。图2-3库伦被动土压力计算图库伦被动土压力的一般表达式为：（2-13）73 安徽建筑大学本科毕业设计（2-14）式中：库伦被动土压力系数。若墙背竖直（）、光滑（）及墙后填土面水平（），则库仑被动土压力系数，即与无粘性土的朗肯公式相同。库仑土压力理论考虑了墙与土体间的摩擦力作用，并能考虑地面及墙面为倾斜的情况，但是对于粘性土必须采用等效摩擦角，并且随意等效，误差较大。此外，当有地下水时，特别是考虑渗流效应时，库仑理论并不适用。朗肯土压力理论和库仑土压力理论基本假设不同，分析的计算方法也不同，只有在,,的情况下,两种土压力理论的计算结果才相同，且两者均属于极限状态土压力理论。由于朗肯土压力理论计算的主动土压力值偏大，被动土压力值偏小，用朗肯土压力理论来设计深基坑工程相比于库仑土压力理论总是偏于安全的，所以目前深基坑工程设计中主要采用朗肯土压力理论。2.3.2水压力计算理论支护结构上作用的均布荷载主要是土压力，但是当基坑开挖范围内有地下水时，还要考虑地下水压力。水压力的计算要考虑诸多因素，例如地下水的补给情况、排水处理方式、季节变化和施工场地开挖条件等。目前计算地下水位以下的水、土压力有两种方法，即“水土分算”（计算图示如图2-4）和“水土合算”（计算图示如图2-5）。两种计算理论均未考虑渗流的影响。（l）水土分算图2-4水土分算示意图73 安徽建筑大学本科毕业设计地下水位以上部分:（2-15）地下水位以下部位：（2-16）其中：：地面距地下水位处距离；：水的重度；：计算点距地面距离；：土的重度。（2）水土合算图2-5水土合算示意图地下水位以上部分：（2-17）地下水位以下部分：（2-18）其中：：地面距地下水位处距离；：计算点距地面距离；：土的饱和的重度；：土的重度。目前许多学者对工程中采用哪种计算方法还没有统一的定论。工程界一般认为，对于砂性土和粉土应按水土压力分算原则进行，然后将计算结果相加。对于粘性土，可按水土压力合算原则厂但也有大认为，粘性土中，主动土压力按水土合算，被动土压力按水土分算。根据有效应力原理，水土合算是缺乏理论根据的，但是由于有效应力指标较难获得，而且一些实例资料表明，在淤泥质粘土和夹砂粘性土中，其平均水压力不到整个侧压力的20%，故目前实际工程设计中应用较多的是合算方法。73 安徽建筑大学本科毕业设计2.4单支点排桩支护设计和计算顶端支撑(或锚系)的排桩支护结构与顶端自由(悬臂)的排桩二者是有区别的。顶端支撑的支护结构，由于顶端有支撑而不致移动而形成一铰接的简支点。至于桩埋入土内部分，入土浅时为简支，深时则为嵌固。下面所介绍的就是桩因入土深度不同而产生的几种情况。（1）支护桩入土深度较浅，支护桩前的被动土压力全部发挥，对支撑点的主动土压力的力矩和被动土压力的力矩相等(图8-10a)。此时墙体处于极限平衡状态，由此得出的跨间正弯矩Mmax其值最大，但入土深度最浅为tmin。这时其墙前以被动土压力全部被利用，墙的底端可能有少许向左位移的现象发生。（2）支护桩入土深度增加，大于tmin时(图2-6b)，则桩前的被动土压力得不到充分发挥与利用，这时桩底端仅在原位置转动一角度而不致有位移现象发生，这时桩底的土压力便等于零。未发挥的被动土压力可作为安全度。（3）支护桩入土深度继续增加，墙前墙后都出现被动土压力，支护桩在土中处于嵌固状态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。它的弯矩己大大减小而出现正负二个方向的弯矩。其底端的嵌固弯矩M2的绝对值略小于跨间弯矩M1的数值，压力零点与弯矩零点约相吻合(图2-6c)。（4）支护桩的入土深度进一步增加(图2-6d)，这时桩的入土深度己嫌过深，墙前墙后的被动土压力都不能充分发挥和利用，它对跨间弯矩的减小不起太大的作用，因此支护桩入土深度过深是不经济的。图2-6入土深度不同的板桩墙的土压力分布、弯矩及变形图73 安徽建筑大学本科毕业设计以上四种状态中，第四种的支护桩入土深度已嫌过深而不经济，所以设计时都不采用。第三种是目前常采用的工作状态，一般使正弯矩为负弯矩的110％~115％作为设计依据，但也有采用正负弯矩相等作为依据的。由该状态得出的桩虽然较长，但因弯矩较小，可以选择较小的断面，同时因入土较深，比较安全可靠：若按第一、第二种情况设计，可得较小的入土深度和较大的弯矩，对于第一种情况，桩底可能有少许位移。自由支承比嵌固支承受力情况明确，造价经济合理。单支点的排桩计算方法有很多，包括平衡法、图解法（弹性线法）、等值梁法、有限元法等，本论文主要介绍平衡法、等值梁法和M法[16][17][18]。2.4.1自由端单支点支护桩的计算（平衡法）图2-7是单支点自由端支护结构的断面，桩的右面为主动土压力，左侧为被动土压力。可采用下列方法确定桩的最小入土深度tmin和水平向每米所需支点力(或锚固力)R。如图2-7所示，取支护单位长度，对A点取矩，令MA＝0，，则有（2-19）（2-20）式中、：基坑底以上及以下主动土压力合力对A点的力矩；：被动土压力合力对A点的力矩；、：基坑底以上及以下主动土压力合力；：被动土压力合力。图2-7单质点排桩静力平衡计算简图2.4.2等值梁法挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被功土压力，如图2-8a73 安徽建筑大学本科毕业设计所示。在计算过程中所要求出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。按一端嵌固另一端简支的梁进行研究，此时单支撑挡墙的弯矩如图2-8c，若在得出此弯矩图前已知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将粱（即桩）断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整梁计算时一样，此断梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算法就称为等值梁法，其计算步骤如下(图2-8)：（1）根据基抗深度、勘察资料等，计算主动土压力与被动土压力，求出土压力零点B的位置，并计算B点至坑底的距离u值；（2）由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力QB；图2-8等值梁法计算简图（2-21）（2-22）（3）由等值梁BG求算板桩的入土深度，取，则由上式求得（2-23）由上式求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得（2-24）如桩端为一般的土质条件，应乘系数1.1~1.2，即（2-25）（4）求剪力为零的点，计算最大弯矩Mmax值。2.4.3M法73 安徽建筑大学本科毕业设计弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力(地基反力)用土弹簧来模拟，地基反力的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的乘积确定。按地基反力系数沿深度的分布不同形成几种不同的方法，图2-9给出了地基反力系数的五种分布图示，用下面的通式表达:（2-26）式中z为地面或开挖面以下深度；k为比例系数；n为指数，反映地基反力系数随深度而变化的情况；凡为地面或开挖面处土的地基反力系数，一般取为零。根据n值的取值而将采用图分布模式的计算方法分别称为张氏法、C法和m法。当n=1时: （2-27）图2-9地基反力系数分布图此式表明水平地基反力系数沿深度按线性规律增大，由于我国以往应用此种分布图示时，用m表示比例系数，即，故通称m法。本次设计使用同济大学启明星软件进行M法的计算设计。73 安徽建筑大学本科毕业设计第三章工程概况3.1工程简介拟建场地位于苏州市区东吴北路东侧、县前街北侧地块，场地已经平整，地面较平坦，场地自然地面标高一般在2.14～2.55m（黄海高程），相对高差为0.41m。主楼最高15层，群楼地面4层，地下室层数1~2层，建筑面积20000m2，基坑开挖深度9m，基坑面积1500m2。拟建场地位于长江三角洲东南缘，属长江三角洲冲、湖积平原地貌，上部广泛覆盖第四纪地层，基坑平面图，如图3-1。图3-1基坑平面图3.2地基土层分布与特征本次勘察资料揭示85.50m以内各土层由杂填土、粘土、粉质粘土、粉土夹粉质粘土及粉土、粉砂等组成，属第四系地层，根据土性拟建场地自上而下可分为15个工程地质层，与基坑开挖相关的各土层分别描述如下：①杂填土：杂色，湿，松散，粘性土为主，浅部杂较多的碎石、碎砖等建筑垃圾，下部局部为淤泥质土，土质不均匀。层厚为1.60～3.10m，层底标高0.71～-0.76m，场地遍布，工程性能差。②粘土：褐黄色，可塑，含铁锰质结核及灰色条带，土质均匀。无摇振反应，切面光滑，有光泽，韧性高，干强度高。分布稳定，厚度1.50～73 安徽建筑大学本科毕业设计3.20m，层底标高为-1.81～-2.66m，场地遍布。中等压缩性，强度较高，工程性能良好。③粉质粘土：灰黄色，可塑，含氧化物锈斑，土质不均匀，局部粉质含量较高。无摇振反应，稍有光泽，韧性中等，干强度中等。层厚为0.80～1.90m，层底标高为-3.11～-4.56m，场地遍布。中等压缩性，强度较好，工程性能较好。④粉土：灰黄色，很湿～饱和，中密，夹薄层状粉质粘土，土质不均匀，含云母。摇振反应迅速，无光泽，韧性低，干强度低。层厚为1.70～3.00m，层底标高-5.61～-6.65m，场地遍布。中等压缩性，强度一般，工程性能一般。⑤粉砂：灰色，很湿～饱和，中密，含云母，局部夹粉质粘土薄层。下部中密状，粉质粘土夹层稍多。层厚为10.30～12.00m，层底标高-16.35～-18.15m，场地遍布。中等压缩性，强度较高，工程性能较好。⑥粉质粘土：灰色，软塑，具薄层理，夹薄层状粉土。无摇振反应，稍有光泽，韧性中等，干强度中等。层厚为7.10～9.90m，层底标高为-24.33～-26.49m，场地遍布。中等压缩性，强度一般，工程性能一般。⑦粉土夹粉质粘土：灰色，很湿～饱和，中密，局部中密，夹薄层状粉质粘土，土质不均匀。摇振反应迅速，无光泽，韧性低，干强度低。层厚为1.40～3.60m，层底标高为-26.23～-29.49m，场地遍布。中等压缩性，强度一般，工程性能一般。⑧粉砂：灰色，很湿～饱和，中密，局部密实，夹粉土，含云母。具水平层理，局部夹薄层状粉质粘土，本层下部粉质粘土夹层较多。层厚为12.70～17.00m，层底标高为-41.68～-43.71m，场地遍布。中等压缩性，强度较高，工程性能较好。3.3地下水根据本次勘察揭露，结合区域水文地质资料，场地内对本工程有影响的地下水主要有三层：（1）潜水、（2）微承压水、（3）第一承压含水层。3.3.1潜水拟建场地浅层孔隙潜水主要赋存于上部①杂填土及②粘土的根孔中，分布不均匀，水量较小，主要由大气降水、地面渗透补给，以蒸发及侧向排泄于河湖为主要排泄途径，水位随季节变化明显。勘探期间利用潜水水位观测孔及挖土坑实测潜水初见水位埋深为1.20～1.50m；稳定水位埋深为0.90～1.20m，稳定水位标高为1.12～1.36m。73 安徽建筑大学本科毕业设计下覆②层粘土、③层粉质粘土透水性差，是潜水含水层与微承压含水层之间的隔水层。3.3.2微承压水据苏州市水文地质资料《1：5万苏州水文地质、工程地质、环境地质综合勘察报告》，浅部微承压水赋存于粉土和粉砂层中，受大气降水、地形地貌及地表水体等因素的制约，通过地下径流排泄。其历时曲线与潜水动态特征相似，水位埋深比同一时间的潜水水位埋深低0.50～1.50m，年变化幅度在0.80m左右。本场地微承压水主要赋存于④层粉土段及⑤粉砂段中，富水性及透水性均较好，主要接受径流补给，该层水具微承压性。微承压水的稳定水头埋深在1.57～1.65m之间，其相应水头标高为0.68～0.75m。地下室底板⑤层粉砂段（微承压含水层）的下部，该层渗透性好，水量中等，是影响本工程基坑施工的主要含水层。3.3.3承压水本场地承压水主要赋存于第⑧层粉砂层（第Ⅰ承压含水层）中，主要接受径流及越流补给，埋藏深。据苏州地区区域水文地质资料，该层承压水水位标高在-2.70～-3.0m左右，年变幅为0.40m左右。3.3.4土层渗透性根据勘察中对0.00～25.00m范围内②、③、④、⑤、⑥层土体的室内渗透系数试验，分别得出了土层的垂直方向和水平方向的渗透系数。根据室内测试结果和现场抽水结果，各土层的渗透系数表3-1所示：表3-1土层渗透系数表层号土名测试值现场抽水试验建议值室内试验垂直KH(cm/s)水平KV(cm/s)K(cm/s)K(cm/s)①杂填土②粘土4.81E-074.55E-074.80E-07③粉质粘土2.47E-051.22E-052.50E-05④粉土6.67E-047.94E-042.86E-032.86E-03⑤粉砂2.66E-032.24E-03⑥粉质粘土5.79E-065.58E-065.80E-0673 安徽建筑大学本科毕业设计3.3.5地下水水质分析及腐蚀性评价本场地地下水、地下水位以上的土对混凝土和对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性；地下水对钢结构有弱腐蚀性。3.4不良地质作用和对工程不利埋藏物拟建场地未发现有构造断裂、滑坡、土洞、地面沉降、地裂缝等影响工程稳定性的不良地质作用；亦未发现墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的埋藏物。根据调查及现场勘察结果，拟建场地地层结构较稳定，仅浅表杂填土土质不均匀，厚度1.60～3.10m，局部夹有淤泥质土，土质松软，直立性差，对基坑的开挖有不良的影响。但往下层分布稳定、土性、状态较均匀，地基稳定。3.5基坑设计各层土的主要力学指数根据地质报告，基坑围护范围内各土层的主要力学指标如表3-2所示：表3-2各土层的主要力学指标土层序号及名称厚度(m)固快标准值重度(kN/m3)渗透系数K(cm/sec)C(kPa)j(°)Kv(10-7cm/sec)Kh(10-6cm/sec)①杂填土2(10)(10)18.5②粘土344.811.519.84.81E-074.55E-07③粉质粘土1.535.711.519.22.47E-051.22E-05④粉土2.553018.86.67E-047.94E-04⑤粉砂1123318.82.66E-032.24E-03⑥粉质粘土23.911.218.65.79E-065.58E-063.6对地基土的评价基坑开挖涉及第①层填土、第②层粘土、第③层粉质粘土、第④层粉土和第⑤层粉砂：坑底位于第⑤层粉砂中；由岩土勘察报告可见，场地土土层的分布有如下特点：（1）浅层为粘性土。其中第②层粘土、第③层粉质粘土土质均较好，有较强的自稳能力。（2）场地下层为深厚的粉土和砂土（第④层粉土和第⑤层粉砂）。土质很好，对控制支护结构的稳定性和变形极为有利。73 安徽建筑大学本科毕业设计（3）但是上诉2层土（第④层粉土和第⑤层粉砂）渗透性较高，基坑开挖过程中在水头差作用下坑底易产生管涌。因此基坑的止水（或抗管涌）设计应予以高度重视。因此，本工程基坑支护的设计中重点需解决以上两点问题，即浅层土的稳定和基坑的抗管涌稳定性，其中又以后者为设计的关键。73 安徽建筑大学本科毕业设计第四章工程实例基坑支护设计计算4.1基坑支护结构方案设计本工程基坑开挖深度9m，深度较大，土层较好，施工场地狭小，环境保护要求严格。应按照国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99中规定的一级基坑进行设计。在深基坑支护结构中，常用的支护系统按材料可以分为钢管支撑，型钢支撑，钢筋混凝土支撑以及钢筋混凝土钢管混合支撑等。其中，钢筋混凝土支撑，结构整体性好，刚度好，变形小，安全可靠，但施工制作时间长于钢支撑，拆除工作繁重，材料回收率低；钢支撑，便于安装和拆除，材料的消耗量小，并且可以施加预紧力，合理控制基坑变形，同时，钢支撑的架设速度快，节约时间，可以很有效的提高施工效率，另外，钢支撑的回收率高，能减少大量浪费。从长远利益及能源角度考虑，现今建筑行业积极推广钢支撑的运用。 根据本工程特点，结合江苏地区基坑支护的工程经验，本基坑在主干道侧，基坑工程对环境及变形沉降都有较高要求，同时考虑经济效益的要求，本工程拟采用钻孔灌注桩单排桩加一道钢管支撑。采用双排双轴水泥土搅拌桩作为全封闭的止水帷幕，坑内设疏干井疏干坑内地下水，并设明沟排水，支护平面图，如图4-1。图4-1支护结构平面图73 安徽建筑大学本科毕业设计4.2等值梁法手算（1）根据工程概况绘制计算简图，如图4-2。图4-2灌注桩计算简图其中开挖深度为h=9m，地表超载为60。支撑位置为桩顶以下=2m。（2）各土层参数，如表4-1，计算各土层主被动土压力系数，如表4-2。表4-1各土层参数（KN/m）C（Kpa）层厚度（m）杂填土18.510102粘土19.811.544.83粉质粘土19.211.535.71.5粉土18.83052.5粉砂18.83321173 安徽建筑大学本科毕业设计表4-2各土层主被动土压力系数杂填土0.700.84粘土0.670.82粉质粘土0.670.82粉土0.330.58粉砂0.290.543.391.84（3）计算各层控制点主被动土压力强度第一层土上部标高0.00m，下部标高-2.00m==25.2Kpa==51.1Kpa第二层土上部标高-2.00m，下部标高-5.00m==-6.74Kpa（取0.0）==33.06Kpa第三层土上部标高-5.00m，下部标高-6.50m==45.98Kpa==65.27Kpa第四层土上部标高-6.50m，下部标高-9.00m==54.33Kpa=73 安徽建筑大学本科毕业设计=69.84Kpa第五层土上部标高-9.00m，下部标高-20.00m==64.31Kpa==7.36Kpa由上述计算结果画出主被动土压力分布图(图4-3)。图4-3主被动土压力分布图（4）求支点反力开挖面以下土压力零点，设距开挖面距离为u由即得取1m宽，对零点位置取弯矩=+373 安徽建筑大学本科毕业设计++++++=1692.22==13.53=391.45=4.32m=277.64KN==113.81（5）桩嵌固深度t的计算m桩的最小入土深度：=u+=6.57mt==7.23~7.88m取嵌固深度t=8m支护结构剖面图，如图4-473 安徽建筑大学本科毕业设计图4-4支护结构剖面图4.3配筋计算（1）桩身配筋1）求①最大正弯矩求剪力零点位置得，=8.29m，即发生在标高-8.29m处，距第四层土层顶面1.79m=-------1.7973 安徽建筑大学本科毕业设计=680.74②最大负弯矩同①得，最大负弯矩发生在标高10.75m=-260.742）配筋取桩径Φ800，桩心距1000，=680.74kNm，取混凝土强度C30，=14.3N/mm，主筋20Φ32钢筋，均匀布置，=210N/mm，保护层厚度50mm，Φ8@200螺旋筋，Φ20@2000加强筋。=0.30=0.65==1008.52>满足要求。（2）支撑结构计算本基坑按照国内通常做法，采用Φ600钢管，同时根据《建筑基坑技术设计规范》YB9258-97对支撑的相关规定，合理布置支撑，平面支撑规范跨度为5~6m，竖向距离不超过5m，本站根据实际工程情况，横向跨度最小取值4.5m，最大6m；竖向设1层支撑，其竖向深度为2m。其计算跨度为安全起见，取较长的为准，即取L=15m，Φ600钢管壁厚，73 安徽建筑大学本科毕业设计g=支撑轴力为（支撑的水平距离为4m）N=则钢管支撑的应力：满足要求。围檩采用，查《钢结构》有：强度设计值：抗弯，压，拉：；抗剪：。（3）圈梁设计计算[19]KN，设计圈梁均为，混凝土C30①正截面强度计算=0.0879=0.954==4841.61选用8Φ28mm，②斜截面强度计算<必须按计算配置箍筋：取Φ8@100四肢箍73 安徽建筑大学本科毕业设计0.7+1.25=722.78+满足要求。4.4稳定性计算（1）抗隆起稳定性坑外的荷载及由于土压力开挖造成的基坑内外的压力差，使支护桩端以下土体向上涌土，可按式（4-1）进行验算。（4-1）式中：入土深度处底部土体抗隆起稳定性安全系数，取；：承载力系数，=5.14；：由十字板剪切试验确定的总强度，Kpa；：土的重度，t：支护结构入土深度，m；h：基坑开挖深度，m；q：地面荷载，Kpa。=18.98，=+2=100.61Kpa==1.75，满足要求。（2）抗渗流稳定性抗渗流稳定性安全系数为式（4-2）（4-2）式中：土体的浮重度，：地下水的重度，==5.27>3，满足要求。（3）抗倾覆稳定性=4.33，满足要求。4.5启明星软件电算73 安徽建筑大学本科毕业设计（1）打开同济大学启明星深基坑分析计算软件，并输入主要设计指数和参数（参照第三章工程概况相关部分）如图4-5：图4-5输入主要技术指数（2）输入土层信息，其中M和K值通过设计规范查阅得到，如图4-6。73 安徽建筑大学本科毕业设计图4-6土层物理力学性质（3）输入工况信息，如图4-7。图4-7主要工况信息73 安徽建筑大学本科毕业设计（4）各种工况的弯矩、剪力、位移值，如图4-8~4-10。图4-8工况1位移弯矩剪力图73 安徽建筑大学本科毕业设计图4-9工况2位移弯矩剪力图图4-10工况3位移弯矩剪力图（5）进行稳定性验算，包括：整体稳定验算（图4-11），极限平衡嵌固深度验算（图4-12），墙底抗隆起验算（图4-13），坑底抗隆起验算（图4-14），抗倾覆验算（图4-15），管涌验算。73 安徽建筑大学本科毕业设计图4-11整体稳定性验算示意图图4-12极限平衡嵌固深度验算示意图73 安徽建筑大学本科毕业设计图4-13墙底抗隆起验算示意图图4-14坑底抗隆起验算示意图73 安徽建筑大学本科毕业设计图4-15抗倾覆验算示意图抗管涌验算：按砂土，安全系数K=1.76；按粘土，安全系数K=2.64验算结果分析：整体稳定性系数K=2.12>1；极限平衡嵌固深度验算，力矩比：1.35，压力比：2.45；坑底抗隆起系数K=2.58>1.4；抗倾覆验算K=6.58>1.05；管涌验算K=1.76/2.64>1.5。所有系数符合规范要求，满足所有稳定性要求，所以设计结果安全有效。73 安徽建筑大学本科毕业设计第五章结论与展望5.1结论本文首先回顾了基坑开挖与支护的工程特点，分析概括了基坑排桩支护研究现状与进展，简述了其应用范围；通过对排桩支护结构的计算理论进行较为全面、系统的分析和研究；最后，联系实际工程的单排桩钢支撑支护结构应用等值梁法进行了设计计算，通过理论知识的介绍及对周围环境的研究，并且结合各种支护形式的优缺点和适用范围，确定以灌注桩加钢支撑围护结构为本工程的支护形式，另外加上水泥土搅拌桩止水结构，达到挡土挡水的目的。运用同济大学启明星支护软件对基坑单排桩钢支撑支护体系进行了系统的技术经济分析，得到如下结论：（1）目前，深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论，但支护结构的实际受力并不那么简单。工程实践证明，有的支护结构按极限平衡理论计算的安全系数，从理论上讲是绝对安全的，但却发生破坏；有的支护结构却恰恰相反,即安全系数虽然比较小，甚至达不到规范的要求，但在实际工程中获得成功。极限平衡理论是深基坑支护结构的一种静态设计，而实际上开挖的土体是一种动态平衡状态，也是一个松弛过程，随着时间的延长，土体强度逐渐下降，并产生一定的变形。这说明在设计中必须给予充分的考虑，但在目前的设计计算中却常被忽视。（2）深基坑支护虽然大部分是临时性结构，但其风险性较大，一旦出现事故，造成的经济损失和社会影响非常严重，因而具有很强的社会性、技术性和经济性。因此，如何安全合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行设计,以便优化选型，使方案经济实用，是基坑工程要解决的主要内容。深基坑设计的计算方法需要不断地积累经验，以提高深基坑设计的准确性，使基坑支护安全经济。（3）排桩内支撑支护结构把主动支护形式和被动支护形式合理结合，有效地利用了各自的优点、合理避开各自的缺点，极大地扩展了支护结构的应用范围。（4）基坑排桩-圈梁支护体系具有明显的协同作用，实测表明，圈梁给排桩提供了一定的水平力和弯矩。（5）本文主要依据现有排桩的理论，利用等值梁法求解单支点排桩支护结构内力和支撑反力的计算过程，通过对工程实例的计算和与同济大学启明星支护软件的电算分析，同时考虑基坑开挖卸载效应和围护结构与土体的共同作用机理,对分层开挖支护的各种工况进行分析，分别计算每次开挖后的内力和位移，导出计算结果的位移和内力包络图，并对所得的计算结果进行整理和综合分析，实践应用来看,已达到预期效果。73 安徽建筑大学本科毕业设计5.2展望（1）本文在计算时，没有考虑地下水的影响。在实际基坑工程中，开挖深度一般较深，地下水的影响还是非常明显的，下一步工作有必要考虑地下水的作用。（2）桩顶圈梁协调了桩与桩之间的协同工作，但尽将圈梁作为一种安全储备造成一种浪费。排桩-圈梁支护系统有明显的空间协同作用，在工程设计和施工中，可以把圈梁作为排桩支护系统的第一道支撑考虑，并根据圈梁在不同部位所起的不同作用来合理配置受力筋，充分发挥圈梁的作用。（3）排桩钢支撑支护结构，采用钻孔灌注桩及相应配套技术，已发展成为深基坑支挡结构的一项重要手段，不仅能单纯作挡土墙，而且还可以作主体结构,具有施工简单、质量可靠的显著特点。随着越来越多的高、重、大型工程建设的发展,基坑开挖深度日益加深。排桩钢支撑支护结构的设计与施工，以及排桩结构刚度和稳定性面临的许多问题都亟待今后研讨和实践。只要我们认真进行方案优选、方案论证，设计计算理论不断改进，施工工艺不断完善，积极推行信息化施工，我国的深基坑工程将进入蓬勃发展的新时期。致谢73 安徽建筑大学本科毕业设计光阴似箭，在安徽建筑大学的四年大学生涯即将结束，留下的是对建大学生阶段学习与生活的美好记忆。本论文是在徐士良老师的悉心指导和亲切关怀下完成的，从论文的构思、选题到数值模拟、撰写、修改完善直至最终定稿，每一个过程徐老师都倾注了大量的时间、精力和心血。徐老师渊博的知识、严谨的治学态度、对科研工作孜孜以求的精神、高度的责任心及开拓创新的工作作风都使我受益匪浅,是我一生学习的榜样，必将对我今后的生活和工作带来深远的影响。在此，谨向徐老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢！在课题研究和论文完成期间，还得到了邵艳老师、彭曙光老师、马茂艳老师等的指导和帮助,在此对他们致以深深的谢意！在大学的求学期间，是我人生旅途上最重要的阶段，此期间我得到了许多老师及同学的帮助与支持。感谢胡瑾珺、周其明辅导员、席培胜老师、宛新林老师、汪东林老师、宣以琼老师、刘珺老师、游敏老师、施国栋老师的关心和照顾，听他们的课程让我收获颇多,开阔了眼界,增长了见识。还要感谢专业里朝夕相处的全体同学，感谢在寝室一起生活了四年的室友们，让我在学习和生活中感到了无微不至的关怀，这份难得可贵的友谊我将铭记于心。特别感谢家人对我求学期间给予的支持和帮助，使得我顺利地完成学业。最后感谢所有在我漫长求学路上给予帮助、解惑和关心的所有亲人、朋友们。本文参考和引用了一些专家学者的研究成果和结论，在此对他们的辛勤劳动表示感谢。最后还要特别感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家。我将以自己的不懈努力来回报所有关心我的人。张彪2014年6月5日参考文献73 安徽建筑大学本科毕业设计[1]熊智彪.建筑基坑支护[M].北京:中国建筑工业出版社，2012年1月.[2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1997年.[3]景伟.内撑式深基坑的简化设计方法[D].广东工业大学硕士学位论文，2007年.[4]胡小刚.基坑主动土压力与支护结构位移的关系研究[D].南京航空航天大学，2006年.[5]湖北省建设厅，湖北省质量技术监督局.DB42/159一2004基坑工程技术规程(S).湖北.2004[6]IameIShihara,KRelationsbetweenprocessofcuttinganduniquenessofsolutions.soilandFound.1970.[7]BransbyBL,MilliganGW.Soildformationnearcantileversheetpilewalls.Geoteehnique,1975.[8]Laefer,DebraFern.PredictionandassessmentofgroundmovementandBuildingdamageinducedbyadjacentexcavation.UniversityofIllinoisAtUrbana一ChamPaign,Ph.D.2001.[9]吴铭炳.软土基坑排桩支护研究[J].工程勘探，2001年第4期.[10]许锡昌，陈善雄，徐海滨.悬臂排桩支护结构空间变形分析[J].岩土力学，第27卷第2期.[11]何建明，白世伟.深基坑排桩--圈梁支护系统空间协同作用的简化分析方法[J].第三届全国青年岩土力学与工程会议论文集，南京1998年4月.[12]林雪梅.软土深基坑排桩支护的优化设计和监测[J].工程力学增刊2002.[13]刘立兵，徐平，付强，王伟德.深基坑支护设计理论与实例[D].黄河水利出版社，2013年.[14]张广文.满足位移协调的排桩-内支撑支护体系简化计算方法研究[D].武汉理工大学硕士论文，2010年.[15]东南大学,浙江大学，湖南大学，苏州科技学院.土力学[M].中国建筑工业出版社，2010年7月.[16]中华人民共和国行业标准.JGJ120一99建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，1999年.[17]赵志缙,应惠清.简明深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2000年.[18]华南理工大学，浙江大学，湖南大学.基坑工程[M].中国建筑工业出版社，2008年9月.[19]东南大学，天津大学，同济大学.混泥土结构设计原理[M].中国建筑工业出版社，2008年6月.[20]余志成，施文华.深基坑支护设计和施工[M].中国建筑工业出版社，2000年9月.附录（英文翻译）73 安徽建筑大学本科毕业设计英文文献：Co-evolutionoptimizationofanchoredpilesinrowfordeepfoundationpitWuHeng,ZhouDong,LiTao-shen,OuXiao-duo,WangYe-tianAbstract:Inthispaper,theideaofco-evolutionisappliedtotheoptimizationofretainingandprotectingstructurefordeepexcavation,andthesystemofoptimizationofanchoredpilesinrowhasbeendevelopedsuccessfully.Fortheco-evolutionalgorithmprovidesanevolutionarymechanismtosimulateever-changing.Problemspace,itisanoptimizationalgorithmthatishighlyeffective,especiallytobeappliedtotheoptimizationofcomplicatedsystemofretainingandprotectingfordeepfoundationpit.Itisshownbyengineeringpracticethattheco-evolutionalgorithmhasobviousoptimizationeffect,soitcanbeanimportantmethodofoptimizationofretainingandprotectingfordeepfoundationpit.Theauthorsdiscusstheco-evolutionmodel,objectfunction,allkindsofconstraintconditionsandtheirdisposalmethods,andseveralkeytechniquesofsystemrealization.Keywords:geneticalgorithm;co-evolution;optimization;anchoredrowpiles;deepfoundationpit1IntroductionInallkindsofretainingandprotectingtechniquesfordeepfoundationpit,anchoredrowpileshavebeenextensivelyusedbecauseoftheirsomefeatures,suchasgoodresults,strongadaptability,easyconstructionandsoon.Usually,thedesignprocedures[1]ofanchoredrowpilesare:(1)Selectpreliminarilythetypesofretainingandprotectingpilesandthelayersofanchor,namelyretainingandprotectingschemedesign;(2)Selectpreliminarilyallmembers’sizeandmaterialparametersofretainingandprotectingstructure,namelydetailingdesign;(3)Makecalculationandanalysis,whichincludescheckingforembeddeddepthofpilesandloadcapabilityofanchor,computinginternalforceofpilesandbararrangement,etc.,andadjustingdetailingdesigntomeetvariousdemandsoftheabovecheckingcomputation;(4)Comparevariousschemesandfindouttheschemewhosecostislowestastheultimatedesignofretainingandprotectingfordeepfoundationpit.73 安徽建筑大学本科毕业设计Generally,designersneedtoadjustseverallyandcheckrepeatedlytheretainingandprotectingschemeanddetailingsoastomakeeverycomputingproceduremeetalldesigndemands.However,thedesigngainedfromthisisonlya“feasiblesolution”,butnottheoptimumsolutioninallthefeasiblesolutions.Asweknown,everyretainingandprotectingschemehasmanyrelevantdesignparameters.Moreover,thesedesignparametersalldirectlyorindirectlyaffecttheinvestmentofengineering.Hence,howtofindoutasetofoptimizationparameterstoensureeconomyandsafetyisanimportantproblemofthedesignofanchoredrowpiles,alsoacomplicatedoptimizationproblem.Forthisreason,theauthorsintroducethegeneticalgorithmtotheoptimizationofretainingandprotectingfordeepfoundationpit[2].Studiesshowthattheintroductionofgeneticalgorithmhasopenedanewpathfortheoptimizationofretainingandprotectingfordeepfoundationpit[2][3].Here,theauthorsexplorefurtheraco-evolutionalgorithmthatissuitablefortheoptimizationofretainingandprotectingfordeepfoundationpit[4].2ModelofOptimizationofAnchoredRowPiles2.1AnchoredrowpilesystemanditsoptimizationobjectiveAsasystemengineering,theoptimizationofanchoredrowpilesisasubsystemoftheoptimizationsystemfordeepfoundationpit.Itcanbeplotouttwohierarchies,schemeoptimizationanddetailingoptimization.Retainingandprotectingscheme,composedofrowpilesub-schemeandanchorsub-scheme,isacertaincombinationofthetypesofrowpiles(boredpile,artificially-excavatedpile,pre-castpileetc.)andtheanchorinstalling(withoutanchor,one-layeranchor,two-layeranchorandthree-layeranchor)(showninFig.1).Schemeoptimizationistosearchacombinationwhichmeetsallkindsofconstraintconditionsandhasthelowestcostatthesametimeonthegivenconditionssuchasengineeringinformation,engineeringgeologicalconditions,environmentalconditions,constructionconditionsandsoon.Theoptimizationdesignofdetailingstructureis,pointingtoacertainretainingandprotectingscheme;tooptimizethedetailingstructureofpilesandanchorsandmakethedetailingstructuremeetallconstrainconditionsandtheengineeringcostminimum.Itcontainsthedesignofdetailingsizesofpilesandanchors,thestyleofbararrangement,theparametersandquantityofmaterials,topringbeam,etc.Whetherschemeoptimizationordetailingoptimization,theiroptimizationobjectives73 安徽建筑大学本科毕业设计arecommon,namelymakingthetotalengineeringcostofanchoredrowpilesystemminimum.Itsmathematicalmodelisseeking:minf(X)=totalengineeringcostofanchoredrowpiles,X∈UEns.t.(X)=0　(=1,2,...,p),(1)(X)≤0　(u=1,2,…,m),wheref(X)=objectfunction,namelycostcomputationfunction,referringtoChineseflatrateofarchitecturalengineeringandarchitecturalengineeringunitestimationpricelistofeachprovinceorcity;X=avectorwhichismadeupofdesignvariables，，...，.Thereareonlytwodesignvariablesinschemeoptimization,namelythetypeofrowpiles(Pt)andanchorinstalling(Np).Andindetailingoptimization,therearethefollowingdesignvariablesintwoaspects:1)Retainingandprotectingpile:pilediameter(5),perimeter-to-perimeterpilespacing(S),embeddeddepth(),concretegrade(Pct),bararrangementstyle(Ms),sortofreinforcingsteelbar(Pst)etc.2)Anchor:anchorinstallingdepth(ha),horizontalanchorspacing(Par),inclinationangleofanchor(H),freeanchorlength(),fixedanchorlength(),diameterofthegroutedmass(D),sortofanchorbar(Ast),gradeofcementmortar(Cg),etc.s.t.=constrainconditionswhichmustbemet,isconstrainconditionsofequations,pisthenumberofequations,isconstrainconditionsofinequalities,misthenumberofinequalities.Theabovemathematicalmodelofoptimizationofanchoredrowpileswillhavedifferentformsindifferentdesignhierarchiesorevolutionaryspaces.2.2MathematicalmodelofschemeoptimizationAssumethatthepopulationofretainingandprotectingschemeisA,searchtheschemeindividuala∈Atomakecorrespondingtotalengineeringcostminimum,namely73 安徽建筑大学本科毕业设计min(2)Where=thecostofthethsub-schemeofacertainschemeinaschemespace.Theretainingandprotectingschemeisformedbyrowpileandanchorsub-schemes,soiequals1or2;feasible{}=seekingthefeasibleindividualwhichmeetstheconstrainconditionsinschemepopulation.Theobjectiveofschemeoptimizationistomakethetotalcostofschememinimumwhileithasmettheconstrainconditions.2.3MathematicalmodelofdetailingoptimizationThedetailingoptimizationofanchoredrowpilesisdoneontheconditionthateachsub-schemehasbeenselected.Anditsmathematicalmodelisthefoundationofdatastructuredesign.Assumethatacertaindetailingpopulation(correspondingtoacertainscheme)isB,seekthedetailingindividualb∈BtomakethetotalcostofdesigncorrespondingtoBminimum,namely(3)Where=thecostofthethsub-schemeofacertainindividualinthedetailingspacewhichcorrespondstoacertainscheme(thethsub-schemechoosesthethvalueavailableforselection).Itisthefunctionofvector;=isavectorofdesignvariablesofthethsub-schemeandapieceofdetailingchromosomes.isthethdesignvariable,andlisthenumberofdesignvariables;equals1or2(thenumberofsub-schemeis2).Thesearelinkedtogethertoformawholechromosomeofadetailingpopulation,namely{}.thevaluerange(adiscreteaggregate)ofdesignvariable.Wecanknowfromtheformulas(2)and(3)thatevolutionobjectivesofbothschemepopulationanddetailingpopulationaretosearchthelowestcost.Soalinking,whichlinkstwoevolutionspacesorganically,issetupbetweenschemepopulation73 安徽建筑大学本科毕业设计anddetailingpopulation.Baseonthis,thefitnessofbothschemepopulationindividualsanddetailingpopulationindividualscanbeobtainedbymakingthesuitablemathematicalmanipulationtotheengineeringcostofeveryindividual.Andthenwewillgetaunifiedstandardforevaluatingindividuals.3Co-EvolutionModelIntheoptimizationdesignofanchoredrowpiles,schemedesignanddetailingdesignaretwodifferentdesignproblemsthatbelongtodifferentspacesandlevels.Theformerisproblemspace,namelyschemespace.Itisanaggregateofallretainingandprotectingschemes.Thelatterissoluteion(design)space,namelydetailingspace.Itisanaggregateofalldetailingschemeswhichcorrespondtoeachretainingandprotectingscheme.Theyarenotonlymutualindependencebutalsointerrelationandinteraction.Theoptimizationdesignofanchoredrowpilesistheprocessofalternatelysearchingtoschemespaceanddetailingspace.Tosearchschemespacewillmakeretainingandprotectingschemechange,whichprovidesthenewfocusforsearchingdetailingspace.Therebyanewdetailingspaceiscreated.Tosearchdetailingspacewillobtainadetailingsolutionthatmeetsthedemandsofretainingandprotectingscheme,whichaffectsfurthersearchingschemespaceandmakestheprimaryretainingandprotectingschemecreateanewchange.Toseekfurtheranewdetailingsolutioncorrespondingtothenewretainingandprotectingscheme,⋯⋯,keepsearchinglikethisuntilfindingaoptimumretainingandprotectingschemeandadetailingschemewhichmeetthedesigndemands.Theabove-mentioneddesignthinkingcanbeillustratedbyproblem-spaceanddesign-spaceco-evolutionmodelasshowninFig.2,whereP=schemespace,andS=detailingspace.(1)Therearetwodistinctsearchspacesinallsearchingprocess,namelyscheme73 安徽建筑大学本科毕业设计spaceanddetailingspace.(2)Horizontalmovementrepresentsanevolutionaryprocess,whichisbasedonthesinglegeneticalgorithm(SGA)[5][6].SchemespaceevolvesfromP(t)toP(t+1),P(t+2),andsoon;+DetailingspaceevolvesfromS(t)toS(t+1),toS(t+2),andsoon,wheret,t+1,t+2,⋯areevolutionarygenerations.(3)Diagonalmovementstandsforasearchprocessinwhichgoalsleadtothesolution,namely“theschemedesignleadstodetailingdesign”(downwardarrow)and“thedetailingdesignrefocusesschemedesign”(upwardarrow).Thedownwardarrow:theprocessfromproblemtodesignsolution.Itisalsotheprocessofschemedesignleadingtodetailingdesignintheoptimizationofanchoredrowpiles.Andithastwoguidefunctions:oneisthateveryindividualofschemepopulationP(t)willgenerateanewdetailingsubspace,andprovideanobject(focus)forthisdetailingsubspaceevolution,theotheristhateveryindividualofschemepopulationP(t)willprovidethebasisofmeasuringfitnessforthepopulationofcorrespondingdetailingsubspace.Thedashedupwardarrow:theprocessofadjustingproblemdefinitionbydesign.Itisalsotheprocessofdetailingdesignaffectingtheschemedesignintheoptimizationofanchoredrowpiles.Theeffectisrealizedbysendingtheevolutionaryresultsofdetailingsubspace——thebestdetailingsolutiontotherelevantindividualofschemespaceandprovidingthebasisofmeasuringfitnessfortheschemeindividual.Itisobviousthatinthewholesearchingprocesstwostatespacesinteract,andthattheevolutionofeachspaceisalwaysguidedbythemostrecentpopulationintheotherspace.4SeveralTechniquesofSystemRealization4.1Datastructureofthesystem(1)DefinitionofchromosomestructureSchemepopulationchromosome:intheschemespace,thereareonlytwodesignvariables,namelythetypeofrowpiles(Pt)andanchorinstalling(Np).SotheschemepopulationchromosomestructurecanbedefinedasY=(Pt,Np).Detailingpopulationchromosome:becausedifferentdetailingdesignvariables73 安徽建筑大学本科毕业设计correspondtodifferentpiletypesandanchorinstalling,thedetailingpopulationchromosomestructureismainlydefinedasfollows:Pilewithoutanchor(cantileverpile):Y=(Φ,S,,Pct,Ms,Pst);Pilewithone-layeranchor:Y1=(Φ,S,,Pct,Ms,Pst,,PAr1,,,,,Ast,Cg);　Pilewithtwo-layeranchor:Y2=(Φ,S,,Pct,Ms,Pst,,PAr1,,,,,Ast,Cg,,PAr,,,,,Ast,Cg);Pilewiththree-layeranchor:Y3=(Φ,S,S,,Pct,Ms,Pst,,PAr1,,,,,Ast,Cg,,PAr,,,,,Ast,Cg,,PAr,,,,,Ast,Cg).　ThemeaningofeachsymbolaboveisthesameasthatinEq.(1),andthesubscripts1,2,3respectivelystandfortheserialnumberofanchorlayer.(2)ChromosomecodeTherearemanymethodstocodeforthedesignvariablesofchromosome,suchasbinaryencoding,realencoding,andintegerencodingandweadoptthemethodofbinaryencodingtocodeforbothschemepopulationanddetailingpopulation.Ontheproblemofanchoredrowpiles,weregardthedesignvariablesasthediscreteoneswhosevaluerangesarestoredinatextfile.Whensystemrunning,thetextofvaluerangewillbereadinautomatically.Inthisway,userscanchangetheevolutionaryprecisionandcomputationalworkloadbyeditingthetextfileatalltimes.Tocodefordesignvariablesincludestwosteps.Firstly,dointegerencodingfordiscretevariables;secondly,dobinaryencodingforintegercodes.Aftercodingfordesignvariables,wecangetthechromosomestringbylinkingthosebinarystringsendtoend.Thelengthofchromosomestringofschemepopulationis4,sothecodespaceis24=16.Detailingpopulationhasfourchromosomestructures,andtheirlengthsare15,39,63,87,sotheircodespacesarerespectively215,239,263,287.4.2StructureoffitnessfunctionThefitnessofanchoredrowpilesisamathematicalmanipulationofobjectfunction,namelyengineeringcost.Itcanbedefinedasfollows(4)Where(X)=objectfunction.Inthedetailingspace,itisequaltotheengineeringcostofeachindividual;intheschemespace,itisequaltotheengineeringcostofthebestindividualthatevolvesfromthecorrespondingdetailingspace.flag=signofindividualfeasibility,flag∈{0,1}.Iftheconstraintsofdesign73 安徽建筑大学本科毕业设计criterionofdetailingspacearemet,theindividualisfeasible,flag=1;otherwise,itisunfeasible,flag=0.c=signofevolutionspace,c∈{0,1}.c=0intheschemespace,andc=1inthedetailingspace.Themeaningsofsymbolsrefertotheformula(5).4.3ConstraintconditionsandtheirdisposalIntheevolutionaryprocessofschemepopulationanddetailingpopulation,everyindividualmustmeetcertainconstraintsmainlybasedontheengineeringexperienceandallkindsoftechnicalspecificationforretainingandprotectionofdeepfoundationpit.Differentretainingandprotectingschemeshavedifferentdetailingdesigns.Sotheconstraintsofdetailingoptimizationarevariableinresponsetothechangeofscheme,andwemustdistinguishthesediverseconstraintsintheprocessofdetailingoptimization.(1)Constraintsofschemepopulationa)DesignvariableconstraintsTypeofrowpiles(Pt):Artificialexcavatedpile,boredpile,andpre-castpile.Anchorinstalling(Np):Withoutanchor(cantileverpile),one-layeranchor,two-layeranchor,andthree-layeranchor.b)DesigncriterionconstraintsOnthesoftsoilsite,itisnotsuitabletoadoptthecantileverretainingandprotectingstructurewhenexcavationdepthh>5.Anditisalsounsuitabletoadoptcantileverpre-castpile.(2)Constraintsofdetailingpopulationa)DesignvariableconstraintsPilediameter(Φ;unit:m):Artificialexcavatedpile:0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4;Boredpile:0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4;Pre-castpile:0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,0.60(sidelength).Perimeter-to-perimeterpilespacing(S):Artificialexcavatedpile:1.0Φ,1.3Φ,1.6Φ,1.9Φ,2.2Φ,2.5Φ;Boredpile:0.0Φ,0.4Φ,0.8Φ,1.2Φ,2.0Φ;Pre-castpile:,1.5Φ,1.7Φ,1.9Φ,2.1Φ,2.Φ,2.5Φ.Embeddeddepthofpiles():0.2h,0.25h,0.3h,0.35h,0.4h,0.45h(Cantileverandmonolayerfulcrumpiles:0.3h;Multi-layerfulcrumpile:0.2h,h=theexcavationdepthoffoundationpit).Gradeofconcrete(Pct):C20,C25,C30,C35,C40,andC45.73 安徽建筑大学本科毕业设计Styleofbararrangement(Ms):Forapre-castpile,rectanglesectiontogetherwithsymmetrybararrangementisadopted;Forcantileverpilewitharoundsection,alongitudinalstrainedreinforcingsteelbarisinstalledbythesideofpileintension,andalongitudinalconstructionalreinforcingsteelbarisusedbytheothersideofpile,oralongitudinalreinforcingsteelbaralongcircle;Forfulcrumpilewitharoundsection,areinforcingsteelbarissetupbythesideofpileinpressionandintensionsymmetrically,andalongitudinalconstructionalreinforcingsteelbarisusedbytheothersideofpile,orlongitudinalreinforcingsteelbaralongcircle.Anchorinstallingdepth:theverticalspacingofanchorscannotbelessthan2m.Soforthefirstlayeranchor():0.1h,0.2h,0.3h,0.4h,0.5h;forthesecondlayeranchor():+(1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0)×2;forthethirdlayeranchor():+(1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0)×2.Horizontalspacingofanchor(Par):relyingonthecollocationofpiles.Itmostlyhasthefollowingseveralinstances:onepileperanchor,twopilesperanchor,andthreepilesperanchor.Andthehorizontalspacingofanchorsisnotlessthan1.5mandnotmorethan4.0m.Freeanchorlength:[1+(0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)]×,whilewhere=thedistancefromthemidpointofanchorheadtopointOwheretheloadcharacteristicvalueoutsidefoundationpitisequaltotheresistancecharacteristicvalueofsoilmassinsidefoundationpit;=thecharacteristicvalueofthickness-weightedangleofinternalfrictionofsoillayersabovepointO.b)DesigncriterionconstraintsThedemandstotheembeddeddepthofpiles:Tocantileverpile:where=thesummationofresultantforcesofcharacteristicvalueofhorizontalresistanceineachsoillayerinsidethefoundationpitabovethepiletip,=thedistancefromapplicationpointoftopiletip,=thesummationofresultantforcesofhorizontalloadcharacteristicvalueforeachsoillayeroutsidethefoundationpitabovethepiletip,=thedistancefromapplicationpointoftopiletip,and=thesafetyimportancecoefficientofthesideoffoundationpit.Tomono-layerfulcrumpile:where=thedistancefromfulcrumtothebottomoffoundationpit;=supportreaction,itcanbecalculatedbythefollowingformula:.73 安徽建筑大学本科毕业设计Where=thesummationofresultantforceofhorizontalloadcharacteristicvalueforeachsoillayeroutsidethefoundationpitabovezero-pointwherebendingmomentisassumedtobezero,=Thedistancefromapplicationpointoftozero-point,=thesummationofresultantforcesofhorizontalresistancecharacteristicvalueforeachsoillayerinsidethefoundationpitabovezero-point,=thedistancefromapplicationpointoftozero-point,and=thedistancefromthebottomoffoundationpittozero-point,itcanbecalculatedbythefollowingformula:,where=horizontalloadcharacteristicvalue;and=horizontalresistancecharacteristicvalue.Tomulti-layerfulcrumspile:itisrequiredtocheckthewholestabilityofpilesandsoilmassinthesideoffoundationpitwiththemethodofsimplexfinitesliceofcircularfailure.Thedemandtohorizontaldisplacementofpilesis,where=horizontaldisplacementofpilesinmm,and=thresholdvalueofhorizontaldisplacementinmm.Thedemandstoanchor:Thesoillayerthicknessaboveanchor:.Thefreeanchorlength:;Theload-bearingcapabilityofanchor:,where=designedhorizontaltensileforceofanchor(itmaybeobtainedfrom),=thedesignedload-bearingcapabilityofanchorforresistancetopullout,,inwhich=partialcoefficientforresistancetopullout(=1.3),=fixedanchorlengthinthethsoillayer,and=characteristicvalueofultimatefrictionresistancebetweenthesoilmassandthegroutedmass.Thesectionalareaofanchortierod:Forgeneralsteelbar:,andforpre-stressedbar:,inwhich,=designedtensilestrengthofgeneralsteelbarandpre-stressedbar,respectively.(3)DisposalofconstraintconditionsThegeneticalgorithmisanoptimizationmethodwithoutconstraints.Tosolveoptimizationproblemofanchoredrowpiles,wemustconvertitintoanoptimizationproblemwithoutconstraints.Sothefollowingmethodsareadoptedintheevolutionaryprocess:Thedesignvariableconstraintsmustbemetgrimlyinthetwoevolutionaryspaces,sowemainlyadoptthreemeasures.Atfirst,adjustthevaluerangeofdesignvariableandtrytomakethecodespacebefullofdatacodesoastodecreasethe73 安徽建筑大学本科毕业设计numberofdesignvariablesoutofvaluerange.Secondly,forsomedesignvariablesoutofvaluerangeintheevolutionaryprocess,adjustthembyuseofamendmentoperator.Thirdly,forotherdesignvariablesoutofvaluerange,thegeneticoperatorisinvokedtocreateanewindividualrandomlybysystem.Thedesigncriterionconstraintsmustbemetgrimlyintheschemespace,otherwise,therelevantdetailingevolutionwillbeinsignificant.Inthedetailingspace,thepenaltyfunctionisusedtodisposedesigncriterionconstraints,namelyaproblemwithconstraintsisconvertedintoaonewithoutconstraintsbypenalizingunfeasiblesolutions.Thegeneralizedobjectfunctionisconstructedas(5)Where=penaltyfunction.Theconstraintsofdetailingdesigncriterionareexpressedas,=1,2,⋯,k,m.Sothepenaltyfunctionisdesignedtobe=|min{0，}|.Whenanindividualmeetsacertaindesigncriterionconstraint,penaltyintensityiszero,otherwise,theindividualwillbepenalized,andpenaltyintensityisdefinedas“theabsolutevalueofunsatisfieddegreeismultipliedbyrelevantcoefficient”.=penaltyfactor(>0).Usually,itincreasesstepbystepintheresponsetoevolution.Intheinitialstageofevolution,thevalueofisless,andthepenaltyisgentle.Sothelivabilityofunfeasiblesolutionsisbiggish,andtheexcellentgenes(traits)oftheindividualcanbehold,whichishelpfultoenlargesearchingspaceandreachtheglobalbestsolution.Inthelatestageofevolution,withtheincreaseofexcellentgenes(traits),thevalueofisbiggerandbigger,thepenaltyismoreandmorepowerful.Thesearchingspacewillbeclosetotheoptimumsolution.Theunfeasiblesolutionswillbeboltedquickly,whichcanavoidthefluctuationoffitnesseffectively,andacceleratetheprocessofconvergence.Forexample,thevalueofpenaltyfactorofdetailingstructurepopulation,whichcorrespondstotheschemeofartificialexcavatedpileswithonelayeranchor,isexploredfrom50to1000.4.4DeterminationofoptimizationEvolutionarysystemwillendwhentheevolutionofschemespacereachesconvergence.Inotherwords,ifthemaximumfitnessforseveralgenerationsintheschemespacedoesnotchangeorevolutionarygenerationreachesamaximumvalue,thecalculationwillend.Bynow,thefeasiblesolutionsoftheschemeandthe73 安徽建筑大学本科毕业设计detailingwhichcorrespondto,=[,,,,,…]isconsideredastheoptimaldesignvariablevector.5ConclusionsTheco-evolutionalgorithmisbasedontheSGA.Asforsomedesignproblemsinanever-changingproblemspace,itprovidesanevolutionarymechanismtosimulatetheever-changingproblemspace.Therefore,itisanoptimizationalgorithmthathashighperformance,especiallyfitstotheoptimizationofretainingandprotectingfordeepfoundationpit.Inthispaper,asignificantattempthasbeendonetotheco-evolutionoptimizationofanchoredrowpilesfordeepfoundationpit.Theengineeringpracticeshowsthatithasobviousoptimizationeffectandgreatengineeringoperationsignificanceandisanimportantmethodoftheoptimizationofcomplicatedsystemofretainingandprotectingfordeepfoundationpit.Afuturestudyaboutthefollowingfouraspectsmustbeenhanced:(1)thefeaturesofretainingandprotectingfordeepfoundationpitandthereasonableco-evolutionalgorithm;(2)thestructureoffitnessfunctionofco-evolutionalgorithmandtheappropriatemethodofmeasuringfitness;(3)thesystemstructureofretainingandprotectingfordeepfoundationpit,thehierarchiesplotting-outofschemeanddetailing;(4)allkindsofconstraintsofretainingandprotectingfordeepfoundationpitandtheirdisposalmethods.73 安徽建筑大学本科毕业设计References[1]YangYu.Deepfoundationpitsupportingdesign[D].Nanning:guangxiuniversity,1999.[2]HuangGuizhen,ZhouDong.Pileanchorbracingoffoundationpitoptimizationdesignbasedongeneticalgorithm[J].Journalofguilininstituteoftechnology,2000,20(S0):86-90.[3]Xiaozuanwen,GongXiaona,TanChangming.Soilnailingsupportingoffoundationpitdesignoptimizationofgeneticalgorithm[J].Journalofcivilengineering,1999,32(3):73-80.[4]MaherML,PoonJ.Modelingdesignexplorationasco-evolution[J].MicrocomputersinCivilEngineering,1996,11(3):195-209.[5]HollandJH.AdaptationinNaturalandArtificialSystem[M].AnnArbor:TheUniversityofMichiganPress,1975.[6]SrinivasMandavili,PatnaikLM.Onanexactpopulationarymodelofgeneticalgorithm[J].InformationSciences,1997,99:37-67.[7]GJ120-99,theconstructionoffoundationpitsupportingtechnologydiscipline[S].Beijing:Chinabuildingindustrypress,1999.[8]GBJ10-89,concretestructuredesigncode[S].Beijing:Chinabuildingindustrypress,1990.73 安徽建筑大学本科毕业设计中文翻译：深基坑桩锚支护协同演化优化设计吴恒，周东，李陶深，欧孝夺，王业田摘要：将协同演化思想应用于基坑桩锚支护优化设计中，成功开发了深基坑桩锚支护优化设计系统。协同演化方法提供了模拟问题空间不断变化的演化机制，是一种高效的优化算法，适合于深基坑支护这一复杂系统的优化。工程实践表明，该方法具有明显的优化效果，可作为深基坑支护优化设计的一种重要手段。给出了协同演化模型、优化目标函数、全部约束条件及其处理方法以及系统实现的几项关键技术。关键词：遗传算法；协同演化；优化；桩锚支护；深基坑1前言在各种深基坑围护技术中，桩锚支护结构以其效果好、适应性强和施工简便等特点，在我国得到了广泛应用。桩锚支护的一般设计步骤[1]为：（1）选择支护桩类型和锚杆层数，即支护方案设计；（2）初选支护结构各细部尺寸和材料参数，即细部结构设计；(3)进行计算分析，包括桩的嵌固深度验算、锚杆承载力验算、桩身内力计算、配筋计算等，通过计算对各细部初选参数做出修改和调整，使之满足各种验算要求；(4)对比多个方案，找出造价最低的方案作为基坑支护的最终设计。通常设计者需要对支护方案和细部结构进行多次调整、反复验算，才能使得各计算步骤均满足设计要求。但这样得到的设计往往只是一个“可行”解，而不一定是“最优”解。对于每一种支护方案，其细部设计参数有很多，它们都直接或间接地影响到工程投资。因此，如何寻找一组最佳设计参数，以达到既经济又安全，是桩锚支护设计的一个重要问题。这是一个复杂的优化设计问题，为此，笔者在文献[2]中把遗传算法引入深基坑支护优化设计中来，研究表明，遗传算法的引入为深基坑支护优化设计问题闯出了一条新的途径[2][3]。然而，由于深基坑支护优化设计一般包括方案优选与细部结构优化两个层次，最初提出的算法比较适用于单层次优化问题，为此，笔者探索了另一种适用于深基坑支护优化设计问题的协同演化算[4]。2桩锚支护优化设计模型73 安徽建筑大学本科毕业设计2.1桩锚支护体系及其优化设计目标桩锚支护优化设计属于一项系统工程，是深基坑支护设计体系中的一个子系统，可以划分为方案优化设计和细部结构优化设计两个层次。支护方案由桩排与锚杆两个子方案构成,是排桩类型(钻孔灌注桩、人工挖孔桩和预制桩等)与锚杆设置(无锚杆即悬臂式、一层锚杆、二层锚杆和三层锚杆)的不同组合形式(图1)，方案优化设计就是在给定的工程信息、场地水文工程地质条件、环境条件、施工条件等已知条件下，寻找满足各种约束且造价最低的一种组合；细部结构优化设计则是针对某一确定的支护方案所进行的桩、锚细部结构优化，包括桩、锚的细部结构尺寸、配筋方式、材料参数及材料用量、顶部圈梁的设计等，使得该结构满足各种约束，同时造价最低。方案设计对细部结构设计具有指导作用，细部结构设计结果又可反馈回方案设计中以修改或调整方案设计。无论是方案优化还是细部结构优化，其优化目标是共同的，即桩锚支护体系的总造价最低。其数学模型为：（1）式中为目标函数，即工程造价计算函数，套用《国家统一建筑工程基础定额》及《各省市建筑工程单位估价表》。是由，，...，组成的向量，是设计过程中要优选的量，即设计变量。在方案设计层次上，其设计变量仅两个，即排桩类型(Pt)与锚杆设置(Np)；在细部结构设计层次上，则包括以下两方面的设计变量：1）支护桩：桩径（）、桩边距（S）、嵌固深度（）、砼强度等级（Pct）、配筋方式（Ms）、钢筋类别（Pst）等；2）锚杆：锚杆设置深度（ha）、水平间距（Par）、倾角（H）、自由段长度（）、锚固段长度（）、锚固段直径（D）、锚筋类别（Ast）、水泥砂浆强度等级（Cg）等。s.t.表示需要满足的约束条件，为等式约束条件，p为其数目，表示不等式约束条件，m表示其数目。图1排桩-锚杆支护体系73 安徽建筑大学本科毕业设计上述桩锚支护优化设计数学模型在不同设计层次或演化空间中又有不同的表现形式。2.2方案优化数学模型设支护方案种群空间(染色体空间)为{chrom}，求方案个体chrom{chrom}，使得chrom对应的方案总造价最小，即min（2）式中表示方案空间中某一方案个体第个子方案(取第个可选值)的造价，由于总的支护方案仅由排桩与锚杆两个子方案构成，因此，的取值为1和2；feasible{}表示在方案种群空间中求取满足约束条件的可行个体。方案优化的目标是使方案总造价TotalCost在满足约束条件的情况下取得最小值。2.3细部结构优化数学模型桩锚支护体系的细部结构优化设计是在方案的各子方案选定的条件下进行的，其数学模型是为细部结构优化而进行的数据结构设计的基础。设与某确定方案对应的某细部结构种群空间为{xbchrom}，求细部结构个体xbchrom{xbchrom}，使得xbchrom对应的设计总造价：（3）式中表示方案空间中某一方案（第个子方案取第个可选值）相对应的细部结构空间中，某一个体的第个子方案（取第个可选值）的造价，它是向量的函数；=为某方案（第个子方案取第个可选值）中第个子方案所需优化的设计变量向量，是细部结构染色体的一部分，为其中的第个设计变量，为其设计变量的个数；取1和2（子方案数为2），将这些连接起来，即{}，就构成了某个细部结构种群的整条染色体。为设计变量的值域(离散集)，它限定了的取值范围。73 安徽建筑大学本科毕业设计由公式（2），（3）可以看出，方案种群和各细部结构种群演化的目标均为寻求最低造价，由此在方案种群和各细部结构种群之间建立起一个纽带，将方案种群的演化和各细部结构种群的演化有机地联系在一起。基于这一点，方案种群个体和各细部结构种群个体的适应值都可通过对造价进行适当的数学变换而得到，从而为评价个体的好坏提供了一个统一的标准。3协同演化模型在桩锚支护优化设计中，方案设计和细部结构设计是两个不同空间、不同层次的设计问题，前者是问题空间，也叫方案空间，是全体支护方案的集合；后者是解（设计）空间，也叫细部结构空间，是与各支护方案相对应的全体细部结构的集合。这两个空间既相互独立又相互联系、相互影响。桩锚支护优化设计就是对方案空间和细部结构空间进行交替搜索的过程，对方案空间的搜索，使支护方案发生改变，为细部结构空间的搜索提供新的焦点，由此开辟一个新的细部结构空间；对细部结构空间的搜索，将获得满足支护方案要求的细部结构解；细部结构解的产生又影响着对方案空间的搜索，使原支护方案发生新的改变，在新的支护方案下，进一步寻求新的细部结构解，…，如此不断地搜索下去，直至找到符合设计要求的支护方案和细部结构。上述基于搜索的设计思想，可用图2所示的协同演化模型来模拟。方案空间以P表示，细部结构空间以S表示。图2协同演化模型（1）整个搜索过程有两个不同的搜索空间，即方案空间与细部结构空间。（2）沿水平方向的移动是演化过程，包括方案空间的演化与细部结构空间的演化，两个空间的演化均以简单遗传算法(SGA)为基础[5][6]。方案空间演化：从P(t)演化到P(t+1)，P(t+2)，…，如此进行下去；细部结构空间演化:从S(t)演化到S(t+1)，S(t+2)，…，如此进行下去。这里t，t+1，t+2，…，表示演化代数。（3）沿斜线方向的移动是目标驱动求解的过程，即“方案设计指导细部结构设计”（斜向下的箭头方向）和“细部结构设计调整方案设计”73 安徽建筑大学本科毕业设计（斜向上的箭头方向）。斜向下的箭头：由问题到设计求解的过程。在桩锚支护优化设计中，这是方案设计指导细部结构设计的过程，其指导作用有二：一是方案种群P(t)中的各个个体都开辟一个新的细部结构子空间，并为该细部结构子空间的演化提供目标(焦点)；二是方案种群P(t)中的每一个个体都为相应的细部结构子空间的种群提供适应值度量的依据。斜向上的箭头：由设计调整问题定义的过程。在桩锚支护的优化设计中，这是细部结构设计影响方案设计的过程，这种影响主要是通过将细部结构子空间的演化结果即细部结构解返回给方案空间的相应个体，并且为该方案个体提供适应值度量的依据而实现的。可见，在整个搜索过程中，两个状态空间相互作用，每个空间的演化都是在另一个空间的最新一代的指导下进行的。4系统实现的几项技术4.1系统数据结构（1）染色体结构定义方案种群染色体：在方案空间，其设计变量仅两个，即排桩类型(Pt)与锚杆设置(Np)，因此，染色体结构可定义为Y=(Pt，Np)。细部结构种群染色体：考虑到不同桩型和锚杆设置方式，其对应的细部结构设计变量不尽相同，因此，细部结构种群染色体主要定义以下四种结构：无锚杆桩(悬臂桩)：Y=(Φ，S，，Pct，Ms，Pst)；一层锚杆桩：Y1=(Φ，S，，Pct，Ms，Pst，，PAr1，，，，，Ast，Cg)；二层锚杆桩：Y2=(Φ，S，，Pct，Ms，Pst，，PAr1，，，，，Ast，Cg，，PAr，，，，，Ast，Cg)；三层锚杆桩：Y3=(Φ，S，S，，Pct，Ms，Pst，，PAr1，，，，，Ast，Cg，，PAr，，，，，Ast，Cg，，PAr，，，，，Ast，Cg)。各符号含义同公式（1），脚标1，2，3分别代表各锚杆层号。（1）染色体编码对染色体中变量进行编码的方式多种多样，常用的有二进制编码、实数编码等。无论是方案种群还是细部结构种群，我们均采用二进制编码。在桩锚支护问题中,73 安徽建筑大学本科毕业设计我们将设计变量都看做是离散的，其值域存储在一文本文件中，系统运行时自动将其读入，这样，用户可通过编辑该文本，随时改变系统演化的精度和计算工作量。变量编码分两步；首先，将离散变量进行整数编码；其次，对整数进行二进制编码。对设计变量编码后，将代表各设计变量取值的二进制串首尾相接，即得到染色体串。方案种群染色体串长度为4，编码空间为24=16；细部结构种群的染色体结构有4种，其位串长度分别为15，39，63，87，因而其编码空间分别为215，239，263，287。4.2适应值函数构造桩锚支护问题的适应值是目标函数即工程总造价的数学变换，可参照“界构造法”，采用以下形式：（4）式中为目标函数值，在细部结构空间，为各个个体的总造价(万元)，在方案空间，为与方案个体相对应的细部结构空间演化得到的最优个体的造价(万元)。为个体的可行性标志，{0，1}。若细部结构空间设计准则约束得到满足，则该个体是可行的，，否则为不可行，。为演化空间标志，{0，1}。方案空间，c=0；细部结构空间，c=1。为与细部结构设计准则约束相关的惩罚项，各符号含义见式（5）。4.3约束条件及其处理在方案种群和细部结构种群演化中，其个体均需满足一定的约束。这些约束主要基于工程经验和各类基坑支护设计规范[7][8]，受制于场地的水文地质工程地质条件及周围环境因素(如邻近建筑、地下管线等)。不同的支护方案有不同的细部结构需要设计，因此，细部结构优化约束是随方案变化的，在细部结构优化设计中要区别不同性质的约束。（1）方案种群的约束a）设计变量约束排桩类型（Pt）：钻孔灌注桩、人工挖孔桩和预制桩；锚杆设置（Np）：无锚杆（悬臂式）、一层锚杆、二层锚杆和三层锚杆。b）设计准则约束在软土场地中，基坑开挖深度h>5m时，不宜采用悬臂式支护结构；预制桩不宜采用悬臂式。（2）细部结构种群的约束a）设计变量约束桩径Φ:人工挖孔桩为0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.473 安徽建筑大学本科毕业设计m；钻孔灌注桩为0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4m；预制桩为0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，0.55，0.60m(边长)。桩边距S：人工挖孔桩为1.0Φ，1.3Φ，1.6Φ，1.9Φ，2.2Φ，2.5Φ；钻孔灌注桩为0.0Φ，0.4Φ，0.8Φ，1.2Φ，1.6Φ，2.0Φ；预制桩为1.5Φ，1.7Φ，1.9Φ，2.1Φ，2.3Φ，2.5Φ。桩嵌固深度：0.2h，0.25h，0.3h，0.35h，0.4h，0.45h，0.5h，0.55h，0.6h（悬臂桩及单支点桩：0.3h，多支点桩：0.2h，h为基坑开挖深度）。桩身砼强度等级Pct：C20，C25，C30，C35，C40，C45。桩身配筋方式Ms：预制桩采用矩形截面对称配筋；圆形截面悬臂桩采用受拉侧配置纵向受力钢筋、其余按构造要求配置纵向构造钢筋或采用沿周边均匀配置纵向受力钢筋；圆形截面支点桩采用沿截面受压区与受拉区周边对称配置局部均匀纵向受力钢筋、其余按构造要求配置纵向构造钢筋或采用沿周边均匀配置纵向受力钢筋。锚杆设置深度：上下两层锚杆间距2m，因此，第一层锚杆：0.1h，0.2h，0.3h，0.4h，0.5h；第二层锚杆：+(1.0，1.，2，1.4，1.6，1.8，2.0)2；第三层锚杆：+(1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0)2。锚杆水平位置Par：依赖于桩的布置，主要有以下几种情况：一桩一锚，二桩一锚，三桩一锚。并要求：水平间距不小于1.5m，不大于4.0m。自由段长度：，其中为锚杆倾角；为锚杆锚头中点至基坑底面以下基坑外侧荷载标准值与基坑内侧抗力标准值相等处(O点)的距离为O点以上各土层厚度加权内摩擦角标准值。b)设计准则约束对桩的嵌固深度要求：对于悬臂式排桩：。其中：为桩底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值的合力之和；为合力作用点至桩底的距离；为桩底以上基坑外侧各土层水平荷载标准值的合力之和；为合力作用点至桩底的距离；为基坑侧壁重要性系数。对于单层支点排桩：。其中：为支点至基坑底面的距离；为支点力，可由下式确定：。表达式中，为设定弯矩零点位置以上基坑外侧各土层水平荷载标准值的合力之和；为合力作用点至设定弯矩零点的距离；为设定弯矩零点位置以上基坑内侧各土层水平抗力标准值的合力之和；为合力作用点至设定弯矩零点的距离；73 安徽建筑大学本科毕业设计为基坑底面至设定弯矩零点位置的距离，可由下式确定：，为水平荷载标准值，为水平抗力标准值。对于多层支点排桩：采用圆弧滑动简单条分法验算桩与坑壁土体的整体稳定性。对桩的水平位移要求：，其中为桩顶水平位移（mm），为水平位移界限值（mm）。对锚杆的要求：锚杆的上覆土层厚度为。锚杆自由段长度为。锚杆承载力为，其中：为锚杆水平拉力设计值，由计算；为锚杆轴向受拉承载力设计值，，为锚杆轴向受拉抗力分项系数，可取1.3，为第层土中锚固段长度；为土体与锚固体的极限摩阻力标准值。锚杆杆体截面积：普通钢筋为；预应力钢筋为。式中，分别为普通钢筋、预应力钢筋抗拉强度设计值；为锚杆水平拉力设计值。（1）约束条件的处理遗传算法是一种无约束优化方法，求解桩锚支护的优化设计问题，需将其转化为无约束问题，为此，在演化过程中，我们采用以下几种方法解决：对于设计变量约束，在两个演化空间都必须得到严格满足，为此，我们主要采取三种方法：一是对设计变量值域进行适当调整，尽可能使数据代码充满整个编码空间，从而减少设计变量的越界；二是对演化过程中个别设计变量的越界，采用修正算子进行调整；三是对其它一些设计变量越界，由系统随机重新生成新的个体（执行遗传操作）。对于设计准则约束，在方案空间必须得到严格满足，否则，相应的细部结构演化将变得毫无意义，由于方案空间中的设计准则约束较少，因而很容易通过修正算法实现。在细部结构空间，设计准则约束主要采用惩罚函数法来处理，即通过惩罚不可行解将约束问题转化为无约束问题。广义目标函数构建如下：（5）式中为惩罚函数。细部结构设计准则约束均可表示为，=1，2，K，m，因此，我们将惩罚函数设计为=|min{0，}|，当个体满足某个设计准则约束时，其惩罚强度为零，否则将产生惩罚强度为“不满足约束程度的绝对值乘以相应的系数”的惩罚。为惩罚因子（>0）。通常，我们让H随着演化代数的推进动态地增大，其优点是：在演化初期，73 安徽建筑大学本科毕业设计值较小，惩罚轻微，非可行解的生存几率较大，其优良基因通过遗传操作得以保存下来，有助于扩大搜索空间，寻找到全局最优解；在演化后期，随着优良品种不断产生，值逐渐增大，惩罚加重，搜索空间逐渐向最优解靠拢，使非可行解很快被淘汰，可有效地防止适应值的振荡，加快收敛速度。如人工挖孔桩、一层锚杆方案所对应的细部结构种群，其惩罚因子从50试探到1000。4.4最优设计的确定系统在方案空间的演化获得收敛后终止运行，即方案空间连续数代得到的最大适应值都没有变化或达到最大演化代数，则计算结束，此时与相对应的方案和细部结构的可行解=[，，，，，…]即为最优设计变量。5结语协同演化算法以SGA为基础，对于问题空间不断变化的设计问题，它提供了模拟问题空间不断变化的演化机制，因而是一种高效的优化算法，比较适用于深基坑支护这一系统工程的优化，本文对深基坑桩锚支护协同演化优化设计作了有意义的尝试。多项深基坑支护工程实践结果表明，该方法具有明显的优化效果和重大的工程实际意义，可作为深基坑支护优化设计的一种重要手段。在今后的工作中，需要加强以下四方面问题的研究：（1）研究深基坑支护自身的特点，设计合理的协同演化算法；（2）研究协同演化算法的适应函数的构造问题，在实践中摸索合适的适应值度量方法；（3）研究深基坑支护这一系统工程的体系结构，做好方案与细部的层次划分工作：（4）研究深基坑支护工程中各种类型的约束及其处理。参考文献73 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