基坑降水的优化设计方法分析

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1、第三部分基坑降水的优化设计方法分析摘要基坑工程快速发展的今天，作为基坑工程重要组成部分的基坑降水工程自然而然的也要与时俱进，无论是从经济还是从施工安全角度来看，对基坑降水工程的优化都有着重要的意义。由三维数值模拟模拟发展而来的软件，对土层水的渗流能做到很好的分析，从而方便了基坑降水方案的优化，目标函数法的引入为基坑降水方案的优化提供了一种有效地方法所谓“优化设计”无非就是考虑通过何种降水措施，既要保证基坑地板的稳定性，又要保证不使周围地面因为基坑降水引起超出标准的沉降，很明显这是一对矛盾，一个要求尽量降低水位，另一个要求尽量减少对原有水文地质情况的扰动。

2、所谓优化就是要在这对矛盾中寻找一个平衡，以一个或者多个目标作为优化的方向，在保证基坑底板不发生突涌的前提下，使降水方案最大化的实现目标的要求。关键字基坑降水；优化；数值模拟；约束条件；目标函数1绪论1.1基坑降水工程发展中的障碍随着城市建设规模的一步步扩大，高层及超高层建筑在基坑工程实践中，不可避免的成为基坑降水与开挖时必须考虑的关键。然而基坑周边受基坑降水的影响程度差异性很大，在不同的施工阶段，建筑与以及周边环境的变形也有所不同，时空效应明显，受影响区域具有局部性和方向性。与一般均匀地址中的理论分析差别很大。深基坑降水工程是一项极其复杂的工程，有很多因

3、素会对基坑的施工质量产生影响，同时基坑降水本身就是一个矛盾的平衡体，工程中降水没有达到设计要求，会造成基坑底板不稳定的问题。而降水过超过设计标准时，又会对周围环境造成不利的影响，如地面的沉降以及建筑物因不均匀沉降发生开裂等等。由上面可知，基坑降水的程度需要严谨的把握，综合考虑基坑工程本身的施工需求以及降水工程对周围环境的的影响。运用系统的成熟的理论方法，统筹基坑的整体与局部、基坑与周围环境的关系，在矛盾以及相互制约中寻求基坑降水的优化方法[1]。1.2国内外的发展现状对于基坑降水理论与方案的研究伴随着地下工程的大发展，也在快速的进步，取得了一大批重要的成

4、果。国外对于地下水渗流理论的研究起步较早，从19世纪中叶到20世纪初，地下水流模拟的研究看是起步，直到20世纪50年代，对于含水层和不规则边界条件的研究仍然是毫无进展[18]。60年代以来，利用数值模拟的方法对地下水渗流情况进行模拟的方法快速发展起来，首先兴起的二维数值模拟模型，能够对单层地下水的渗流进行很好地分析，三维渗流模型的建立为各种地下水渗流模拟软件的发展提供了理论依据，耦合模型的出现使地下水的活动与地面沉降之间建立了数学上的理论关系[19]。比较典型的是三维渗流模型或准三维渗流模型包括R.Bravo（美国）等做的休斯顿模型和A.Rivera（法

5、国）等做的墨西哥模型[2]。我国学者对地下水数值模拟的研究起步较晚，但是起点高，周志芳教授、朱宏高教授等人通过对具体工程的研究提出了双层结构变参数降水理论计算方法在工程实践中取得了良好的效果。在基坑降水与地面沉降变形的模拟计算中，学者骆祖江、刘金宝等人建立了三维地下水渗流场与应力场耦合数学模型，运用这种理论方法，可以同步求解出地下水位值以及土体的变形位移量。该理论考虑了土体的非线性特征及渗透性与应力之间的相互影响，似的人们在研究过程中对土体变形的刻画能够更切合实际。同时与理论相伴的是各种相应分析软件的出现，如基于常密度地下水的三维流动基本方程设计的可视化

6、三维地下水流动模拟软件VisualModflow[17]，该软件实现了基坑降水过程的可视化、预期化[3]，在工程实践中得到了很好的应用。1.3基坑降水优化设计的基本思路总的来说，所谓“优化设计”无非就是考虑通过何种降水措施，既要保证基坑地板的稳定性，又要保证不使周围地面因为基坑降水引起超出标准的沉降，很明显这是一对矛盾，一个要求尽量降低水位，另一个要求尽量减少对原有水文地质情况的扰动。所谓优化就是要在这对矛盾中寻找一个平衡，以一个或者多个目标作为优化的方向，在保证基坑底板不发生突涌的前提下，使降水方案最大化的实现目标的要求。这个目标可以尽量减少周围地面的

7、沉降也可以成本最低等等。2基坑降水的作用以及影响因素2.1基坑降水的作用基坑降水方案的合理与否直接决定着整个基坑工程的成败，其对于基坑工程的作用可见一斑。降水工程在基坑工程中的主要作用如下[4]：（1）地下水位降低以后，降低了基坑内外渗透水头差，从而把渗透水里梯度控制在合理范围内，能够消除渗透力的影响,防止流沙的产生。（2）地下水位的下降，对于降水范围内的土层，其含水量因为降水而显著减小，容量从浮容重度提高到饱和容重，从而这部份土层发生固结，土体的各项工程指标得到改善，抗剪强度得到增强，减少土中孔隙水压力,增加土中有效应力。（3）基坑降水使土层发生固结作

8、用，从而降低了土层的水含量和孔隙率，这样就能减少甚至杜绝基坑坡面和基底的深水，对