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1、武汉地铁站深基坑支护体系优化与动态变形控制研究技术报告中国地质大学（武汉）武汉地铁集团公司二一年九月目录第一章 概 述11.1 研究背景与选题意义11.2 国内外研究现状31.2.1 基坑支护方案优选方法研究现状31.2.2 基坑支护结构设计方法及优化设计研究现状41.2.3 基坑土压力和变形机理数值模拟研究现状81.3 主要研究内容与技术路线131.4 主要研究成果14第二章 武汉地铁站深基坑工程地质性质研究162.1 工程地质概述162.2 武汉地铁2号线一期工程沿线特点172.2.1 工程地质特点172.2.2 沿线地下水分布特点192.2.3 沿线岩土层特性202.3 沿线岩土工程评价

2、272.4 沿线地下水评价29第三章 深基坑支护方案优选评价指标体系研究303.1 问题提出303.2 评价指标体系影响因素分析303.2.1 基坑工程总体设计方案的安全可行性303.2.2 基坑支护方案的经济性363.2.3 基坑支护方案的环境保护要求373.2.4 基坑支护方案的施工便捷性373.3 建立指标体系的原则383.4 评价指标体系的构建38第四章 深基坑支护方案优选方法与优化模型研究414.1 建模基本理论414.1.1 模糊数学理论414.1.2 灰色系统理论424.2 灰色模糊隶属度模型424.3 基坑支护方案灰色模糊可变决策模型444.4 评价指标值的确定474.4.1

3、评价指标的类别474.4.2 定量和定性评价指标值的确定474.5 模型中评价指标权重的确定484.5.1 主观赋权法484.5.2 客观赋权法484.5.3 组合赋权法494.6 支护方案优选决策系统研究494.6.1 设计分析494.6.2 系统特点504.6.3 系统功能分析514.6.4 系统使用说明51第五章 深基坑支护方案优选工程应用605.1 武汉常见基坑支护方案类型605.1.1 土钉墙605.1.2 水泥土重力式围护墙615.1.3 地下连续墙615.1.4 灌注桩排桩围护墙635.1.5 型钢水泥土搅拌墙645.2 武汉地铁积玉桥站主体深基坑支护方案优选655.2.1 工程

4、概况655.2.2 工程地质水文地质条件655.2.3 周边环境条件665.2.4 工程特点675.2.5 方案优选决策系统应用675.3 武汉地铁光谷广场站主体深基坑支护方案优选735.3.1 工程概况735.3.2 工程地质水文地质条件735.3.3 周边环境条件755.3.4 方案优选决策系统应用75第六章 深基坑支护结构内力与变形计算模型研究796.1 概述796.1.1 经典设计法796.1.2 弹性地基梁法796.1.3 有限元法796.2 考虑分步开挖的弹性地基梁法806.2.1 物理模型806.2.2 弹性地基梁平衡方程806.2.3 地基基床系数816.2.4 支撑体系816

5、2.5 土压力计算826.3 不同施工工况的计算模型826.3.1 基坑的开挖826.3.2 加撑836.3.3 预加轴力846.3.4 拆撑846.4 考虑分步开挖过程的分析方法846.4.1 分步开挖过程的基本原理846.4.2 考虑分步开挖过程的分析求解856.4.3 初始阶段结构内力和变形的求解916.4.4 不同工况下结构内力和变形的求解916.5 计算程序的实现93第七章 深基坑支护结构参数优化模型研究947.1 基坑支护结构优化设计理论947.2 基坑支护结构优化设计数学模型957.2.1 优化参数的选取957.2.2 目标函数的确立977.2.3 约束条件977.3 支护结构

6、优化设计方法997.3.1 数学规划法997.3.2 最优准则法1007.3.3 智能优化法1007.4 基于遗传算法的基坑支护结构参数优化模型1017.4.1 遗传算法的基本概念与数学理论1017.4.2 遗传算法的设计结构与相关技术1027.4.3 遗传算法的特点1057.4.4 数学模型的建立1067.4.5 基坑支护结构参数优化程序的编制107第八章 深基坑支护结构参数优化系统应用1108.1 基坑支护结构参数优化系统应用说明1108.1.1 系统简介1108.1.2 软件的打包和安装1108.1.3 基坑支护结构优化系统界面1108.2 积玉桥站地下连续墙支护结构参数优化1118.2

7、1 工程概况1118.2.2 工程地质和水文地质条件1128.2.3 计算参数选取1138.2.4 优化结果与分析1138.3 螃蟹甲站钻孔灌注桩支护结构参数优化1158.3.1 工程概况1158.3.2 工程地质和水文地质条件1158.3.3 计算参数选取1168.3.4 优化结果与分析116第九章 武汉地铁站深基坑土体力学参数反演研究1199.1 位移反分析的基本原理1199.1.1 FLAC3D的基本理论和计算原理1209.1.2 FLAC3D的本构模型1209.1.3 FLAC3D的计算原理1219.1.4 FLAC3D的优点及其在岩土工程中的应用1249.2 BP神经网络的基本理论

8、与计算原理1259.2.1 BP神经网络的基本理论1259.2.2 BP神经网络模型的计算原理1269.3 正交试验设计法1299.3.1 正交试验设计法的基本概念1299.3.2 正交试验法的主要用途1319.4 名都站深基坑土体力学参数动态反演1319.4.1名都站深基坑基本概况1319.4.2 数值模拟计算模型与初始计算参数1339.4.3 BP网络学习样本的构建1359.4.4 位移反分析140.5 金色雅园站深基坑土体力学参数动态反演1439.5.1金色雅园站深基坑基本概况1439.5.2 数值模拟计算模型与初始计算参数1469.5.3 BP网络学习样本的构建1499.5.4 位移反

9、分析152第十章武汉地铁站深基坑施工变形预测与控制15910.1金色雅园站深基坑施工变形预测与控制15910.1.1 金色雅园站深基坑施工变形预测计算分析15910.1.2 金色雅园站深基坑支护参数优化变形控制计算分析16310.1.3 金色雅园站深基坑变形对比分析16710.2名都站深基坑施工变形预测与控制16910.2.1 名都站深基坑施工变形预测计算分析16910.2.2 名都站深基坑支护参数优化变形控制计算分析17310.2.3 名都站深基坑变形对比分析177第一章 概 述1.1 研究背景与选题意义九十年代以来，深基坑支护问题正在成为建筑工程界的热点和难点问题。深基坑开挖支护是一项风险

10、大、影响因素众多的系统工程，其技术条件复杂，综合性强，与场地地质条件，支护系统设计，基坑周边环境状况、土石方开挖、地下水处理、施工工序及管理、监测与监控措施等息息相关。由于基坑支护设计的半理论半经验现状，如何在确保支护系统稳定，基坑变形满足周边环境要求前提下，采用科学合理的方法，设计经济合理的支护体系与参数，即实现基坑变形控制优化设计，具有重要的现实意义。目前，在深基坑工程支护设计中大量存在着两种极端的现象，一是由于支护设计和施工不当而导致深基坑工程事故，造成重大经济损失的现象；二是由于支护设计过于保守而造成投资浪费的现象。而后者往往更难以引起人们的注意。地铁站深基坑工程，是地铁工程的重点，造

11、价占总工程造价的20%左右，有的甚至占工程总造价的一半。实际应用中，由于采用的支护体系不同，不同施工单位对同一深基坑工程的报价相差在一倍以上也并不鲜见；地铁深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需要经历多次降雨、施工不当等不利条件。因此，在保证工程质量、安全的条件下，协调工期与造价的关系是一个重要的研究课题。同时，地铁深基坑工程技术复杂，变化因素多，事故频繁，地铁工程安全、稳定性在一定意义上就是基坑的安全、稳定。地铁深基坑工程施工过程中，不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且要有效控制基坑系统的变形以保护周围环境。基坑系统变形主要包括支护结构水平位移，周边地表沉降，坑内土体

12、隆起。目前，基坑支护设计方式己经由以强度控制为主发展为以变形控制为主。变形控制设计的基本思想是支护结构在满足强度的前提条件下，尚需满足其使用要求，即基坑在施工过程中既要保证其安全，不失稳，又要保证其对周围环境不造成破坏性的影响。传统的基坑支护结构设计仅考虑到支护结构的强度满足抗倾覆、抗滑移的要求，随着基坑工程的发展，周边环境对基坑支护系统的变形要求愈来愈严格，在控制基坑变形以保护环境的前提下尽可能地设计经济合理的方案，即变形控制优化设计应是基坑支护设计的发展方向。但是由于理论上的不成熟，带有诸多假定为前提的计算模型不能完全反映基坑支护结构的工作性态、支护单元与土体的相互作用；另外，土压力的计算

13、与分布，支撑的刚度与位置，基坑施工的时空效应、振动对支护结构的影响等尚待研究与完善。因此，仅依靠理论分析和经验估计难以完全把握在复杂条件下基坑开挖变形规律。当前技术条件下，深基坑支护系统的变形预测，以及实时监测与信息化施工是确保基坑支护体系安全高效工作的有效方法。武汉市是中国中部地区一座拥有800万人口的特大城市，主城区被分割为汉口、汉阳、武昌三镇，形成鼎立之势，三城区主要依靠桥梁连为一体，交通压力十分紧张。根据规划，2012年前武汉将建成1号、2号、4号三条轨道交通线，长约70公里，形成一个“工”字形的快速轨道交通网络的“骨架”。2020年前，武汉将建设7条轨道交通线，全长222.8公里，届

14、时武汉轨道交通网架将基本成型。目前武汉地铁2号线与4号线一期工程正处全面开始施工阶段。地铁2号线一期工程和4号线一期工程共设站点36个，见图1-1所示。在地铁设计中，地铁车站的设计与施工无疑是整个地铁设计与施工的重点。图1-1武汉轨道交通2号线一期工程及站点平面位置示意图地铁2号线一期现场与岩土工程勘察表明：地铁2号线沿线交通干道纵横交错，地面交通流量大，高层建筑鳞次栉比，古建筑及需要保护的文物建筑众多，地下管线错综复杂，沿江一带水利、堤防及码头设施生产和施工建设繁忙；该工程贯穿长江南北，第四系地层分布复杂，具有多种地貌单元，地质构造条件、地层岩性组合、土体成因类型、水文地质条件等均有明显差异

15、与轨道交通2号线相似，规划中的全部地铁线路均经过多个地貌单元，地质条件多变，由此给地铁设计施工带来复杂性和多样性。因此，每个区间和车站的施工工法选择都要结合地面建筑物的分布情况和地层分布特点，反复进行方案优化比较，以符合基坑设计施工的“安全可靠、经济合理、施工便利、工期较短、保护环境”原则。结合武汉地铁工程实际，对武汉地铁车站深基坑进行深入研究，既可以为当前地铁站深基坑设计施工提供安全经济的支护方案，又可以为武汉类似的深基坑项目提供参考，可创造明显的经济效益和社会效益，具有切实的必要性。为此，武汉市科技局于2008年6月，以武科计2008 34号文下达了“武汉市地铁站深基坑支护体系优化与动态

16、变形控制研究”科技攻关项目任务，由中国地质大学（武汉）和武汉地铁集团公司共同承担，经2年多时间的共同努力，已完成了预期的各项科技攻关任务，取得了满意的成果。1.2 国内外研究现状 深基坑工程是一个系统工程，涉及工程地质、水文地质、工程结构和施工理论等，主要研究稳定性、变形和渗流三个问题。内容包括：基坑支护体系的强度和变形控制、基坑坑底和挡土结构后土体的安全和变形控制、周围建（构）筑物的安全和变形控制、相关地下管线的安全和变形控制、地下水的治理措施等。基坑的研究方法多种多样，可归纳为三种方法：实验研究，包括室内模型实验和现场原位测试；理论分析，包括各种数值模拟和解析方法；经验总结，即根据已有的工

17、程数据进行总结、提炼。本课题以支护系统优化与动态变形控制为主体研究内容，采用理论分析、数值计算、反演分析相结合的综合手段进行研究。因此，研究现状主要从基坑支护方案优选方法、基坑支护结构设计方法与优化设计、基坑工程土压力理论和变形机理、等方面进行阐述。1.2.1 基坑支护方案优选方法研究现状长期以来，确定基坑支护方案的方法主要有二种：一是定性分析法，二是定性分析与定量计算相结合的方法。定性分析法，主要依靠专家个人经验及工程实践经验，结合基坑工程特点对各备选方案的优缺点进行对比分析，从而确定一个优选方案。这是确定基坑支护方案的传统方法。刘建航和侯学渊教授主编的基坑工程手册中，根据基坑开挖深度及所处

18、地区的不同定性的给出了一个基坑围护结构方案选择表。余志成等主编的深基坑支护与施工根据基坑深度不同，土层性质的不同，提出了基坑工程围护结构常规选择类型。秦四清在深基坑工程优化设计一书中提出了这样一个方案选择顺序，无支护开挖、放坡+土钉、土钉墙、放坡+桩支护、土钉墙+桩支护、悬臂桩、搅拌桩、放坡+锚桩、土钉墙+锚桩、锚桩墙、地下连续墙。建筑基坑支护技术规程 (JGJ120-99)根据基坑安全等级、土层性质、地下水位等不同情形给出了一个支护结构选型推荐表。定性分析和定量计算相结合的方法，近些年来已逐步得到应用。目前，在用此方法对基坑支护方案进行优选方面已取得了一些研究成果。王永祥等应用层次分析法来确

19、定解决深基坑支护方案优选这个多目标决策问题。徐杨青着重从深基坑工程的整体设计思路系统上，提出了面向问题即深基坑工程的概念设计的设计思想和深基坑工程优化设计的主要途径。张信贵、吴恒等首先对整个基坑支护系统划分了相应的研究层次，然后从系统优化理论出发，研究了深基坑支护工程方案推理机制与优化设计问题。张尚根、徐杨青和周宇等主要采用模糊数学理论，建了模糊优化决策模型，提出了基坑支护方案的优化确定方法。戴佑斌将模糊数学理论和层次分析法相结合，建立了模糊一致矩阵数学模型对地铁深基坑支护方案进行优选。范迎春用MATLAB语言，编制了基于BP神经网络的深基坑支护结构选型决策的程序，并用将其应用到实际的工程中。

20、周海清、陈正汉等利用遗传算法，分别研制了悬臂桩、水泥土挡墙和锚索桩的方案优化及造价估算程序，并将其应用到厦门市3个实际的深基坑工程的支护结构选型中。杨建平、姚胜运用价值工程基本原理，将价值工程理论用于基坑支护方案的优选决策。王广月分别将信息熵与模糊物元理论及层次分析法相结合对深基坑支护方案进行优选决策。何满潮等、张海涛、朱元青基于人工神经网络或人工智能的理论与方法，研究了深基坑工程支护方案的优选问题。高文华等将模糊优选理论与神经网络理论相结合，建立深基坑支护方案模糊BP优选神经网络模型，对深基坑支护方案的进行优选。阮永芬等运用灰色系统理论中的灰色关联分析原理，进行深基坑支护方案的优选等。廖貅武

21、基于不完全信息下的MADM法对深基坑支护方案选择进行多属性决策分析。曹文贵等运用区间数学、模糊数学与灰色理论建立了基坑支护方案确定的区间关联模糊优化分析方法。汪菁等、冯玉国等利用集对分析方法中的同一度将评价基坑支护方案的多个指标合成为一个与理想方案的相对贴近度，从而去求其最优基坑支护方案。金志仁等基于马氏距离判别分析理论，建立了优选方案的距离判别分析模型，对深基坑支护方案进行优选。冯玉国等针对深基坑支护方案优化中各指标的不相容性和信息不完全性，将物元分析理论和灰色系统理论相结合建立了深基坑支护方案灰色物元分析优化方法。从上述的基坑支护方案优选方法研究现状可以看出，每种优化方法各有利弊，应综合起

22、来使用。基坑支护方案的优选决策不仅仅是对基坑周边围护结构型式的优选，还应综合考虑深基坑支撑和开挖方案、降水方案、监测方案以及环保方案等内容；不仅要考虑深基坑的几何尺寸、场地工程地质和水文地质条件、基坑周边环境、施工作业设备、施工季节，在保证基坑本体及周边环境安全的前提下，还要充分考虑工程造价和施工建设工期要求，以使所选择的支护方案满足技术合理性、施工可行性和经济性要求。定性分析法即主要依靠专家的经验，根据设计目标要求及一些约束条件，对照以往类似工程经验，从而确定支护方案。这种方法强调并依赖于专家个人的领域知识、工程经验和判断能力，较大程度上受到个人知识、经验、能力、主观判断的局限和制约，难以做

23、到科学、准确、可靠。采用此法选择方案时往往具有一定程度的盲目和偏见，有的设计人员为了达到省钱的目的，却造成工程事故；而有的设计人员片面追求安全，却造成了的极大浪费。此外，专家们的选择往往因其长期从事研究性质的不同而带有偏见性。例如有些人比较喜欢用桩墙支护，有些人则强调尽可能采用土钉墙。定性和定量结合方法的研究，是近年来，研究人员意识到传统的定性分析方法的不足而提出的更为科学合理的确定基坑支护方案的优化方法。从上述的研究发展现状中不难看出，现有的确定基坑支护方案的方法的理论基础有模糊数学理论、灰色理论、神经网络理论、物元理论、集对分析、距离判别分析理论以及这些理论的有机结合。 但这些方法也存在着

24、一定的不足：一是考虑的因素太少，不够周全，评价指标属性值及其权重值不能反映影响因素的不确定性；二是算法过于复杂，可操作性不强，所采用的方法、模型较为单一，并不能确保优选决策结果的高可靠度。因此，如何在前人这些研究的基础上，找出科学合理、方便快捷的优选方法，从而提高基坑支护方案优选决策的科学性、准确性、可靠性和智能化程度，同时这也是实践发展的必然要求，也使之成为一个亟待解决的问题。1.2.2 基坑支护结构设计方法及优化设计研究现状深基坑支护结构工程在设计计算时由于支护结构类型多，施工环境复杂，边界条件变化大等各种因素，使得深基坑支护结构工程与一般的结构工程存在着一定的差异，设计者在对支护结构进行

25、设计的时候，尽管有较多的计算理论和方法可供选择，但在实际的应用中均不够完善。深基坑支护结构设计计算方法可分为三类，即：经典设计方法，弹性地基梁法和有限元方法。经典设计方法是较为常用的一种方法，在设计的时候，设计者首先根据经验，最先把支护结构的入土深度确定下来，然后对结构整体稳定性、抗隆起以及抗渗进行验算，在符合要求的情况下，用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力，或者对计算得出的土压力作修正，或者计算柔性挡墙(悬臂式或有支锚结构)的内力，进一步设计围护桩墙、锚杆、支撑等结构。在设计重力式刚性挡墙结构时，常常采用相关设计规范中对普通挡土墙规定的安全系数，对重力式刚性挡墙进行抗倾覆、抗滑移稳定

26、性等验算。经典设计方法中的计算方法包括简支梁法、二分之一分割方法、山肩邦男法等，这些计算方法在实际的应用中多数已经被简化，目前已经在一般挡土墙或开挖深度较浅的钢板桩设计得以成熟应用。但在深基坑工程中，尤其是软土条件下深基坑的支护结构设计，经典设计方法存在着两个不足：一是此方法的计算结果不能分析支护结构的整体性状，对于更为复杂的情况无能无力；二是对于求解支护结构的位移的要求则不能满足。弹性地基梁法在经典设计方法的基础上作出了改进，其提出在计算挡土墙内侧被动土压力的过程中，由于在实际的施工工程中，挡土墙位移不是任其发展的，而是根据基坑的等级程度，要求控制在一定的范围内，这样基坑内侧的土体就不可能达

27、到完全的被动状态，也就是说此时的土体是处在“弹性”的阶段，这就使得基坑内侧的土体具有了横向抗力的等效作用，将墙体外侧主动土压力等效为水平荷载，并将其施加在墙体上，通过采用弹性地基梁的方法来计算挡墙的变形与内力。由于处于土体“弹性”阶段，引进弹簧这一概念，赋予一定的抗力系数，用其模拟土体对墙的水平向支撑，对于支护结构中的支撑、锚杆结构，只需将结构的刚度等效为弹簧的抗力系数，也就可以用弹簧对其模拟。黄凯等一些学者对弹性地基梁模型提出了修正，研究了用弹性地基梁法分析围护桩墙工作性状时，圈梁、支撑温度应力在其中的影响，修正后的弹性地基梁模型和实际情况更加接近。王占生等假定了土体抗力与结构位移之间为双曲

28、线函数关系，从而得到了围护桩墙内力和变形的有限元解。章胜南等学者对基坑开挖过程中围护桩墙后土压力的分布情况，进行了理论、现场和室内试验研究，为弹性抗力法中墙后土压力的计算分析提供了一定的依据。弹性地基梁法可以看作是由经典设计方法的发展而来，和经典设计方法相比，其最大的优点就是设计计算过程中考虑了支护结构本身刚度，并涉及到了支护结构变形对被动抗力及锚撑力的影响，但其不足之处就是在结构变形对主动区土压力分布的影响方面没有给予考虑。有限元方法是一种考虑更为全面的设计计算方法，它从整体的角度出发，对支护结构及周围土体进行应力与位移性状的计算分析，有限元方法实现了以前的设计方法不可能实现的计算，那就是对

29、支护结构进行动态模拟计算，这样对于整个施工过程可以实现动态管理，及时反馈现场的施工信息，对相应的情况进行实时处理，除此之外，有限元方法还可以对不同的设计方案进行对比，对基坑的设计起到了优化的作用。Clough等在1971年首次将有限元法应用到基坑的变形分析计算之中。在考虑渗流作用和土支护结构相互作用的情况下，Suni1 S. Ri shnami (1993) 采用数值模拟的方法研究了这两因素对基坑支护体系的影响，他的研究结果表明：渗流作用主要对围护墙体有两方面的影响，一方面是改变了围护体后土压力的大小和分布形式，另一方面是导致了地面高程的损失。Charles W. Ng和MartinLings

30、 (1995)应用了数值模拟的手段分别模拟了深基坑有支护和无支护两种情形下的开挖过程，分析对比了不同情形下基坑的性状，其中模拟中采用了弹性Mohr-Columb和非线性块体模型。Clough和Hansen在计算土压力的时候考虑了土体的各向异性影响，计算结果显示了土体各向异性明显地影响到土压力的分布，使得墙体位移和地面沉降会明显地增加，塑性区也有所增大。Anthony利用有限元方法对悬臂式围护墙进行了研究，研究结果表明了作用在墙体上的侧压力分布与墙、土体的位置的变化相关。Yang K. Y和Lee F. H等基于Boit固结理论，用有限元方法对基坑的开挖过程进行了数值模拟，模拟所得显示：由于在基

31、坑开挖的过程中，施加横向支撑的作用，这就使得土体产生了负的孔隙水压力，而固结计算结果介于不排水和完全排水之间，因此可将土体处在两种状态下的结果分别作为基坑位移的上下限。孙钧等在研究地下围岩与地下结构相互作用的过程中，引进了有限元方法，并且在几何关系上从线性分析发展到非线性分析，在本构关系上则引进了不同类型的岩土介质本构模型。侯学渊等研究了当围护结构是地下连续墙的时候，由于基坑的稳定空间作用和土体间环向挤压效应，最终引起的抗隆起稳定的各种因素，并且提出了一种此类条件下较为合理的围护结构设计计算模式。曾国熙等分析了在软粘土地区施工时候，若围护结构为板桩的基坑开挖问题，并且在此基础上，编制有限元程序

32、用其研究了影响基坑性状和工程造价的相关因素。在我国，很多江海边城市的上部土层是属于软塑和流塑的粘性土，这类土体最大的特点就是具有很强的流变性。围护结构的变形在基坑开挖过程中，都会跟围护结构的暴露时间成正比关系，并且围护结构受到的外荷载和内力也都会随着暴露时间的增大，也就是表现出了深基坑开挖过程中特有的特点时空效应。随着工程实例的增多，人们已经开始重视支护结构在流变性软土条件下内力和变形的计算问题。从原理上说，常规方法中不能解决的问题，有限元方法都可以在一定程度上实现，但是，不容忽视的问题就是在应用有限元方法求解时，除了数值分析方法自身的缺陷以外，关键的土体本构模型及其计算参数都难以确定，还有

33、就是如何定义安全系数，以及与常规设计的安全系数相匹配问题等。如果这些问题得以解决，那将是工程设计中的又一重大突破，那时的有限元方法则可以从辅助手段转变成为一种可供实用的工程设计方法。传统的深基坑设计方法是设计者凭个人经验进行手工设计，因为深基坑工程是一个很复杂的系统，影响因素众多，因素间又相互影响和约束，所以用手工设计很难达到既安全又经济的设计效果。计算机技术的高速发展给深基坑优化设计带来了新的机遇，利用最优化方法和计算机结合起来进行优化设计，比传统的手工设计方便得多，设计效果也要好得多。为寻求安全经济地进行基坑工程的施工，建设部等部委组织有关专家完成了基坑工程技术规范与行业标准的制定，各地也

34、根据地方特点组织编写了地方规范。不少专家及学者针对基坑工程理论现状，相继提出了各自的新理论与新方法。如王步云提出的土钉设计王步云法，秦四清提出的支护结构优化设计理论，以及其它学者提出的人工神经网络预测支护系统变形理论，有限元分析理论等。另外，北京理正软件公司依托建筑基坑支护技术规范JGJ120-99推出的“理正深基坑支护结构设计软件”，同济启明星科技公司推出的“启明星深基坑支挡分析计算软件”、北京中航勘察设计研究院秦四清等推出的“大力神软件”、武汉中南勘察设计研究院“天汉”等商业化软件已在各地深基坑工程中得到广泛应用。这些优化设计软件都是利用传统的寻优方法和计算机结合起来，以人机配合的方式，在

35、计算机上进行半自动或自动设计。实际上，这些软件的设计原则是最优设计，设计手段是计算机及计算程序，设计方案是采用最优化方法。深基坑工程是与众多因素相关的综合技术，是一门系统工程，如何在保证基坑和周边环境安全的前提下，同时兼顾降低造价和缩短工期，是一个优化设计的问题，一个理想的设计方案必定是经过多次优化得到的。基坑工程的优化设计按其阶段不同，可分为方案优化设计和施工图优化设计(或结构细部优设计)，方案优化设计是根据工程需要达到的目标，对多种可行的基坑开挖与支护方案进行比较，从中选出一个相对较优的方案。支护方案选择合理，就能够做到安全可靠，施工顺利，缩短工期，带来可观的经济效益和社会效益，因此，支护

36、型式选择是设计中关键的问题。 20世纪90年代以来，基坑工程的设计和施工技术日益进步，不断涌现了多种符合我国国情的实用的基坑支护方法，而且使得基坑工程的设计理论、计算方法得到不断改进，施工工艺取得长足的进步。目前，各地基本建设中的各类建筑朝着高、大、深、重等方面的发展势头仍方兴未艾，可以预料，基坑开挖与支护技术的各个方面均将继续得到全面而深入的应用和推广，今后深基坑设计施工技术将可能会有如下发展：1、根据基坑施工发展需要及我国综合经济水平的提高，将继续充实深基坑开挖、支护的施工队伍素质及装备，引进国外新技术，增加技术手段；2、大力促进与推广动态设计和信息化施工技术，使之在开挖支护工程设计中成为

37、设计指导思想的基调，用来变更改革岩土工程的总体设计构思； 3、深基坑开挖与支护问题对经典土力学理论提出了新的挑战，需要对此进行深入研究；4、基于土的本构关系，能将基坑、支挡结构以及周围土体作为一个统一整体进行分析计算，并能考虑土的流变性及基坑的时空效应采用三维有限元理论研究深基坑；5、建立基坑预测预报预警系统，实施基坑自动监测处理，并与仿真模拟技术相结合将是深基坑动态实时优化技术发展的目标。1.2.3 基坑土压力和变形机理数值模拟研究现状以极限平衡理论为基础的 Rankine 土压力理论和利用滑楔理论推导出的Coulumb 土压力理论无疑是刚性挡墙设计中的重大变革，一直到现在，在基坑和挡墙设计

38、中，仍广泛使用。Finn(1967)和陈惠发（Chen,W.F.,1970）等曾用极限分析方法研究了古典的 Coulomb 直线破坏机理问题；Daris（1968）研究了由两个刚性滑块组成的稍微复杂的机理；Rosenfarb（1973）和陈惠发（1972）在土压力极限分析中做了大量的工作，研究了多种破坏机理下的主动与被动土压力。Richard L.H.(1985)利用水平土条极限平衡原理，研究了考虑拱效应时刚性挡墙的土压力分布，发现靠近粗糙挡墙的大主应力发生了偏转，水平侧压力超过了传统计算方法得到的土压力，在矮墙上的土压力为土体自重应力的 0.42 倍。国外其他学者对主、被状态下的土压力也作了

39、研究，多以刚性挡墙为研究对象，遵循平面滑裂面假定。曹振民（1994）从水平土条的极限平衡理论入手，研究了直线滑裂面时墙背被动土压力的大小和分布问题。王鸿兴、孙大庆（1989）利用变分原理推导了刚性挡墙后填土滑裂面的微分方程，并给出了简化条件下无粘性土和粘性土挡墙主、被动滑裂面的解析解。孙大庆（1991）假定土体滑裂面为平面，利用变分原理推导了粘性土挡墙上主动土压力计算公式。胡敏云、夏永承等（2000）根据被支护土体中的成拱作用，将排桩后的土压力分为直接土压力和间接土压力，用小主应力拱分析计算直接土压力，用大主应力拱分析计算间接土压力，由此得到的土压力呈曲线分布，成为土压力研究的新思路。近30

40、年来，随着有限元等数值方法在土力学中的迅速发展，数值模拟方法在土压力问题的研究中也发挥了重要作用。李云安、葛修润等（2000，2001）深入探讨了影响基坑变形的多种实质性状态变量，给出了影响基坑变形的主要因素，并将起作为在变形控制的重要内容，编制了有限元模拟程序，取得了一定成果。Katsuhibo Arai（1993）用有限元方法研究了重力式挡墙的主动土压力，得出主动区侧压力的分布与挡墙的尺寸和重量密切相关的结论。应宏伟等（1998）对基坑开挖过程中土压力的变化规律进行研究，指出：随开挖深度的增加，挡土结构后的土压力逐渐减小，但在支撑范围内出现较明显的土拱作用；最终开挖面附近被动区土压力逐渐减

41、小，开挖面下较深处则逐渐增大。俞建霖等（1999）利用三维空间有限元研究了基坑开挖过程，发现围护结构的水平位移和土压力分布具有明显的空间效应，基坑边角处围护结构的水平位移和被动土压力较小，随后逐步增大，至基坑中部达到最大值。而主动土压力的变化规律则相反。随着基坑长宽比的增大，基坑中剖面的主动土压力不断减小，被动土压力不断增大并逐渐趋于平面有限元计算结果。邢肖鹏（2002）利用逐级增加单元的有限元方法，模拟重力式挡墙的施工过程，发现挡墙主动土压力分布为凸曲线，合力作用点距墙底 0.360.40 倍墙高；位移大小和模式对土压力分布和总土压力有很大影响，上移式最大，平移式最小。但在上述数值计算分析中

42、由于计算荷载确定往往带有主观随意性，加之由室内试验所得的定量描述岩土体材料受力变形性态的参数也常与工程实际情况不符，这些计算理论的价值显得很有限，促使人们转为研究根据现场量测信息反演确定有关不确定参数的理论和方法即反分析法，使己经建立的计算理论更好地在工程实践中应用。 “反分析方法”为岩土体力学参数的确定提供了一个实用的方法，它自提出以来得到迅猛的发展。在基坑工程反分析领域内，根据现场量测到的不同信息，反分析可以分为应力反分析法、位移反分析法和应力（荷载）与位移混合反分析法。又由于位移信息较易获取，且精度较可靠，因此，位移反分析法应用最为广泛。位移反分析法可分为解析法和数值法。解析法概念明确

43、计算速度快，但只适宜求解简单几何形状和边界条件下的线弹性和线粘弹性等问题。数值法则主要解决复杂岩土工程中的非线性问题。数值法就其求解过程的不同可分为逆解法、直接法和正反耦合法；就其是否考虑力学参数的非确定性可分为确定性反分析法与非确定性反分析法；根据是否利用神经网络等智能方法可分为非智能反分析法与智能反分析法。1、逆解法、直接法和正反耦合法逆解法是依据矩阵求逆原理建立的反演分析计算法。它是直接利用量测位移由正分析方程反推得到逆方程，从而得到待定参数（力学参数和初始地应力分布等）。简单地说，逆解法即是正分析的逆过程。此法基于各点位移与弹性模量成反比、与荷载成正比的基本假设，仅适用于线弹性等比较

44、简单的问题。其优点是计算速度快，占用计算机内存少，可一次解出所有的待定参数。在逆解法的研究和应用方面，日本学者Sakurai，提出了反算隧洞围岩地应力及岩体弹性模量的逆解法，该方法基于有限元分析的逆过程，只进行逆分析一次便可得到参数的最佳估计，因此在实际工程中得到了广泛应用。然而，这种方法对于不确定系统还有待进一步研究。随着地质工程的发展，结构设计正由传统的确定性方法转向概率方法，相应地其分析手段也转变为概率手段。因此在分析时，需事先知道岩土介质特性参数的概率分布及其数字特征，如均值、方差及高阶矩。对于这一本身只有随机不确定特性的系统，进行其特性参数的不确定性反分析研究具有更重要的理论价值。孙

45、均等采用Sakurai的逆反分析思路，推导了随机有限元的逆过程，提出了基于量测位移的随机逆反分析方法，并基于特征函数法得到了函数的方差和高阶矩。然而，目前的随机逆反分析研究还只能就弹性有限元来进行，深入到弹塑性、粘弹塑性等复杂非线性计算模型的随机逆反分析则有待进一步研究。直接法又称直接逼近法，也可称为优化反演法。这种方法是把参数反演问题转化为一个目标函数的寻优问题，直接利用正分析的过程和格式，通过迭代最小误差函数，逐次修正不确定参数的试算值，直至获得“最佳值”。其中优化迭代过程常用的方法有：单纯形法、复合形法、变量替换法、共扼梯度法、罚函数法、Powell法等。Gioda等总结了适用于岩土工程

46、反分析的四种优化法，即单纯形法、Rosenbrok法（一种改进的变量替换法）、拟梯度法和Pwoell法。这些方法各有其优点和不足。总的来说，这类方法的特点是可用于线性及各类非线性问题的反分析，具有很宽的适用范围。其缺点是通常需给出待定参数的试探值或分布区间等；计算工作量大，解的稳定性差，特别是待定参数的数目较多时，费时、费工，收敛速度缓慢。由于优化反演法具有广泛的适用性，因此，自20世纪70年代以来，国内外学者在这方面做了大量工作，并在工程实践中得到了广泛应用。1980年，Gioda等采用单纯形等优化求解岩体的弹性及弹塑性力学参数，并讨论了不同优化方法在岩土工程反分析中的适用性；1883年Aa

47、ri采用二次梯度法求解弹性模量和泊松比的方法；王银芝等采用增量反分析与复合形相结合的方法，反演地应力、弹性模量及粘弹塑性参数，减少了优化中的设计变量，同时也提高了计算精度；为了解决多介质弹性模量反分析中目标函数的多极值性、收敛结果与初值相关等问题；邓健辉等利用线弹性问题的尺度特性，通过递归技术将多变量优化问题转变为一系列的单变量优化问题，并使收敛结果与初值无关；李素华等采用四种最优化方法对地下工程围岩的岩体力学参数和初始地应力进行了优化位移反分析研究，为解决弹性、横观各向同性及弹塑性等多种岩体互层的复杂围岩优化位移反分析编制了平面问题有限元程序；薛琳等采用单纯形等优化方法讨论了符合马克斯威尔体等三种流变模型的岩体的位移反分析方法，得出了圆形洞室条件下流变岩体变形与时间的关系，为利用所测得的与时间有关的径向开挖位移进行地应力场和岩体参数的反分析提供了一条可能的途径；杨志法等从边坡实测位移出发，充分利用室外已量测获得参数和实验资料，使位移反分析参数减少到最低限度，既简化了反分析过程，又避免了可能出现的唯一性和收敛性问题；陈胜宏等以弹粘塑性势理论和有限元法为基础，利用复合形算法建立了力学参数的联合位移反分析模型，并在此基础上实现了船闸高边坡稳定性及变位的实时预报