内撑式排桩支护结构的设计优化研究

论文摘要

基坑支护与开挖是土木工程中经常遇到的传统课题。它是一项技术复杂、带有经验性和风险性的工程。随着基坑支护研究的深入和基坑支护设计实践中对常出现过于冒进或过于保守的现象,支护结构的优化设计成为广大专业技术人员关注和探讨的课题。为探讨上述课题的内在作用机制,本文结合作者所在单位2004年以来对内撑式排桩支护结构的设计优化分析研究,着重进行以下几方面的工作:首先回顾与分析了基坑支护设计优化历程,概括了基坑支护优化原理与优化途径（层次）,目标函数的选择与优化模型的建立以及优化设计方法等三方面的研究方向与进展。其次在分析内撑式排桩支护结构受力与变形特征及设计优化空间的基础上,基于满应力优化准则,完成了设计变量X和目标函数f（X）的选择,建立了支护桩-内支撑（节点）部位的设计优化数学模型。接着运用数学力学的方法分析推导了等效抗压容许应力σc和等效抗弯容许应力σm的各种取值方法和相应的计算公式,完成了三种等效σc、σm的取值方法的比较与讨论。然后简要分析与讨论了支护桩-内支撑（节点）部位腰梁（围檩）的复杂应力状态及其对节点内力与变位的影响。最后给出了软土区该类支护结构设计优化的实例,验证了本文所提方法的准确性与有效性。本文首次提出了内撑式排桩支护结构中关于支护桩-内支撑（节点）部位的设计优化数学模型及等效抗压容许应力σc和等效抗弯容许应力σm的概念,指明了等效抗压容许应力σc、等效抗弯容许应力σm的本质和分别代表的物理意义。本文基于满应力优化准则所提出的支护桩-内支撑（节点）部位设计优化模型,属局部优化解,力学概念清晰,简洁实用,可供同类基坑设计优化时借鉴。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 基坑支护优化研究现状与进展
• 1.2.1 基坑支护优化原理与优化途径（层次）
• 1.2.2 基坑支护目标函数与设计优化模型
• 1.2.3 基坑支护优化设计方法
• 1.3 课题研究意义和实际应用价值
• 1.4 本文完成的主要工作
• 2 基坑支护的主要类型与优化空间
• 2.1 基坑支护的主要类型与特点
• 2.2 目前支护设计方法的局限性和设计优化空间
• 2.3 基坑支护优化设计的技术经济意义
• 3 基坑支护结构设计优化方法
• 3.1 基坑支护结构设计优化通用模式
• 3.2 常用的设计优化方法
• 3.2.1 结构优化准则法
• 3.2.2 无约束最优化方法（单纯形法）
• 3.2.3 线性数学规划法（改进单纯形法）
• 3.2.4 非线性数学规划法
• 3.3 支护结构优化方法评价
• 4 内撑式排桩支护结构的设计优化分析
• 4.1 内撑式排桩支护结构及其受力变形特点
• 4.1.1 内撑式排桩支护结构定义
• 4.1.2 内撑式排桩支护结构的受力变形特点
• 4.2 内撑式排桩支护结构的应用范围
• 4.3 课题优化假设与前提条件
• 4.4 设计变量X的选择与目标函数的建立
• 4.4.1 设计变量X的选择
• 4.4.2 目标函数的定义与特点
• 4.4.3 约束条件的分析
• 4.4.4 内撑式排桩支护结构目标函数的建立
• 4.5 支护桩-内支撑（节点）部位设计优化
• c、等效横向抗弯容许应力σ_m的物理意义'>4.6 等效轴向抗压容许应力σ_c、等效横向抗弯容许应力σ_m的物理意义
• c、等效横向抗弯容许应力σ_m的取值方法'>4.7 等效轴向抗压容许应力σ_c、等效横向抗弯容许应力σ_m的取值方法
• 4.7.1 内支撑的受力变形特征和破坏形态
• 4.7.2 支护桩的受力变形特征和破坏形态
• 4.7.3 取值方法Ⅰ
• 4.7.4 取值方法Ⅱ
• 4.7.5 取值方法Ⅲ
• 4.7.6 三种取值方法的比较与讨论
• 4.8 支护桩-内支撑（节点）部位中腰梁（围檩）的作用与影响
• 5 工程应用实例
• 5.1 工程概况与场地条件
• 5.2 基坑工程特点
• 5.3 基坑支护方案分析与内支撑平面优化设计
• 5.3.1 内支撑平面优化设计
• 5.3.2 支护桩-内支撑（节点）部位设计优化分析
• 5.4 变形监测与验证
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献