基于目标函数法的狭长型深基坑降水优化理论研究

作     者：李曾悦 

作者单位：西安科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郅彬;戚明军

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：狭长型基坑 降水单元 “大井法” 目标函数法 

摘      要：为保证基坑工程的顺利进行,基坑降水起到了至关重要的作用。降低基坑处的地下水位,可保证基坑施工面处于干燥状态,有利于基坑的安全开挖,因此降水方案的合理性很大程度上决定了基坑工程的经济与安全。然而针对狭长型基坑的降水设计,目前缺少一套相对精确的计算方法。在传统计算方法中,对相关参数过于简化,无法针对地下水进行合理的定量分析,可能导致降水过少而无法达到降水要求或降水过多对周围环境产生不利影响,且传统计算方法仅适用于一次性降水的基坑,不符合狭长型基坑向前推进逐步降水施工的实际情况。针对上述问题,本文依托实际工程,采用理论计算、有限元软件模拟以及现场监测相结合的研究方法,对狭长型地铁车站深基坑的降水设计进行研究,本文主要研究内容及成果如下:(1)针对狭长型基坑向前推进降水的施工特点,提出了基于降水单元的“大井法降水理论。将狭长基坑划分为若干矩形降水单元,考虑各单元在降水时的相互影响,按照降水单元施工顺序,逐个计算各单元总涌水量。以工程实例为依托,提出初步降水方案,该方案在理论上可保证地下水位达到降深要求。(2)针对上述初步降水方案做进一步优化。基于“目标函数法理论,将基坑总涌水量最小化作为目标,将各单井涌水量作为设计变量,将单井涌水量极限值以及控制点处水位降深作为约束条件,建立数学模型。通过Python软件编写程序对模型进行求解,对上述初步降水方案进行优化,确定最终降水优化方案。结果表明:相比初步降水方案,优化后的总降水井数减少4 口,基坑总涌水量减少3815.509m3/d,最终降水优化方案有效减小了降水井数及涌水量,使降水方案更加经济安全。(3)采用有限元分析软件MIDAS GTS NX对优化方案进行数值模拟,对基坑周围地下水渗流变化及基坑关键位置的水头变化进行分析。研究表明:降水结束后,基坑底部节点水位稳定于-12.4m～-14.0m,可达到要求水位-12.2m以下。此外,各单元所需降水深度随基坑开挖方向依次递减,验证了基于降水单元的“大井法降水理论的可靠性。(4)通过现场监测,分析了该基坑地下水位的变化规律,并与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:降水施工结束后,基坑底部地下水位介于-12.6m～-14.5m,可达拟方法预测基坑降水效果的有效性,并验证了基于“目标函数法基坑降水优化理论的可靠性,可为今后基坑降水优化设计提供借鉴作用。