随着我国城市建设的发展，城市地下空间的开发利用与日俱增，基坑规模不断扩大，对深基坑开挖与支护提出了更高、更严格的要求。深基坑工程成为我国建筑工程的热点和难点问题之一，也是提高工程质量减少事故的重点。然而，基坑工程是一项复杂而又具有很强的系统性和不确定性的岩土工程难题，极具挑战性和风险性。因此，加强基坑支护优化设计及数值模拟研究、提高基坑工程实践指导的科学性是解决这个难点和重点的关键。　　 本文结合实际工程安阳市某工程基坑支护进行优化设计和数值模拟。依据本工程背景和工程地质与水文地质条件，本着安全可靠、经济合理的原则，选用深基坑工程中被广泛应用的土钉及土钉加单支点桩锚支护方案。优化设计的具体工作如下：　　 1)在土钉支护结构优化设计中，筛选出对土钉支护体系优化结果影响较大的参数作为设计变量，包括土钉孔径D、土钉长度L、钢筋直径d、土钉水平间距sh和垂直间距sv，归纳总结了其主要约束条件，建立了以综合造价为优化目标的最终优化目标函数，进而确定优化设计的数学模型。以1m3的水泥砂浆价格为1，钢筋与水泥砂浆的价格比为80∶1，将运算步骤编写成MATLAB程序，搜索到符合约束条件并使目标函数最小的一组值，即为本工程土钉支护结构的优化设计结果。　　 2)在桩的内力计算中，分别采用两种实用的计算模式——简支梁法和等值梁法对支护桩进行设计，通过桩的嵌固深度及弯矩等的分析，优选出一种适合本工程的计算方法——等值梁法对支护桩进行优化设计。　　 3)在桩锚支护结构优化设计中，筛选出对桩锚支护体系优化结果影响较大的设计变量，包括桩的配筋面积As、桩径d、桩间距及锚杆间距S、锚杆钻孔直径D，归纳总结了其主要约束条件，同样建立了以综合造价为优化目标的最终优化目标函数，进而确定优化设计的数学模型。以1m3的水泥浆价格为1，钢筋与水泥浆的价格比为80∶1，混凝土与水泥浆的价格比为1∶1，采用Matlab编制程序，搜索到符合约束条件并使目标函数最小的一组值，即为本工程桩锚支护的优化设计结果。　　 4)用等值梁法进行桩的设计计算时，不能计算桩的水平位移，这样就需要用“m”法对优化设计的成果再进行桩顶水平位移的计算，通过计算确定优化设计成果可用。　　 5)根据优化结果进行整体设计，并通过稳定性验算证明了设计的合理性。　　 数值模拟是岩土工程界进行工程设计计算和科学研究最为常用的方法之一。目前在岩土力学中常用的数值计算方法有有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)等，特别是有限元法，随着计算机的发展其应用尤为广泛。但是，有限元法往往囿于小变形的假定，虽然也可以用来解决由介质所组成的非均质的问题，但是用以解决大变形的岩土力学问题，往往所得的结果与实际的结果相差甚远。拉格朗日元法能够较好地模拟岩土材料在达到屈服或强度极限时发生的破坏、塑性流动、软化直至大变形，尤其适用于渐变及失稳破坏分析、大变形及施工过程的模拟。　　 本文所选基坑较大，若采用三维模拟，则结构单元过多，计算过于缓慢，因此选择一个典型剖面，利用FLAC对原设计和优化设计分别进行了数值模拟，具体工作如下：　　 1)建立模型网格尺寸，在宽度方向上，取基坑宽度的5倍，深度方向取基坑深度的5倍。　　 2)以索(cable)结构单元模拟土钉及锚杆结构，用桩(pile)结构单元模拟支护桩结构，对原设计和优化设计分别进行5步开挖模拟。　　 3)对基坑原设计和优化设计开挖和支护过程分别进行模拟，模拟过程中材料参数取值相同。　　 通过开展以上主要工作，得出如下结论：　　 1)对安阳市某基坑工程土钉和土钉加桩锚支护结构的优化设计都较原方案节约造价20％以上。　　 2)基坑侧壁土体最大水平位移发生在坡顶处，普通土钉墙和桩锚支护形式下，基坑坡脚处均出现了剪应力集中现象，这说明基坑坡脚处的土体处于塑性屈服状态，容易发生破坏。　　 3)对比分析原设计与优化设计方案，西侧土钉优化设计方案与原设计方案产生的水平位移非常接近，而东侧桩锚支护优化设计方案较原设计方案产生的水平位移小，其原因在于锚杆的位置设置不同，可见，锚杆的位置对基坑工程的变形和设计有很大的影响　　 4)随着基坑开挖的深度不断增加，土钉轴力也逐步调动出来并呈不断增大的趋势。　　 锚点位置不同，基坑产生的变形各异，从而突显优化设计的优越性，同时说明用FLAC软件去进行基坑的数值分析是可行的，对同类工程基坑支护设计和施工具有指导意义。　　 5)FLAC数值模拟分析表明：优化设计成果与原保守设计成果相比，基坑的稳定性非常接近，甚至更加稳定，优化设计具有很强的优越性。　　 6)桩受到剪力随着开挖深度的增加而逐渐增加，在达到该次开挖的深度附近时，桩的受力达到最大，而后又逐渐减小。同时，随着开挖深度的增加桩身承受的压力最大值也越来越大，而且最大值点也随着开挖深度的增加而下移。　　 7)桩身弯矩也随开挖支护的进行不断变化，桩身弯矩在深度方向有正有负，弯矩突变于锚杆位置附近，这是锚杆所起到的作用，使桩的弯矩产生突变。　　 通过寻找目标函数最小的优化理论，寻找到基坑工程设计的最优组合，运用FLAC数值模拟验证其合理性，从而凸显优化设计的优越性。