巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及加固研究

何 軍，郭雄斌

(中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)以及城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市空間開始變得日益緊張，大部分城市地下空間的開發(fā)和利用可以有效緩解城市住房以及交通擁擠[1-2]。尤其是地下室以及地下停車場等大量的出現(xiàn)，各種深基工程由此形成。深基坑工程是一項(xiàng)十分復(fù)雜且重要的工程，它的穩(wěn)定性不僅和自身的安全存在關(guān)聯(lián)，同時還會對周邊的建筑物產(chǎn)生影響，所以準(zhǔn)確預(yù)測巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)具有十分重要的意義。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對此做了大量的研究，并取得了較好的成果?，F(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)成本高、操作復(fù)雜、荷載和邊界條件難以模擬，數(shù)值模擬具有成本低、操作簡單、應(yīng)用范圍廣、靈活性強(qiáng)、能模擬復(fù)雜環(huán)境等特點(diǎn)。國外對超深基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究與分析。龍江特大橋的基坑最大開挖深度已達(dá)極限，基坑區(qū)的第三系玄武巖具有較弱的工程特性，以基巖為主要的裂隙水，有許多特殊的因素會影響基坑的穩(wěn)定。基坑邊坡穩(wěn)定性分析[3-4]是基坑工程順利進(jìn)行的重要依據(jù)，想要準(zhǔn)確掌握以及反映基坑邊坡穩(wěn)定性，需要優(yōu)先對基坑工程地質(zhì)條件以及對應(yīng)的土體參數(shù)進(jìn)行分析，同時獲取眾多因素中影響基坑穩(wěn)定性的主要因素，并且采用相關(guān)方法進(jìn)行分析，最終獲取建筑物發(fā)生沉降的主要原因。

為了更好地實(shí)現(xiàn)坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和加固方面的研究，提出一種巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及加固方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明，所提方法可以更好完成滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，同時制定理想的加固方案。

1 方法

1.1 巖土工程中基坑邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析中的有限元折減系數(shù)法，在非線性有限元法的基礎(chǔ)上，討論了邊坡破壞的判別條件、安全系數(shù)的取值以及樁土共同作用時的數(shù)值模擬方法。有限元計(jì)算中非線性有限元、有限元模型的建立，采用的單元類型和勁度矩陣。分析了土質(zhì)邊坡的特點(diǎn)及影響邊坡穩(wěn)定的因素，介紹了幾種常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性分析方法。闡述了邊坡有限元折減系數(shù)法的原理、計(jì)算公式，明確給出了判別邊坡失穩(wěn)的破壞條件，即以等效塑性應(yīng)變區(qū)貫通表示邊坡失穩(wěn)。并通過與常規(guī)剛體極限平衡法的對比，驗(yàn)證了有限元折減系數(shù)法的正確性。簡述了抗滑樁的受力分析方法，通過基于豎向彈性地基梁的基本原理，應(yīng)用有限元分析軟件對支擋抗滑樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，抗滑樁用平面梁單元模擬，土體抗力用一組可考慮單向受力狀態(tài)的彈簧單元模擬。研究了有限元折減系數(shù)法在邊坡加固系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，給出了此時安全系數(shù)的定義、塑性區(qū)的分布情況以及抗滑樁上作用力的模擬實(shí)現(xiàn)。

巖土工程屬于一項(xiàng)綜合系統(tǒng)工程[5-6]，不僅具有一般建筑物的特點(diǎn)，同時還具有大量的自身特性：①巖土工程中基坑朝著更廣以及更深的方面發(fā)展，施工技術(shù)難度也開始朝著更難的方向發(fā)展；②巖土工程中基坑具有比較強(qiáng)的區(qū)域性以及實(shí)踐性；③巖土工程中基坑具有比較強(qiáng)的綜合性。

結(jié)合相關(guān)規(guī)定，獲取基坑安全等級分類結(jié)果[7-8]：①一級。重要性系數(shù)為1.10，會對周邊環(huán)境以及本土工程施工產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響。②二級。重要性系數(shù)為1.00，對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響比較小，對本土工程施工影響很嚴(yán)重。③三級。重要性系數(shù)為0.90，對本土工程施工影響不是很嚴(yán)重。

根據(jù)基坑安全等級分類結(jié)果[9-10]，在對基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要全面考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞會對巖土工程施工以及周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響。同時，還需要通過工程的具體需求，設(shè)計(jì)對應(yīng)的預(yù)測方案。

巖土工程中基坑邊坡工程如圖1所示。

圖1 巖土工程中基坑邊坡工程Fig.1 Foundation pit slope engineering in geotechnical engineering

以下對巖土施工過程中導(dǎo)致基坑發(fā)生失穩(wěn)的主要原因進(jìn)行分析，在進(jìn)行深基坑施工過程中，如果開挖的深度不是十分大，而且還沒有設(shè)置支撐，此時剛性和柔性墻體是相同的，主要呈現(xiàn)三角形分布。

在巖土工程中，基坑變形主要包含以下形式[11-12]：①基坑底部隆起。當(dāng)土體的開挖深度不斷增加，位于水平方向的基坑底部是一個卸載過程，但是在卸載過程中會破壞基坑的原始壓力，從而導(dǎo)致底部凸起。②支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。由于在基坑開挖過程中，受到多種不同影響因素的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會因?yàn)槭艿酵獠繅毫Πl(fā)生變形。而且隨著開挖和卸載過程，支護(hù)結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯的變形。③基坑周邊地層移動。在巖土過程施工過程中，不同影響因素會對基坑邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響。通過上述分析，重點(diǎn)從基坑土體黏聚力以及內(nèi)摩擦角等不同因素作為研究對象，對全部因素進(jìn)行敏感性分析。同時將5個不同的因素進(jìn)行劃分，獲取主要因素以及次要因素。

1.2 巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和加固

由于BP網(wǎng)絡(luò)具有很多優(yōu)點(diǎn)[13-14]，被廣泛應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域中，可以有效解決對權(quán)值修改困難的問題，同時使其具有更高的精度。通過圖1中不同層之間的權(quán)值實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，同時在訓(xùn)練過程中輸入實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)，經(jīng)過訓(xùn)練后通過輸入以及輸出對組成。

輸出值f誤差可以表示為式(1)的形式[15-16]：

(1)

式中，fi，fj分別為第i個和第j個節(jié)點(diǎn)的輸出。

經(jīng)過修正后的連接權(quán)值可以表示為式(2)的形式：

kjn(x+1)=kjn(x)+Δkjn

(2)

式中，kjn(x+1)和kjn(x)分別代表第x+1個和第x個節(jié)點(diǎn)經(jīng)過修正后的連接權(quán)值。

為了確保連接權(quán)值可以沿著梯度方向進(jìn)行變化，同時確保算法具有比較好的收斂性能，可以獲取以下形式的計(jì)算式：

(3)

式中，β為增益因子。

將軟件編程作為主要條件[17-18]，對應(yīng)程序的主要實(shí)現(xiàn)步驟如下所示：①對網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值進(jìn)行初始化處理；②計(jì)算各層單元的輸入以及輸出向量；③通過誤差計(jì)算結(jié)果獲取前一層的誤差，直至到達(dá)輸入層；④對權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正，同時重復(fù)步驟②至步驟④，直至誤差達(dá)到可允許范圍。

操作流程如圖2所示。

圖2 操作流程Fig.2 Operation flow chart

在隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量并不會對最終的預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生影響，所以不需要設(shè)定具體的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。小波網(wǎng)絡(luò)有2種不同的結(jié)構(gòu)形式：輔助式結(jié)合和嵌套式結(jié)合。以下主要使用前者，同時將小波變換作為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的前處理階段。在采用小波進(jìn)行降噪的過程中，主要使用Daubechies進(jìn)行基坑沉降信號監(jiān)測。將經(jīng)過重構(gòu)后的信號作為預(yù)測的訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)。考慮到小波基的連續(xù)差異性，需要將網(wǎng)絡(luò)劃分為以下2種形式。

(1)含有連續(xù)參數(shù)的小波對應(yīng)的輸出sk可以表示為式(4)的形式：

(4)

式中，βjk為小波函數(shù)；αij為連續(xù)參數(shù)； (x，y)為輸出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

(2)基于小波框架需要通過相關(guān)特定確定對應(yīng)的尺度以及平移因子，同時實(shí)施調(diào)整小波系數(shù)，使信號達(dá)到最佳逼近狀態(tài)。根據(jù)小波網(wǎng)絡(luò)的基本原理，可以采用小波基對輸入信號進(jìn)行逼近，具體如公式(5)所示：

(5)

式中，S(x，y)為最終獲取的輸入信號逼近結(jié)果；βij為小波函數(shù)；ai和b分別為不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化結(jié)果。

經(jīng)過上述分析，依據(jù)構(gòu)建巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型，通過模型對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測[19-20]：根據(jù)獲取的巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果制定對應(yīng)的加固方案，同時在傳統(tǒng)加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在下邊坡部分進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所提巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及加固方法的有效性，需要對巖土施工過程進(jìn)行模擬分析，將整個施工過程劃分為6個不同的實(shí)施階段：①施工階段1。構(gòu)建土層，組成初始地應(yīng)力，同時對基礎(chǔ)樁進(jìn)行激活處理，將位移相關(guān)信息刪除。②施工階段2。采用混凝土進(jìn)行防護(hù)樁以及冠梁的制作。③施工階段3。將基坑挖至-1 m，同時對其進(jìn)行噴混凝土支護(hù)。④施工階段4。將基坑挖至-3 m，同時對其進(jìn)行噴混凝土支護(hù)。⑤施工階段5。將基坑挖至-6 m，同時對其進(jìn)行噴混凝土支護(hù)。⑥施工階段6。將基坑挖至-9 m，同時對其進(jìn)行噴混凝土支護(hù)。

分析不同情況下巖土工程中基坑的水平位移變化情況，巖土工程基坑水平位移分析如圖3所示。

圖3 巖土工程基坑水平位移分析Fig.3 Analysis of horizontal displacement of foundation pit in geotechnical engineering

分析圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基坑在巖土產(chǎn)生濕陷時位移會發(fā)生比較大的變化，而且位移變化大部分集中在防護(hù)結(jié)構(gòu)的上部，說明發(fā)生滑坡風(fēng)險(xiǎn)的概率也就比較大。同時還能夠看出，防護(hù)結(jié)構(gòu)在巖土濕陷的情況下可以確?；幼陨淼姆€(wěn)定性，最終達(dá)到防護(hù)的目的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，以下對巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行測試分析，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖4所示。分析圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提方法可以準(zhǔn)確對水平位移以及地表沉降進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而獲取滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級。主要是因?yàn)樗岱椒ㄔ谶M(jìn)行預(yù)測前期，對基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要因素進(jìn)行分析，同時在后續(xù)加固過程中也有效避免了這些因素對基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，所以可以準(zhǔn)確對巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，同時根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定可靠性更高的加固方案。

圖4 巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果分析Fig.4 Analysis of risk prediction results of foundation pit slope landslide in geotechnical engineering

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)方法存在的一系列問題，設(shè)計(jì)并提出一種巖土工程中基坑邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及加固方法。經(jīng)過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，所提方法可以準(zhǔn)確對滑坡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，同時制定穩(wěn)定性更強(qiáng)的加固方案，為后續(xù)巖土工程施工提供一定的數(shù)據(jù)支撐。