基于復(fù)雜環(huán)境的深基坑設(shè)計(jì)與變形監(jiān)測(cè)分析

黃世政

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

受周邊環(huán)境條件限制，市政基坑建設(shè)的工程重要性越來越高，因此，開展基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及變形監(jiān)測(cè)分析就顯得格外重要[1-2]。目前，江煥釗等[3]開展了超大環(huán)形基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)；梁志榮等[4]研究了承壓水條件下的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法；曹程明等[5]分析了基坑支護(hù)后的沉降變形規(guī)律；李煜峰等[6]探討了支護(hù)措施對(duì)軟土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定影響。上述研究的成果為工程實(shí)際積累了經(jīng)驗(yàn)，但限于基坑所處環(huán)境條件的差異性，仍可結(jié)合具體工程實(shí)際開展相應(yīng)研究，因此，該文以復(fù)雜環(huán)境條件下的基坑為實(shí)例背景，先開展其支護(hù)方案設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合變形監(jiān)測(cè)成果，通過變形預(yù)測(cè)來評(píng)價(jià)其支護(hù)效果，以期為現(xiàn)場(chǎng)施工積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程基本信息

擬建基坑為商業(yè)建筑基坑，其平面近似呈“正方形”特征，但其東北側(cè)缺失，如圖1所示?；訖M、縱長(zhǎng)度相當(dāng)，長(zhǎng)度近似約210m，因此，該基坑用地面積約36000m2。

圖1 基坑平面形態(tài)特征

在該建筑設(shè)計(jì)過程中，擬建上部建筑層數(shù)為26層，其下地下室設(shè)計(jì)3層，基坑開挖深度約12.6m，開挖方量約45.36×104m3，具超大深基坑特征。

在基坑周邊近接環(huán)境中，近接剖面特征如圖2所示，基坑北側(cè)局部近接既有道路，其寬度為26.5m，已運(yùn)行2～3年。東北側(cè)近接既有道路及既有建筑，其中，道路特征與北側(cè)道路一致；建筑已建設(shè)8年，為居民住宅樓，上部層數(shù)為7層，未設(shè)地下室，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)14.7m～17.5m。南側(cè)近接既有建筑和既有道路，其中，既有建筑與基坑更為相近，其上部層數(shù)為3層，未設(shè)地下室，采用天然獨(dú)立基礎(chǔ)；既有道路特征也與北側(cè)道路特征一致。西側(cè)近接既有建筑，其性質(zhì)也是居民樓，上部層數(shù)為12層，下部未設(shè)地下室，基礎(chǔ)也為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)15.2m～18.4m。

圖2 基坑近接剖面特征

總體來說，該基坑周邊既有建筑較為復(fù)雜，開展其支護(hù)設(shè)計(jì)及變形監(jiān)測(cè)分析就顯得格外重要，側(cè)面驗(yàn)證了該文研究思路的必要性。

1.2 工程地質(zhì)條件

結(jié)合基坑勘察成果，基坑區(qū)為沖積平原地貌，地面高程范圍為127.62～130.03m，高差約2.41m，整體較為平坦，為后續(xù)基坑開挖施工提供了良好作業(yè)條件。

工程區(qū)附近未見大型地質(zhì)構(gòu)造，但地質(zhì)條件相對(duì)較差，地層類型由上至下主要為填土層、粉質(zhì)黏土層、砂層、卵石層。根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，未見明顯地表水體，主要是在雨季于洼地形成。地下水多為上層滯水、潛水，其中，上層滯水未見統(tǒng)一水面，主要接受大氣降雨補(bǔ)給；潛水具統(tǒng)一水面，且水面相較穩(wěn)定。

基坑區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)也較為不利，尤其粉質(zhì)黏土層是基坑開挖范圍內(nèi)的主要地層，充分說明開展基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的重要性。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 基坑安全等級(jí)

結(jié)合基坑設(shè)計(jì)特征及近接環(huán)境，其施工過程一旦失穩(wěn)，將會(huì)造成很嚴(yán)重的后果，所以基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

考慮到基坑周邊近接建筑物較為復(fù)雜，其對(duì)變形敏感性較高，因此，基坑支護(hù)形式設(shè)計(jì)采用“雙排樁+兩道錨索”。①雙排支護(hù)樁：前排樁直徑為1.2m，橫向間距為2m；后排樁直徑為0.8m，橫向間距設(shè)計(jì)為2.5m。兩排樁中心距設(shè)計(jì)為2.8m，其設(shè)計(jì)嵌巖深度大于1.5m，樁長(zhǎng)22.5～26.5m，且為保證樁身完整性，在樁頂施做1.0m×0.8m的鋼筋混凝土冠梁，梁身混凝土等級(jí)為C30。②兩道錨索：第一道錨索位于樁頂冠梁處，第二道錨索是在其下3.0m處，且錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為25m，直徑為140mm，入射角度為13.5°。

2.3 支護(hù)計(jì)算分析

為保證基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計(jì)算，且結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算內(nèi)容包括內(nèi)力計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算和抗隆起計(jì)算。

2.3.1 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

在支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算過程中，重點(diǎn)是計(jì)算樁彎矩M及剪力Q，其與配筋間的關(guān)系如公式（1）、公式（2）所示。

式中：a、at為面積比特征參數(shù)；A為樁面積（mm2）；As為鋼筋面積（mm2）；fy為鋼筋設(shè)計(jì)值（N/mm2）；fc樁身混凝土強(qiáng)度（N/mm2）；rs鋼筋半徑（mm）；r樁半徑（mm）。

其后，再采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算樁身內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果如下：坑內(nèi)最大彎矩為374.92kN·m，坑外最大彎矩為358.66kN·m，最大剪力為214.05kN。

通過前述內(nèi)力及配筋計(jì)算，單樁設(shè)計(jì)縱向鋼筋為28根鋼筋，直徑為25mm，鋼筋等級(jí)為HRB400級(jí)，并以此配筋計(jì)算坑內(nèi)、外的彎矩設(shè)計(jì)值為457.92kN·m，滿足要求；樁采用螺旋箍，直徑設(shè)計(jì)為14mm，鋼筋等級(jí)為HRB300級(jí)，并以其配筋計(jì)算得到剪力設(shè)計(jì)值為264.75kN，滿足要求。

2.3.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果中，為充分評(píng)價(jià)隨施工階段的穩(wěn)定性變化特征，因此，結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工流程，將施工工況劃分為3個(gè)工況：工況1，當(dāng)施做完第一道錨索后；工況2，當(dāng)施做完第二道錨索后；工況3，當(dāng)施工至坑定后。

一般來說，基坑穩(wěn)定性計(jì)算方法為圓弧滑動(dòng)條分法，計(jì)算如公式（3）所示。

式中：Ks為穩(wěn)定系數(shù)；Ma為滑動(dòng)力矩；Mp為抗滑力矩通過計(jì)算，得到3個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果如下。

工況1：Ks1=17283.28/1276.91=13.54≥1.35，滿足規(guī)范要求。

工況2：Ks2=16829.11/1276.91=13.18≥1.35，滿足規(guī)范要求。

工況3：Ks3=13290.72/1276.91=10.41≥1.35，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，3個(gè)工況條件下的穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.35，因此，在此支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，不論何種工況條件，其對(duì)應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

2.3.3 抗隆起計(jì)算結(jié)果

為保證基坑支護(hù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的全面性，再進(jìn)一步對(duì)其抗隆起穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，如公式（4）所示。

式中：KL為抗隆起的穩(wěn)定系數(shù)；D為樁嵌入深度；r1、r2為坑外、內(nèi)土重度；Nq、Nc為地基系數(shù)；q為超載。

據(jù)抗隆起計(jì)算結(jié)果，其抗隆起的穩(wěn)定系數(shù)值為16.05，大于1.8（規(guī)范規(guī)定的），所以，在此支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，抗隆起滿足規(guī)范要求。

據(jù)內(nèi)力計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算和抗隆起計(jì)算，不論何方面計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，充分驗(yàn)證了基坑支護(hù)措施的合理性。

3 基坑變形監(jiān)測(cè)分析

3.1 構(gòu)建分析方法

受基坑施工影響，基坑變形具有顯著的非線性特征，且據(jù)廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（General Regression Neural Network，GRNN）具有極強(qiáng)的非線性預(yù)測(cè)能力，因此，可以其構(gòu)建基坑變形預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)GRNN原理，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比以往神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多了一層，主要包括輸入層、隱層、求和層和輸出層，并結(jié)合各文獻(xiàn)原理，將各層的基本性質(zhì)進(jìn)行闡述。

3.1.1 輸入層

此層是將基坑變形數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信息輸入至GRNN中。

3.1.2 隱層

此層與輸入層信息間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過激勵(lì)函數(shù)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，且結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將激勵(lì)函數(shù)類型確定為高斯函數(shù)，其計(jì)算如公式（5）所示。

式中：hi為此層輸出值；wi為訓(xùn)練向量；m為輸入信息；S為光滑參數(shù)。

3.1.3 求和層

此層維度比其后的輸出層多一個(gè)，且其訓(xùn)練過程主要靠求和變化參量Gj和求和參數(shù)A：如公式（6）、公式（7）所示。

式中：q為隱層數(shù)；kij為訓(xùn)練向量。

3.1.4 輸出層

此層主要功能是將最后的訓(xùn)練結(jié)果輸出，如公式（8）所示。

式中：zj為基坑變形預(yù)測(cè)結(jié)果。

綜上所述，利用GRNN實(shí)現(xiàn)基坑變形預(yù)測(cè)，且若其預(yù)測(cè)結(jié)果得出基坑后續(xù)變形趨于穩(wěn)定，那么就認(rèn)為基坑支護(hù)措施是合理有效的；反之，說明支護(hù)措施相對(duì)欠缺。

3.2 結(jié)果分析

為了保證基坑周邊既有建筑的穩(wěn)定性，其水平位移控制顯得格外重要，因此，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)周邊共計(jì)布設(shè)了12個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。按照一天一次的原則，得到31期后12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移累計(jì)值如下。

S1監(jiān)測(cè)點(diǎn)：17.64mm S2監(jiān)測(cè)點(diǎn)：21.66mm

S3監(jiān)測(cè)點(diǎn)：16.82mm S4監(jiān)測(cè)點(diǎn)：18.18mm

S5監(jiān)測(cè)點(diǎn)：15.22mm S6監(jiān)測(cè)點(diǎn)：14.82mm

S7監(jiān)測(cè)點(diǎn)：13.27mm S8監(jiān)測(cè)點(diǎn)：14.03mm

S9監(jiān)測(cè)點(diǎn)：15.38mm S10監(jiān)測(cè)點(diǎn)：16.36mm

S11監(jiān)測(cè)點(diǎn)：19.44mm S12監(jiān)測(cè)點(diǎn)：14.98mm

根據(jù)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移累計(jì)值，得出個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形值均在可控范圍內(nèi)，初步驗(yàn)證了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)其水平位移具有較好的控制作用。

為便于后續(xù)分析，提出以S2監(jiān)測(cè)點(diǎn)、S4監(jiān)測(cè)點(diǎn)和S11監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，進(jìn)行詳細(xì)變形預(yù)測(cè)分析。先統(tǒng)計(jì)得到此3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)見表1。

表1 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形雖隨時(shí)間具增加趨勢(shì)，但其增加速率相對(duì)較小。在后續(xù)變形預(yù)測(cè)過程中，以后5期數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集，且預(yù)測(cè)值以Y符號(hào)代替，并以相對(duì)誤差R為預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。根據(jù)表2，在3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果中，S2監(jiān)測(cè)點(diǎn)R值的均值為2.07%，S4監(jiān)測(cè)點(diǎn)R值的均值為2.01%和S11監(jiān)測(cè)點(diǎn)R值的均值為2.12%，3者的預(yù)測(cè)精度相當(dāng)，均具較優(yōu)的預(yù)測(cè)效果，充分驗(yàn)證了GRNN在基坑變形預(yù)測(cè)中的適用性。

表2 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果

由32—35期的預(yù)測(cè)結(jié)果可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移后續(xù)還會(huì)具小速率增加特征，充分驗(yàn)證了第2節(jié)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)措施能有效限制基坑水平位移，說明其措施是合理有效的。

4 結(jié)論

通過基于復(fù)雜環(huán)境的深基坑設(shè)計(jì)與變形監(jiān)測(cè)分析，主要得出如下2點(diǎn)結(jié)論：1）結(jié)合基坑設(shè)計(jì)特征及近接環(huán)境，其施工過程一旦失穩(wěn)，將會(huì)造成很嚴(yán)重的后果，因此，基坑支護(hù)形式設(shè)計(jì)采用“雙排樁+兩道錨索”，并經(jīng)內(nèi)力計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算和抗隆起計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。2）通過變形預(yù)測(cè)，得出GRNN在基坑變形預(yù)測(cè)中具有較優(yōu)的適用性，并由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移后續(xù)還會(huì)具小速率增加特征，充分驗(yàn)證了坑支護(hù)設(shè)計(jì)措施能有效限制基坑水平位移，說明其措施是合理有效的。