既有建筑復(fù)雜條件下基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)

摘要：為保障基坑在既有建筑復(fù)雜條件下安全施工，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)條件，先進(jìn)行基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)和支護(hù)措施計(jì)算，再結(jié)合基坑變形監(jiān)測(cè)成果，通過變形預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)基坑支護(hù)效果。分析結(jié)果表明，由于基坑周邊近接既有建筑較復(fù)雜，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)格外重要，并將支護(hù)方案設(shè)計(jì)為“支護(hù)樁+錨索”。在基坑變形監(jiān)測(cè)成果中，基坑變形值范圍為12.52mm～20.16mm，總體均＜35mm，說明現(xiàn)狀條件下的基坑變形仍在控制范圍內(nèi)。經(jīng)變形預(yù)測(cè)可知基坑變形雖然會(huì)增加，但增加速率較小，基坑變形趨于穩(wěn)定，驗(yàn)證了基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)的有效性，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：基坑；既有建筑；基坑支護(hù)；效果評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：P642""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，基坑工程數(shù)量越來越多，其周邊近接條件也越來越復(fù)雜，為確?；影踩┕ぃ涫┕み^程中的變形控制格外重要。要想實(shí)現(xiàn)基坑變形控制，進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是必要的[1-2]。目前，已有學(xué)者進(jìn)行了基坑支護(hù)的相關(guān)研究，如王園等[3]分析了填土條件下的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)；唐成偉[4]研究了復(fù)雜環(huán)境條件下的基坑支護(hù)措施；陳少琴[5]探究了基坑支護(hù)過程中的技術(shù)要點(diǎn)。上述研究成果值得肯定，但限于基坑所處環(huán)境條件的差異性，仍可結(jié)合基坑具體條件進(jìn)行相應(yīng)研究。

因此，此文以項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，先進(jìn)行基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)和支護(hù)措施計(jì)算，再結(jié)合基坑變形監(jiān)測(cè)成果，通過變形預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)基坑支護(hù)效果，以保障基坑安全施工，并為類似工程積累一定經(jīng)驗(yàn)。

1工程概況

擬建基坑隸屬某房屋高層建筑，地下設(shè)計(jì)2層，擬建面積約10042m2，地面建設(shè)為城市公園，地上設(shè)計(jì)18層。根據(jù)設(shè)計(jì)成果，擬建基坑平面形態(tài)近似多邊形特征（如圖1所示），開挖深度為12.5m，屬深基坑。

根據(jù)鉆探資料，基坑開挖范圍和影響范圍內(nèi)地層主要為雜填土、粗砂和強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖，其中，雜填土主要是由碎石、黏性土構(gòu)成，雜色，厚度為1.9m～3.4m；粗砂具褐黃色，中密、飽和狀態(tài)，級(jí)配相對(duì)較差，主要成分為石英，厚度為1.3m～4.3m；基巖巖性為砂巖，強(qiáng)～中風(fēng)化，棕灰色，稍濕，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化厚度為5.5m～7. 1m，其下均為中風(fēng)化，最大揭露厚度為13.5m。通過室內(nèi)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，得到各類地層基本特征參數(shù)，見表1。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，基坑周邊主要有5棟既有建筑，具體分布如圖1所示，其中既有建筑1為酒店，地下1層，地上10層，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，埋深約5m，最小凈距約8.4m；既有建筑2為營(yíng)業(yè)樓，無地下室，地上6層，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，埋深約2m，最小凈距約9.5m；既有建筑3為圖片社，無地下室，地上3層，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，埋深約2m，最小凈距約9.8m；既有建筑4為鞋城，無地下室，地上6層，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，埋深約2m，最小凈距約10.4m；既有建筑5為商鋪，無地下室，地上5層，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，埋深約2m，最小凈距約10.0m。因此，基坑周邊近接既有建筑較復(fù)雜，為確保既有建筑安全，對(duì)其進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)是十分必要的。

2基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120—2012），基坑設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，安全等級(jí)為一級(jí)，變形控制等級(jí)為一級(jí)，因此基坑結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)設(shè)計(jì)為1. 1，使用年限設(shè)計(jì)為2年，混凝土采用C30等級(jí)。

鑒于基坑周邊建、構(gòu)筑物較復(fù)雜，其施工過程中的變形控制要求較高，因此將基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)為“支護(hù)樁+錨索”（示意圖如圖2所示）。其中支護(hù)樁直徑為1.0m，樁長(zhǎng)21.5m（懸臂段12.5m，嵌固段9.0m）。材質(zhì)采用鋼筋混凝土，并于基坑頂部設(shè)置冠梁，尺寸為0.6m×1.0m，材質(zhì)也為鋼筋混凝土。錨桿設(shè)計(jì)3道，長(zhǎng)度為20m（錨固段14m，自由段6m），入射傾角為13°，孔徑為150mm。頂部第一道位于冠梁中部，按3m間距豎向布設(shè)其余2道錨索。錨索采用鋼絞線，直徑設(shè)計(jì)為17.8mm，鎖定荷載值為340kN。

2.2支護(hù)措施計(jì)算

通過內(nèi)力計(jì)算，得到基坑區(qū)范圍內(nèi)支護(hù)所需承擔(dān)的彎矩為402.52kN·m～471.94kN·m，最大剪力值為204.79kN，并通過公式（1）和公式（2）進(jìn)行支護(hù)配筋計(jì)算。

式中：N為軸力設(shè)計(jì)值（kN）；M為彎矩設(shè)計(jì)值（kN）；at、a為面積比的特征參數(shù)；A、As為支護(hù)樁、鋼筋的截面積（mm2）；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度（N/mm2）；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；r、rs為支護(hù)樁、鋼筋的半徑（mm）。

通過計(jì)算，配置24根直徑25mm的鋼筋，等級(jí)為HRB400，保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)為50mm，箍筋采用螺旋箍，直徑為12mm，等級(jí)為HPB300，間距為20cm。

利用公式（3）進(jìn)行錨固力Pt計(jì)算。

（3）

式中：F為錨索所需設(shè)計(jì)值（kN）；β為入射角（°）;a為錨索與滑面夾角（°）;φ為摩擦角（°）。

經(jīng)計(jì)算，第一道至第三道錨索的Pt為256.89kN～304.71kN，因此，錨索的鎖定荷載值為340kN是合理的。

3基坑支護(hù)效果評(píng)價(jià)

3.1評(píng)價(jià)思路的構(gòu)建

在基坑施工過程中，變形監(jiān)測(cè)是必要的，如果變形監(jiān)測(cè)成果在控制值（35mm）內(nèi)，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制效果較優(yōu)。進(jìn)而通過變形預(yù)測(cè)來評(píng)價(jià)基坑變形發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步驗(yàn)證基坑變形控制效果。因此應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行基坑變形預(yù)測(cè)模型構(gòu)建，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)[6]，支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）具有良好的變形預(yù)測(cè)能力，本文提出以支持向量機(jī)進(jìn)行基坑變形預(yù)測(cè)。

在SVM預(yù)測(cè)過程中，訓(xùn)練函數(shù)如公式（4）所示。

f（x）=WTφ（x）+b（4）

式中：f（x）為訓(xùn)練函數(shù)；WT為權(quán)值量；b為偏置量；x為輸入信息；φ（x）為激勵(lì)函數(shù)。

在訓(xùn)練過程中，進(jìn)一步通過約束設(shè)置來控制預(yù)測(cè)精度，如公式（5）所示。

式中：L為約束指標(biāo)；ai、ai*分別為乘子變量；l為訓(xùn)練集個(gè)數(shù)；ε為損失變量；Q為核變量。

在公式（5）的約束條件下，SVM的預(yù)測(cè)值Yi如公式（6）所示。

（6）

值得指出的是，SVM的參數(shù)WT和b會(huì)在較大程度上影響預(yù)測(cè)精度，為確保預(yù)測(cè)效果，采用生物地理學(xué)優(yōu)化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）對(duì)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，具體流程如圖3所示。

將BBO-SVM作為基坑變形預(yù)測(cè)模型，如果基坑后續(xù)變形速率趨于減弱，就說明其變形趨于穩(wěn)定，基坑變形控制效果較優(yōu)。為評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)效果，將相對(duì)誤差Et作為預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越小越好，如公式（7）所示。

Et=（Yt-Kt）/Yt（7）

式中：Yt為變形監(jiān)測(cè)值；Kt為變形預(yù)測(cè)值。

3.2支護(hù)效果的評(píng)價(jià)結(jié)果

在基坑變形成果統(tǒng)計(jì)中選擇13個(gè)代表性變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析（布置如圖1所示），按照3d一次的監(jiān)測(cè)頻率統(tǒng)計(jì)出28期的變形監(jiān)測(cè)成果，具體見表2。表2中，13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值范圍為12.52mm～20.16mm，均值為15.42mm，總體均＜35mm，說明13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)目前均在基坑設(shè)計(jì)變形控制范圍內(nèi)。

由于篇幅限制，本文僅對(duì)變形值最大的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行示例性預(yù)測(cè)分析，即以h1、h3、h7和h12作為后續(xù)分析數(shù)據(jù)來源。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，可得BBO-SVM監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見表3。表3中，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值具有持續(xù)增加特征，只是增加速率存在波動(dòng)，側(cè)面驗(yàn)證了通過變形預(yù)測(cè)來評(píng)價(jià)基坑變形趨勢(shì)是必要的。

由于BBO-SVM具有優(yōu)化組合流程，因此以h1為例，比較SVM優(yōu)化前、后的預(yù)測(cè)效果，結(jié)果見表4。表4中，在25～28期相應(yīng)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)處，BBO-SVM的Et值均在不同程度上小于SVM的Et值，說明通過BBO的優(yōu)化處理，能有效提高h(yuǎn)1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果，驗(yàn)證了BBO的優(yōu)化能力。值為2.07%；h3的Et值為2.02%～2.16%，均值為2.08%；

h1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的示例性分析驗(yàn)證了BBO-SVM適用于基坑變形預(yù)測(cè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，可得h1、h3、h7和h12監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果，見表5。表5中，h1的Et值為2.04%～2. 12%，均h7的Et值為2.06%～2.28%，均值為2.15%；h12的Et值為2.13%～2.29%，均值為2.20%。因此，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形預(yù)測(cè)效果較優(yōu)，其后29～31期的預(yù)測(cè)結(jié)果較可信。

由29～31期的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算這3期的變形速率均值，依次為0.34mm/3d、0.27mm/3d、0.16mm/3d和0.37mm/3d，四者變形速率值均較小，說明基坑變形雖然會(huì)進(jìn)一步增加，但其累計(jì)變形值趨于穩(wěn)定，并且4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在31期時(shí)的變形預(yù)測(cè)值為16.84mm～20.78mm，也＜35mm，說明基坑在預(yù)測(cè)期間的變形控制效果也較優(yōu)，充分驗(yàn)證了基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)是合理有效的。

4結(jié)論

通過既有建筑復(fù)雜條件下的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和效果評(píng)價(jià)，所得結(jié)論如下所示。1）由于基坑周邊近接既有建筑較復(fù)雜，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)格外重要，本文結(jié)合工程實(shí)際，將支護(hù)方案設(shè)計(jì)為“支護(hù)樁+錨索”。2）通過基坑變形成果分析可知基坑變形趨于穩(wěn)定且變形值始終＜35mm，因此基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)是合理有效的，取得了基坑變形控制效果。

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