深基坑分段支護設(shè)計及開挖穩(wěn)定性分析

摘 要：為保障基坑施工安全，以基坑所處地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對基坑支護進行設(shè)計，并采用圓弧滑動法、變形成果分析等評價基坑開挖過程中的穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明：當(dāng)基坑所處近接條件存在差異時，可通過分段設(shè)計來保證基坑支護體系的合理性，文中實例將基坑支護設(shè)計分為兩個區(qū)，其中，Ⅰ區(qū)支護措施為“雙排支護樁+錨索”，Ⅱ區(qū)支護措施為“單排支護樁+錨索”。同時，經(jīng)圓弧滑動法計算，Ⅰ區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)為1.365～1.552，Ⅱ區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)為1.298～1.498，大于規(guī)范規(guī)定的1.25，且通過變形分析，得出基坑變形趨于穩(wěn)定，也在變形控制值范圍內(nèi)，進一步驗證了基坑開挖過程穩(wěn)定，為類似工程積累了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：基坑；支護設(shè)計；圓弧滑動法；穩(wěn)定性分析

中圖分類號：P 642" " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

我國隨著市政建設(shè)的快速發(fā)展，基坑工程越來越多，且近接環(huán)境條件趨于復(fù)雜，因此，基坑支護設(shè)計顯得格外重要。為驗證基坑支護措施的合理性，評價其開挖過程中的穩(wěn)定性也是十分必要的[1-2]。目前，許多學(xué)者進行相關(guān)研究，例如王曉棟[3]闡述了基坑支護的施工技術(shù)，羅杰等[4]進行基坑支護的設(shè)計優(yōu)化研究，王炳文等[5]分析了高層建筑基坑支護過程中的變形規(guī)律，徐德軍[6]評價了樁錨支護在基坑工程中的加固效果。上述研究雖取得了相應(yīng)成果，但均未涉及基坑開挖過程中的穩(wěn)定性分析，因此，以基坑所處地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，先進行基坑支護設(shè)計，并采用圓弧滑動法、變形成果分析等評價基坑開挖過程中的穩(wěn)定性，以期為類似工程提供一定的經(jīng)驗。

1 工程概況

擬建工程屬商業(yè)建筑其建筑總面積約為6×104m2，其中，地上建筑面積約為4.5×104m2，地下建筑面積約為1.5×104m2。該項目對應(yīng)基坑的平面形態(tài)相對不規(guī)則（如圖1所示，且圖中j1～j9為基坑變形監(jiān)測點），具多邊形特征，開挖深度為12.5m，具深基坑特征。

根據(jù)現(xiàn)場鉆探成果，基坑區(qū)地層自上而下。

1.1 填土層

以雜填土為主，雜色，結(jié)構(gòu)松散，欠壓實，主要由黏性土、砂土、磚塊、砼塊、碎石等組成，均勻性較差，填墊時間預(yù)估5～10年，分布厚度2.20～3.85m。

1.2 淤泥、淤泥質(zhì)土層

灰黑色、深灰色，流塑狀，高壓縮性土，以黏粒為主，含少量腐殖質(zhì)，局部含少量砂粒，略具腥臭味，局部夾薄層粉細砂，分布厚度為1.10～3.35m。

1.3 粉、細砂層

灰白、灰黃色，飽和，松散～稍密，級配不良，以石英砂粒為主，磨圓較好，呈亞圓狀，局部含少量黏粒，間夾薄層粉質(zhì)黏土，分布厚度為1.00～3.60m。

1.4 礫砂層

灰黃色，飽和，稍密～中密，級配良好，以石英砂粒為主，磨圓較好，呈亞圓狀，含少量黏粒，分布厚度為2.90～10.90m。

1.5 基巖層

褐紅色，巖性為泥質(zhì)粉砂巖，強～中風(fēng)化，砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，敲擊聲沉悶，遇水易軟化，最大揭示厚度大于12.3m。

2 基坑分段支護設(shè)計

2.1 分段支護措施設(shè)計

為保證支護方案經(jīng)濟合理，提出分段設(shè)計基坑支護；結(jié)合基坑周邊條件，將j1～j6的支護范圍命名為Ⅰ區(qū)，區(qū)內(nèi)主要近接既有建筑為住宅，工程重要性、變形控制要求較高，因此，將此區(qū)支護措施設(shè)計為“雙排支護樁+錨索”；將j6～j9～j1的支護范圍命名為Ⅱ區(qū)，近接為公園、既有道路，無重要建構(gòu)筑物，變形控制要求相對較低，因此，將其支護措施設(shè)計為“單排支護樁+錨索”。

Ⅰ區(qū)支護措施：兩排抗滑樁直徑設(shè)計為1.0m，中心距3.5m，長23.5m，樁身采用鋼筋混凝土材質(zhì)，頂部設(shè)置冠梁、連梁，尺寸為1.0m×1.0m，也采用鋼筋混凝土材質(zhì)。同時，沿樁身縱向布置3道錨索，第一道位于冠梁處，向下按2.0m間距進行布設(shè)。將錨索長度設(shè)計為26m，其中，自由段長度為6m，錨固段長度為20m，孔徑為150mm，入射傾角12°，中心配置鋼絞線，直徑為17.8mm，鎖定荷載為350kN。

Ⅱ區(qū)支護措施：該區(qū)段支護樁尺寸、冠梁等與Ⅰ區(qū)一致，只是支護樁僅設(shè)計一排。錨桿也與Ⅰ區(qū)一致，第一道也位于冠梁處，第二道與其豎向間距設(shè)計為4.0m。

根據(jù)上述設(shè)計方案，兩個區(qū)的支護如圖2所示。

2.2 支護措施設(shè)計計算

Ⅰ區(qū)支護措施計算：該區(qū)段內(nèi)的基坑邊坡的彎矩為516.22kN?m～519.49kN?m，最大剪力為465.84kN。在基坑邊坡土壓力計算的基礎(chǔ)上，計算支護樁內(nèi)力，此過程重點是結(jié)合樁身軸力N和彎矩M進行配筋，力與所需配筋間的計算過程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：A為支護樁的截面積，mm2；As為受力主筋的截面積，mm2；at、a為支護樁和受力主筋的面積比特征參數(shù)；fy為受力主筋的抗拉強度，N/mm2；fc為支護樁的抗壓強度，N/mm2；r、rs為支護樁和受力主筋的半徑，mm。

經(jīng)計算，該區(qū)段支護樁所需受力主筋面積為6870.15m㎡，箍筋面積為502.68mm2。根據(jù)計算結(jié)果，實際配置16根直徑25mm的受力主筋，配鋼筋面積為7853.92mm2，滿足要求；配置直徑12mm的鋼筋，將間距設(shè)計為20cm，配箍筋面積為565.5mm2，滿足要求。

進行錨索設(shè)計計算，錨固力與錨桿設(shè)計值掛鉤，兩者具正相關(guān)關(guān)系。錨固力與其設(shè)計入射角、地層參數(shù)相關(guān)。因此，計算錨固力Pt如公式（3）所示。

（3）

式中：F為設(shè)計值，kN；a為錨索與滑面夾角，°；β為入射角，°；φ為摩擦角，°。

通過計算，3道錨索所需單孔錨固力計算值為280.16kN～321.52kN，均小于鎖定荷載350kN，滿足要求。

Ⅱ區(qū)支護措施計算：類比Ⅰ區(qū)計算過程，再對Ⅱ區(qū)支護措施進行計算。通過土壓力計算，該區(qū)段范圍內(nèi)的基坑邊坡的彎矩為325.09kN?m～346.75kN?m，最大剪力為428.90kN。

經(jīng)計算，該區(qū)段支護樁所需受力主筋面積為4283.14mm2，箍筋面積為481.65mm2。根據(jù)計算結(jié)果，實際配置18根直徑18mm的受力主筋，其實配鋼筋面積為4581.00mm2，滿足要求。配置直徑12mm的鋼筋，間距設(shè)計為20cm，配箍筋面積為565.5mm2，滿足要求。

同時，計算得到2道錨索所需單孔錨固力計算值為258.97kN～317.19kN，均小于鎖定荷載350kN，滿足要求，且2道錨索的長度為22.46m～24.01m，小于錨索長度設(shè)計值26m，也滿足要求。

3 基坑開挖穩(wěn)定性分析

為充分掌握基坑開挖過程中的穩(wěn)定性，將分析過程劃分為兩步：采用圓弧法計算基坑防治處理后穩(wěn)定性系數(shù)；以j1～j9監(jiān)測點的變形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過變形預(yù)測來評價基坑變形發(fā)展趨勢，以進一步評價基坑開挖穩(wěn)定性。

根據(jù)規(guī)范要求，基坑支護的穩(wěn)定性要求，其穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)小于1.25。

在此計算過程中，Ⅰ區(qū)共設(shè)計了4個穩(wěn)定性計算剖面，計算所得穩(wěn)定性系數(shù)依次為1.552、1.365、1.510和1.468，均大于規(guī)范規(guī)定的1.25，因此，該區(qū)支護結(jié)構(gòu)能滿足穩(wěn)定性要求。Ⅱ區(qū)共設(shè)計了3個穩(wěn)定性計算剖面，計算所得穩(wěn)定性系數(shù)依次為1.298、1.498和1.416，也均大于規(guī)范規(guī)定的1.25，因此，該區(qū)支護結(jié)構(gòu)也能滿足穩(wěn)定性要求。

按照1天1次的監(jiān)測頻率，得到41期的變形數(shù)據(jù)，9個監(jiān)測點的累計變形值見表1。由表1可知，基坑變形為14.79mm～26.05mm，均值為19.99mm，均小于基坑變形控制值35mm，因此，初步說明支護結(jié)構(gòu)的運營效果較好，基坑具有較好的穩(wěn)定性。

變形越大，其威脅性也越大，因此，對變形最大的3個監(jiān)測點進行后續(xù)變形預(yù)測示例性分析，即j1、j3和j9監(jiān)測點，3者的變形監(jiān)測成果見表2。

考慮BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的非線性預(yù)測能力，因此，對其進行基坑變形預(yù)測處理；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括正向、方向傳播過程。

正向傳播過程：該過程主要是將基坑變形信息從輸入層輸入，并經(jīng)隱層變換，由輸出層輸出，即通過輸入基坑變形輸入值xj，可以得到隱層輸出值xj'，再通過其變換處理，可以進一步得到最終的基坑變形輸出值yk。因此，可將正向傳播過程劃分為兩步，包括隱層輸出和輸出層輸出，相應(yīng)計算過程如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：wij、wjk為相應(yīng)層連接權(quán)值；Qj、Qk為相應(yīng)層閾值；m為輸出節(jié)點數(shù)，個；n為隱層節(jié)點數(shù)，個。

當(dāng)完成正向傳播后，會得到一個輸出值，其與期望值間的誤差越小，說明預(yù)測效果越優(yōu)，反之，預(yù)測效果效果越差，從而可構(gòu)建評價指標誤差值E來衡量預(yù)測效果。如公式（6）所示。

（6）

式中：dk為基坑變形預(yù)測的期望值，mm。

反向傳播過程：E值越小越好，如果不滿足要求，就有必要進入反向傳播過程。該過程主要是對相應(yīng)層的連接權(quán)值、閾值進行修正，主要操作就是在原有參量基礎(chǔ)上增加一個變量，以改變相應(yīng)連接權(quán)值、閾值參數(shù)，調(diào)整后的參數(shù)如公式（7）所示。

W（t+1）=W（t）+?W " " " "（7）

式中：W（t+1）、W（t）為修正后、修正前的參數(shù)值。

在正向、方向傳播過程的逐步優(yōu)化處理作用下，不斷提高基坑變形的預(yù)測精度。

結(jié)合以往經(jīng)驗，將相對誤差作為預(yù)測效果評價指標，其值越小，說明基坑變形值與預(yù)測值越接近，預(yù)測效果越優(yōu)。

在預(yù)測過程中，將38～41期作為驗證集，其后預(yù)測3期（即42～44期），結(jié)果見表3。由表3可知，3個監(jiān)測點的預(yù)測效果均較優(yōu)，其中，j1監(jiān)測點預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.03%；j3監(jiān)測點預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為1.98%；j9監(jiān)測點預(yù)測結(jié)果的相對誤差均值為2.15%，因此，充分證明了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在基坑變形預(yù)測中的適用性。通過42～44期的后續(xù)預(yù)測，得出3個監(jiān)測點的變形仍會進一步增加，但增加速率較小，且預(yù)測值為21.89mm～26.24mm，說明在后續(xù)一段時間，基坑變形仍在可控范圍，基坑穩(wěn)定性較好。

不論從圓弧法穩(wěn)定性計算，還是從變形分析，基坑均處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明支護措施是切實有效的，為類似工程積累了經(jīng)驗。

4 結(jié)論

通過深基坑分段支護設(shè)計及開挖穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論。1）在基坑支護設(shè)計過程中，支護措施有必要結(jié)合近接條件進行分區(qū)支護設(shè)計，因此，將j1～j6的支護范圍命名為Ⅰ區(qū)，j6～j9～j1的支護范圍命名為Ⅱ區(qū)，兩區(qū)支護措施分別為“雙排支護樁+錨索”和“單排支護樁+錨索”。2）在基坑支護條件下，采用圓弧滑動法計算得出基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)，且由變形監(jiān)測成果和預(yù)測結(jié)果表明，基坑支護條件下的變形控制也較好，充分說明基坑在開挖過程中的穩(wěn)定性較好，支護措施是切實有效的。

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