復(fù)雜深基坑支護設(shè)計分析及穩(wěn)定性評價

摘" 要：為確?；影踩┕ぃY(jié)合基坑所處地質(zhì)條件、近接條件，先開展基坑支護設(shè)計分析，并通過規(guī)范公式計算、變形預(yù)測等開展基坑穩(wěn)定性評價。分析結(jié)果表明，復(fù)雜地質(zhì)條件、近接條件下的基坑支護設(shè)計分析是必要的，結(jié)合工程實際，將此文實例基坑的支護形式設(shè)計為“支護樁+兩道錨桿”；同時，經(jīng)基坑支護處理，基坑穩(wěn)定性系數(shù)、抗隆起系數(shù)均大于規(guī)范相應(yīng)限值，因此，支護體系滿足規(guī)范穩(wěn)定性及抗隆起要求，且變形預(yù)測顯示其變形趨于穩(wěn)定，變形預(yù)測值介于19.68～22.34 mm，小于變形控制值，說明基坑在后續(xù)一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性較好，基坑支護結(jié)構(gòu)的運營條件較好。

關(guān)鍵詞：基坑；支護設(shè)計；變形預(yù)測；穩(wěn)定性評價；支護結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U231.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0138-04

Abstract： In order to ensure the safe construction of the foundation pit， based on the geological conditions and proximity conditions of the foundation pit， the foundation pit support design analysis is carried out first， and the foundation pit stability evaluation is carried out through standard formula calculation and deformation prediction. The analysis results show that： It is necessary to analyze the design of foundation pit support under complex geological conditions and proximity conditions. Combined with the actual engineering， the support form of foundation pit in this example is designed as \"support pile + two anchor rods\"; At the same time， after foundation pit support treatment， the stability coefficient and anti-uplift coefficient of the foundation pit are greater than the corresponding limit values of the specification. Therefore， the support system meets the stability and anti-uplift requirements of the specification， and the deformation prediction shows that its deformation tends to be stable. The deformation prediction value is between 19.68 and 22.34 mm， which is less than the deformation control value， indicating that the stability of the foundation pit is good in the subsequent period of time and the operating conditions of the foundation pit support structure are good.

Keywords： foundation pit; supporting design; deformation prediction; stability evaluation; supporting structure

近年，市政基坑數(shù)量不斷增加，其所處地質(zhì)條件、近接條件也日趨復(fù)雜，為確保其安全施工，開展其支護設(shè)計分析及穩(wěn)定性評價顯得格外重要[1-2]。目前，蔡忠祥等[3]開展了軟土區(qū)基坑支護設(shè)計；袁運濤等[4]開展了預(yù)應(yīng)力支護樁在基坑支護中的應(yīng)用效果研究；金平等[5]分析了異形基坑支護措施優(yōu)化。上述研究雖取得了相應(yīng)成果，但限于基坑所處地質(zhì)條件、近接條件存在差異，因此，仍有必要開展針對性分析。

綜合上述，此文結(jié)合基坑所處地質(zhì)條件、近接條件，先開展基坑支護設(shè)計分析，并通過規(guī)范公式計算、變形預(yù)測等開展基坑穩(wěn)定性評價，以期為其安全施工提供一定的理論支持。

1" 工程概況

本工程包括住宅、商業(yè)等，用地面積為3 528.50 m2（示意圖如圖1所示），地上擬建32層，包括3層裙樓，地下擬建2層地下室，開挖深度10.5 m，屬深基坑。

由現(xiàn)場調(diào)查，基坑周邊近接條件相對較為復(fù)雜，其中，北側(cè)、西側(cè)近接既有建筑，屬性為住宅，層數(shù)為16層，地下一層，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，最小凈距約14.9 m；南側(cè)近接既有道路，最小凈距約23.7 m；東側(cè)近接公園，無重要建構(gòu)筑物，最小凈距約29.3 m。

根據(jù)鉆探資料，區(qū)內(nèi)地層主要為填土、粉土、黏性土和礫巖，其中，填土主要為黏性土，雜色，固結(jié)性較差，多為欠壓實，均一性差，平均厚度約2.5 m；粉土主要為灰色、褐色，可塑，局部存在軟塑，均勻性一般，含水率較高，工程性質(zhì)一般，平均厚度約3.6 m；黏性土主要為褐黃色，可塑，區(qū)內(nèi)廣泛分布，均勻性一般，偶見礫石，含量一般少于5%，平均厚度約3.3 m；礫巖為基巖，雜色，泥質(zhì)膠結(jié)，強風(fēng)化～中風(fēng)化，局部可見空洞，揭露厚度大于10 m。結(jié)合室內(nèi)試驗及工程經(jīng)驗，將各類地層的物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計見表1。

2" 基坑支護設(shè)計分析

經(jīng)第1節(jié)分析，基坑周邊近接條件相對較為復(fù)雜，加之開挖范圍內(nèi)地層條件所具的工程性質(zhì)也較為一般，因此，開展其支護設(shè)計分析是必要的。

2.1" 支護方案設(shè)計

由JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》，基坑安全等級為二級，周邊超載設(shè)置為一個，荷載值為20 kPa，支護年限設(shè)計為2年。

結(jié)合工程實際，將其支護形式設(shè)計為“支護樁+兩道錨桿”，其中，支護樁樁徑為0.8 m，樁長為17.5 m（包括10.5 m的懸臂段和7 m的嵌固段），水平間距1.4 m，材質(zhì)為鋼筋混凝土，混凝土等級為C30，并于頂部設(shè)計冠梁，尺寸為0.8 m×1.0 m，也為鋼筋混凝土材質(zhì)。兩道錨桿沿支護樁豎向展布，錨桿1位于冠梁中部，入射角為25°，總長17.0 m（含錨固段10.5 m，自由段6.5 m），錨固體直徑為15 cm，所定值為250 kN；錨桿2位于錨桿1下部4 m，入射角為25°，總長14.0 m（含錨固段9.0 m，自由段5.0 m），錨固體直徑為15 cm，所定值為250 kN。

據(jù)上，基坑支護結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

2.2" 支護措施計算

該節(jié)重點再對各類支護措施開展計算，首先，通過增量法計算得到支護樁承受的彎矩介于298.27～322.51 kN·m，最大剪力為204.71 kN，并通過式（1）開展其計算，即

式中：M為彎矩設(shè)計值（kN）；fy為鋼筋強度值（N/mm2）；at、a為樁和鋼筋的特征參數(shù)；As、A為鋼筋、支護樁的截面積（mm2）；fc為混凝土強度（N/mm2）；rs、r為鋼筋、支護樁的半徑（mm）。

通過計算，支護樁縱向鋼筋所需面積為7 492.8 mm2，箍筋所需面積為497.2 mm2，因此，設(shè)計26根20 mm的主筋和間距20 mm的直徑12 mm箍筋，實配主筋面積為8 169.2 mm2，箍筋面積為565.5 mm2，配筋均滿足要求。

其次，內(nèi)力計算顯示錨桿1和錨桿2的設(shè)計值分別為205.2 kN和211.7 kN，并通過下式（2）開展錨固力Pt計算，即

式中：F為錨桿設(shè)計值（kN）；φ為摩擦角（°）；β為入射角（°）；a為滑面與錨桿間夾角（°）。

通過計算，得到錨桿1所需配筋面積為692.2 mm2，錨桿2所需配筋面積為750.4 mm2，因此，對錨桿1配置1E32鋼筋，錨固段設(shè)計為10.5 m，自由段設(shè)計為6.5 m，實際配筋面積為804.0 mm2，滿足要求；對錨桿2配置1E32鋼筋，錨固段設(shè)計為9.0 m，自由段設(shè)計為5.0 m，實際配筋面積為804.0 mm2，也滿足要求。

3" 基坑穩(wěn)定性評價

3.1" 評價思路的構(gòu)建

為確保基坑穩(wěn)定性評價結(jié)果的準確性，一方面，對基坑支護后的穩(wěn)定性進行評價；另一方面，通過變形預(yù)測評價基坑穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢。

首先，在基坑支護后的穩(wěn)定性評價結(jié)果中，主要利用圓弧法開展基坑穩(wěn)定評價及抗隆起評價，計算公式分別為

式中：Kw為穩(wěn)定性計算系數(shù)；KL為抗隆起的計算系數(shù)；Ma為開挖后的傾覆彎矩；Mp為支護后的抵抗彎矩；r1、r2為坑外、內(nèi)土重度；D為樁嵌入深；q為超載度；Nq、Nc為地基系數(shù)。

其次，鑒于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強的非線性預(yù)測能力[6]，提出以其實現(xiàn)基坑變形預(yù)測，且其原理是通過正、反向重復(fù)訓(xùn)練來提升預(yù)測精度，在模型參數(shù)中，連接權(quán)值、閾值對預(yù)測精度具有較大影響，其中，連接權(quán)值公式為

式中：wij為輸入層與隱含層間的連接權(quán)值；E為誤差平方和；wjk為隱含層與輸出層間的連接權(quán)值；η為學(xué)習(xí)速率。

閾值公式為

式中：Bij為輸入層與隱含層間的閾值；Bjk為隱含層與輸出層間的閾值。

為盡可能確保BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的最優(yōu)性，進一步利用粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）開展此兩參數(shù)的尋優(yōu)處理，且在其優(yōu)化過程中，主要是通過更改粒子位置來探究參數(shù)變化效果，計算公式為

，" "（7）

式中：vn-1、vn為粒子更新前后的位置信息；w為慣性權(quán)重；r1、r2為隨機參數(shù)；c1、c2為學(xué)習(xí)因子。

據(jù)式（7），通過粒子位置更新，得到權(quán)值、閾值的更新值為

式中：wmax為最大權(quán)重，取值為0.85；wmin為最小權(quán)重，取值為0.45；tmax為最大迭代次數(shù)；t為迭代次數(shù)。

據(jù)上，將基坑變形預(yù)測模型確定為PSO-BP，其預(yù)測結(jié)果若顯示基坑變形趨于穩(wěn)定且預(yù)測值小于變形控制值35 mm，那么說明基坑在后續(xù)一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性較好。

3.2" 評價結(jié)果分析

3.2.1" 基坑支護后的穩(wěn)定性評價結(jié)果

在基坑支護后的狀態(tài)下，選擇了5個剖面進行式（3）的穩(wěn)定性評價，得到其Kw依次為1.508、1.729、1.468、1.669和1.537，均大于規(guī)范要求的1.25，因此，判斷基坑采取支護措施后滿足穩(wěn)定性要求。

其次，再利用式（4）開展抗隆起穩(wěn)定性評價，得到此基坑KL值為9.125，大于規(guī)范要求的1.80，因此，在基坑采取支護措施后也滿足抗隆起要求。

3.2.2" 基坑變形預(yù)測的穩(wěn)定性評價結(jié)果

在基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)整理過程中，按照兩天一期的頻率進行整理，共計得到12個代表性監(jiān)測點（沿順時針布置，具體如圖1所示）的45期變形成果，12個變形監(jiān)測點的累計變形結(jié)果見表2。據(jù)表2，12個監(jiān)測點的累計變形變化范圍為13.06～22.06 mm，均值為18.11 mm。

限于篇幅，難以對12個監(jiān)測點均開展變形預(yù)測，因此，選擇變形最大的j4、j8及j10進行后續(xù)預(yù)測分析，并統(tǒng)計得到此3個監(jiān)測點的變形數(shù)據(jù)見表3。

由于預(yù)測模型為PSO-BP，存在優(yōu)化過程，因此先以j4監(jiān)測點為例，進行優(yōu)化前后的預(yù)測效果對比分析，結(jié)果見表4。據(jù)表4，在42—45期變形預(yù)測結(jié)果中，PSO-BP相應(yīng)節(jié)點處相對誤差值均不同程度小于BP相應(yīng)節(jié)點處相對誤差值，且前者的相對誤差均值為2.02%，后者的相對誤差均值為2.79%，因此，充分說明開展BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化處理的必要性，其處理能有效提高預(yù)測精度。據(jù)上，在PSO-BP開展其他監(jiān)測點的變形預(yù)測，結(jié)果見表5。據(jù)表5，3個監(jiān)測點的預(yù)測精度相當，其中，j4的相對誤差范圍介于1.96%～2.12%，均值為2.02%，j8的相對誤差范圍介于1.93%～2.12%，均值為2.06%，j10的相對誤差范圍介于2.04%～2.14%，均值為2.08%，因此，充分驗證了PSO-BP在此文實例中具有良好的預(yù)測效果。

通過3個監(jiān)測點在46—48期的外推預(yù)測，j4監(jiān)測點在此3 d的變形速率依次為0.22、0.20和0.29 mm/期，j8監(jiān)測點在此3 d的變形速率依次為0.20、0.33和0.40 mm/期，j10監(jiān)測點在此3 d的變形速率依次為0.10、0.23和0.23 mm/期。

因此，3個監(jiān)測點的累計變形具小速率增加特征，但趨于穩(wěn)定方向發(fā)展，加之其始終小于變形控制值的35 mm，滿足設(shè)計變形控制要求，因此，說明基坑在后續(xù)一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性較好，基坑支護結(jié)構(gòu)的運營條件較好。

4nbsp; 結(jié)論

通過復(fù)雜深基坑支護設(shè)計分析及穩(wěn)定性評價，所得結(jié)論主要如下。

1）在復(fù)雜地質(zhì)條件、近接條件基礎(chǔ)上，加強基坑支護設(shè)計分析是必要的，結(jié)合工程實際，將其支護形式設(shè)計為“支護樁+兩道錨桿”。

2）在穩(wěn)定性評價過程中，經(jīng)基坑支護處理，其滿足穩(wěn)定性、抗隆起要求，且變形預(yù)測顯示其變形趨于穩(wěn)定，預(yù)測值也小于變形控制值，基坑在后續(xù)一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性較好，滿足規(guī)范、設(shè)計要求。

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