巖土工程中基坑邊坡滑坡風險預測及加固研究

何 軍，郭雄斌

(中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710054)

隨著我國國民經濟以及城市建設的快速發展，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，各種深基工程由此形成。深基坑工程是一項十分復雜且重要的工程，它的穩定性不僅和自身的安全存在關聯，同時還會對周邊的建筑物產生影響，所以準確預測巖土工程中基坑邊坡滑坡風險具有十分重要的意義。

近年來，國內學者對此做了大量的研究，并取得了較好的成果。現場和實驗室實驗成本高、操作復雜、荷載和邊界條件難以模擬，數值模擬具有成本低、操作簡單、應用范圍廣、靈活性強、能模擬復雜環境等特點。國外對超深基坑的穩定性進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極限，基坑區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定。基坑邊坡穩定性分析[3-4]是基坑工程順利進行的重要依據，想要準確掌握以及反映基坑邊坡穩定性，需要優先對基坑工程地質條件以及對應的土體參數進行分析，同時獲取眾多因素中影響基坑穩定性的主要因素，并且采用相關方法進行分析，最終獲取建筑物發生沉降的主要原因。

為了更好地實現坑邊坡滑坡風險預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險預測及加固方法。經實驗測試證明，所提方法可以更好完成滑坡風險預測，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定性分析

邊坡穩定性分析中的有限元折減系數法，在非線性有限元法的基礎上，討論了邊坡破壞的判別條件、安全系數的取值以及樁土共同作用時的數值模擬方法。有限元計算中非線性有限元、有限元模型的建立，采用的單元類型和勁度矩陣。分析了土質邊坡的特點及影響邊坡穩定的因素，介紹了幾種常規的邊坡穩定性分析方法。闡述了邊坡有限元折減系數法的原理、計算公式，明確給出了判別邊坡失穩的破壞條件，即以等效塑性應變區貫通表示邊坡失穩。并通過與常規剛體極限平衡法的對比，驗證了有限元折減系數法的正確性。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，應用有限元分析軟件對支擋抗滑樁結構進行有限元分析，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的彈簧單元模擬。研究了有限元折減系數法在邊坡加固系統中的實現，給出了此時安全系數的定義、塑性區的分布情況以及抗滑樁上作用力的模擬實現。

巖土工程屬于一項綜合系統工程[5-6]，不僅具有一般建筑物的特點，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展，施工技術難度也開始朝著更難的方向發展；②巖土工程中基坑具有比較強的區域性以及實踐性；③巖土工程中基坑具有比較強的綜合性。

結合相關規定，獲取基坑安全等級分類結果[7-8]：①一級。重要性系數為1.10，會對周邊環境以及本土工程施工產生比較嚴重的影響。②二級。重要性系數為1.00，對周邊環境產生的影響比較小，對本土工程施工影響很嚴重。③三級。重要性系數為0.90，對本土工程施工影響不是很嚴重。

根據基坑安全等級分類結果[9-10]，在對基坑進行設計的過程中，需要全面考慮支護結構破壞會對巖土工程施工以及周邊環境產生的影響。同時，還需要通過工程的具體需求，設計對應的預測方案。

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致基坑發生失穩的主要原因進行分析，在進行深基坑施工過程中，如果開挖的深度不是十分大，而且還沒有設置支撐，此時剛性和柔性墻體是相同的，主要呈現三角形分布。

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，從而導致底部凸起。②支護結構變形。由于在基坑開挖過程中，受到多種不同影響因素的影響，圍護結構會因為受到外部壓力發生變形。而且隨著開挖和卸載過程，支護結構會發生明顯的變形。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定性產生不同程度的影響。通過上述分析，重點從基坑土體黏聚力以及內摩擦角等不同因素作為研究對象，對全部因素進行敏感性分析。同時將5個不同的因素進行劃分，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險預測和加固

由于BP網絡具有很多優點[13-14]，被廣泛應用于不同的研究領域中，可以有效解決對權值修改困難的問題，同時使其具有更高的精度。通過圖1中不同層之間的權值實現對網絡的訓練，同時在訓練過程中輸入實例進行學習，經過訓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個節點的輸出。

經過修正后的連接權值可以表示為式(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個節點經過修正后的連接權值。

為了確保連接權值可以沿著梯度方向進行變化，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]，對應程序的主要實現步驟如下所示：①對網絡中的權值進行初始化處理；②計算各層單元的輸入以及輸出向量；③通過誤差計算結果獲取前一層的誤差，直至到達輸入層；④對權系數進行修正，同時重復步驟②至步驟④，直至誤差達到可允許范圍。

操作流程如圖2所示。

圖2 操作流程Fig.2 Operation flow chart

在隱含層的節點數量并不會對最終的預測結果產生影響，所以不需要設定具體的節點數量。小波網絡有2種不同的結構形式：輔助式結合和嵌套式結合。以下主要使用前者，同時將小波變換作為網絡預測的前處理階段。在采用小波進行降噪的過程中，主要使用Daubechies進行基坑沉降信號監測。將經過重構后的信號作為預測的訓練樣本進行學習。考慮到小波基的連續差異性，需要將網絡劃分為以下2種形式。

(1)含有連續參數的小波對應的輸出sk可以表示為式(4)的形式：

(4)

式中，βjk為小波函數；αij為連續參數； (x，y)為輸出節點的坐標位置。

(2)基于小波框架需要通過相關特定確定對應的尺度以及平移因子，同時實施調整小波系數，使信號達到最佳逼近狀態。根據小波網絡的基本原理，可以采用小波基對輸入信號進行逼近，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果；βij為小波函數；ai和b分別為不同的網絡參數初始化結果。

經過上述分析，依據構建巖土工程中基坑邊坡滑坡風險預測模型，通過模型對風險進行預測[19-20]：根據獲取的巖土工程中基坑邊坡滑坡風險預測結果制定對應的加固方案，同時在傳統加固設計的基礎上，在下邊坡部分進行補強加固處理。

2 實驗分析

為了驗證所提巖土工程中基坑邊坡滑坡風險預測及加固方法的有效性，需要對巖土施工過程進行模擬分析，將整個施工過程劃分為6個不同的實施階段：①施工階段1。構建土層，組成初始地應力，同時對基礎樁進行激活處理，將位移相關信息刪除。②施工階段2。采用混凝土進行防護樁以及冠梁的制作。③施工階段3。將基坑挖至-1 m，同時對其進行噴混凝土支護。④施工階段4。將基坑挖至-3 m，同時對其進行噴混凝土支護。⑤施工階段5。將基坑挖至-6 m，同時對其進行噴混凝土支護。⑥施工階段6。將基坑挖至-9 m，同時對其進行噴混凝土支護。

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中的實驗數據可知，基坑在巖土產生濕陷時位移會發生比較大的變化，而且位移變化大部分集中在防護結構的上部，說明發生滑坡風險的概率也就比較大。同時還能夠看出，防護結構在巖土濕陷的情況下可以確保基坑自身的穩定性，最終達到防護的目的。

為了進一步驗證所提方法的有效性，以下對巖土工程中基坑邊坡滑坡風險預測結果進行測試分析，詳細的實驗測試結果如圖4所示。分析圖4中的實驗數據可知，所提方法可以準確對水平位移以及地表沉降進行預測，進而獲取滑坡風險等級。主要是因為所提方法在進行預測前期，對基坑穩定性產生影響的主要因素進行分析，同時在后續加固過程中也有效避免了這些因素對基坑穩定性產生的影響，所以可以準確對巖土工程中基坑邊坡滑坡風險預測，同時根據預測結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險預測結果分析Fig.4 Analysis of risk prediction results of foundation pit slope landslide in geotechnical engineering

3 結語

針對傳統方法存在的一系列問題，設計并提出一種巖土工程中基坑邊坡滑坡風險預測及加固方法。經過具體的實驗數據分析可知，所提方法可以準確對滑坡風險進行預測，同時制定穩定性更強的加固方案，為后續巖土工程施工提供一定的數據支撐。