復(fù)雜環(huán)境條件下深基坑設(shè)計與變形監(jiān)測分析

王春玲

（1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊，湖北 武漢 430030；2.武漢建材地質(zhì)工程勘察院有限公司，湖北 武漢 430030）

在我國城市化進(jìn)程不斷加快的今天，大型復(fù)雜深基坑開挖已經(jīng)成為我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可缺少的一部分，因此，在深基坑施工時，必須對周邊建筑結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價。近些年來，學(xué)者對復(fù)雜環(huán)境下深基坑設(shè)計已開展了相關(guān)研究工作。夏紅春[1]基于有限元軟件對深基坑復(fù)合支護(hù)結(jié)果進(jìn)行了分析；張明[2]基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的研究方法分析了長短樁支護(hù)的力學(xué)性能；為了保證深基坑施工效果，何凱旋[3]研究了深基坑的施工方法并給出設(shè)計措施。

本文以某處于復(fù)雜環(huán)境中深基坑為研究對象，針對該地區(qū)的實際情況，首先對其進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對其變形特性進(jìn)行研究，為同類工程提供借鑒。

1 項目概況

該工程占地2650m2，設(shè)計層數(shù)26 層，基本形狀為矩形，長度和寬度分別為86m 和30m，挖掘深度達(dá)13.5m，屬深基坑。

通過對該工程的勘察發(fā)現(xiàn)，該工程的周圍情況比較復(fù)雜，如圖1所示，其北側(cè)和東側(cè)與已有公路相鄰，其最小間距為32m、25m；西面與已有房屋相鄰，是一棟住宅，與基坑之間的最小間距是18m，地基為天然地基；南面還緊鄰著原有的房屋，其結(jié)構(gòu)也是一棟居民樓，與基坑之間的最小間距是12m，地基采用小型樁基。在鄰近的建筑物中，南側(cè)建筑物與基坑間的距離很短，且該建筑物較為重要，因此會對深基坑的施工產(chǎn)生很大影響。

圖1 平面示意圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，確定該基坑區(qū)的主要工程地質(zhì)情況：該區(qū)域為沖積平原，海拔高度在756.28m～763.46m之間，高度相差7.18m左右，屬于比較平緩的區(qū)域；基坑區(qū)未發(fā)現(xiàn)基巖，填土層以黏土為主，部分還含有建渣層，其厚度一般在0.8m～2.4m 之間；基坑附近水域較為發(fā)達(dá)，主要是低洼地區(qū)積水，其大小主要取決于降水的大小，地下水以上部滯水為主，在空間上沒有均勻分布。

2 深基坑支護(hù)設(shè)計

2.1 支護(hù)方案確定

根據(jù)已有建筑物的特點(diǎn)，設(shè)計了初步的支護(hù)方案：

（1）北側(cè)和東側(cè)的基坑支護(hù)方案為“放坡+土釘墻”，坡面從地表以下2m處開始，坡度設(shè)置為1：0.5。土釘按3.5m 計算，垂直距離為1.5m，橫向距離為2.0m，傾角為15°，坡面采用100mm厚C20混凝土澆筑。

（2）西側(cè)和南側(cè)的基坑支護(hù)方案為“放坡+樁錨”。①坡面由地表以下1.5m處開始，坡度設(shè)置為1:1.5；②設(shè)計樁長為18.5m，樁直徑為1.2m，樁間距為1.4m，嵌巖深度不小于6.0m；③共設(shè)置3根錨桿，每個樁配置一個錨桿的形式，冠梁處為第一根錨桿，按照間距為2.5m的要求逐一設(shè)置，錨桿孔徑是130mm，傾角為15°。

2.2 支護(hù)方案計算分析

2.2.1 計算方法

（1）內(nèi)力計算法

為了得到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，需要計算基坑的土層反力ps，其計算公式如式（1）所示：

式中ks代表反力指數(shù)；v代表位移數(shù)值；p0代表反力初始值。

根據(jù)土層反力ps的計算結(jié)果，以軸力N、彎矩M為依據(jù)，采用式（2）及式（3）分別求出支撐結(jié)構(gòu)的配筋。

式中A代表截面積；fy和fc分別代表鋼筋設(shè)計數(shù)值和混凝土強(qiáng)度；a和at代表面積指數(shù)；rs和As分別代表鋼筋半徑及面積；r代表支護(hù)樁半徑。

（2）穩(wěn)定性計算法

對于具有臨空面的深基坑，其穩(wěn)定因子Ks的表達(dá)式如式（4）所示。

式中Mp和Ma分別代表抗傾覆彎矩和傾覆彎矩。

2.2.2 結(jié)果分析

（1）北側(cè)及東側(cè)計算分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，樁的橫向變形呈中間大、兩端小的特點(diǎn)，最大變形量為12.72mm，最大變形處距樁頂部4.2m；在距離開挖面3.4m 的地方，最大沉降達(dá)到11.65mm，二者都能滿足工程變形要求。在荷載作用下，樁身的彎矩在-363.44kN·m～138.04kN·m的范圍之間，剪力在-236.79kN·m～162.38kN·m范圍內(nèi)。對于邊坡的穩(wěn)定性，經(jīng)分析，邊坡的總體穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.594，大于1.3，符合設(shè)計要求；其抗傾覆穩(wěn)定性為1.371，大于1.2，符合設(shè)計要求。

（2）西側(cè)和南側(cè)計算分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，其位移變化規(guī)律與北側(cè)及東側(cè)相似，最大變形量為14.56mm，最大變形處距樁頂部3.2m；在距離開挖面4.5m 的地方，最大沉降達(dá)到12.65mm，二者都能滿足工程變形要求。在荷載作用下，樁身的彎矩在-357.66kN·m～124.56kN·m的范圍之間，剪力在-232.85kN·m～154.32kN·m范圍內(nèi)。對于邊坡的穩(wěn)定性，經(jīng)分析，邊坡的總體穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.594，大于1.3，符合設(shè)計要求；其抗傾覆穩(wěn)定性為1.371，大于1.2，符合設(shè)計要求。

3 變形監(jiān)測分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

本文根據(jù)實際情況，設(shè)置12個水平位移監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測頻率為一日一次，共得到30個時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各個觀測點(diǎn)的累積變形值計算如下[4]：

J1 點(diǎn)：31.05mm；J2 點(diǎn)：28.54mm；J3 點(diǎn)：21.08mm；J4點(diǎn)：27.18mm。

J5 點(diǎn)：28.61mm；J6 點(diǎn)：26.68mm；J7 點(diǎn)：25.44mm；J8點(diǎn)：34.76mm。

J9 點(diǎn)：35.09mm；J10 點(diǎn)：35.05mm；J11 點(diǎn)：32.47m；J12點(diǎn)：24.91mm。

通常情況下，位移值越大，則具有較好的代表性。因此，擬選取J8、J9、J10、J11 四個最大變形監(jiān)測點(diǎn)開展后續(xù)研究。

通過對深基坑工程的實際監(jiān)測，對其進(jìn)行了30 個時段的變形監(jiān)測，得到監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，4 個觀測點(diǎn)累積變形量均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，并接近警戒值（40mm)，變形空間很小。

為了更好地把握深基坑的變形特性，對以上4個測點(diǎn)進(jìn)行了位移分析，得到了以下結(jié)論:

J8 點(diǎn)：變形速率的范圍0.08mm/d～2.57mm/d，平均變化速率是1.09mm/d。

J9 點(diǎn)：變形速率的范圍0.06mm/d～2.47mm/d，平均變化速率是1.10mm/d。

J10點(diǎn)：變形速率的范圍0.06mm/d～3.63mm/d，平均變化速率是1.10mm/d。

J11點(diǎn)：變形速率的范圍0.06mm/d～3.36mm/d，平均變化速率是1.01mm/d。

根據(jù)以上研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，深基坑在開挖過程中變形量已接近警戒值，位移變化速率很大，且有明顯的變形特點(diǎn)。

3.2 建立預(yù)測模型

為了更好地把握深基坑的變形規(guī)律，建立預(yù)測模型研究其變形特點(diǎn)。極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)模型，其具有操作便捷且準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，本文以該理論為基礎(chǔ)，建立了變形預(yù)測模型。基于ELM原理，得到了其函數(shù)式如式（5）所示[5]：

式中yj代表對深基坑的預(yù)測結(jié)果；βi和wi代表層間連接值；L代表隱層指數(shù)；g(x)代表函數(shù)；bi代表限制值；xj代表樣本數(shù)值；N代表樣本數(shù)量。

經(jīng)過多次的試驗，可以把模型預(yù)測結(jié)果看作是對一個期望值的零差近似，如式（6）所示:

式中ti代表期望值。

將式（6）與式（5）相結(jié)合可得式（7）為：

這樣，式（7）可以用矩陣形式表示為：

式中T、H和β分別代表隱層、輸出和權(quán)重矩陣。

考慮到深開挖面的快速變化特性，ELM 方法不能對其進(jìn)行完整的描述，導(dǎo)致式（7）不能全部等效，存在著一些偏差，誤差矩陣表達(dá)式為：

式中V代表誤差矩陣。

3.3 結(jié)果分析

基于預(yù)測模型的計算結(jié)果，監(jiān)測點(diǎn)的相對誤差范圍如下所示：

J8點(diǎn)：相對偏差在2.01%～2.26%之間，平均數(shù)值在2.13%左右；

J9點(diǎn)：相對偏差在2.05%～2.28%之間，平均數(shù)值在2.14%左右；

J10 點(diǎn)：相對偏差在2.05%～2.33%之間，平均數(shù)值在2.16%左右；

J11 站：相對偏差在2.06%～2.20%之間，平均數(shù)值在2.12%左右。

通過4個觀測點(diǎn)的誤差比較，發(fā)現(xiàn)預(yù)測模型的相對誤差在很小的范圍內(nèi)，其平均數(shù)值也很低，表明ELM預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，通過對4個觀測點(diǎn)的預(yù)測數(shù)據(jù)分析，得出相應(yīng)的結(jié)論：

J832～35 周期預(yù)測變化速率分別為0.63mm/d、0.53mm/d、0.45mm/d、0.52mm/d；

J9 點(diǎn)32～35 周期預(yù)測變化速率分別為0.62mm/d、0.63mm/d、0.45mm/d、0.46mm/d；

J10 點(diǎn)32～35 周期預(yù)測變化速率分別為0.61mm/d、0.40mm/d、0.66mm/d、0.52mm/d；

J11 點(diǎn)32～35 周期預(yù)測變化速率分別為0.49mm/d、0.60mm/d、0.36mm/d和0.68mm/d。

總體而言，4 個測點(diǎn)的后期變形率都是正的，預(yù)示著以后的基坑變形會繼續(xù)增大，但是，由于變形數(shù)值比較低，導(dǎo)致其變化率很低，表明以后的變形將逐漸趨于平穩(wěn)。

4 結(jié)語

基于對處于復(fù)雜環(huán)境下的深基坑進(jìn)行支護(hù)設(shè)計及變形監(jiān)測，得到如下結(jié)論：

（1）基坑區(qū)周圍環(huán)境比較復(fù)雜，根據(jù)工程地質(zhì)條件，確定北側(cè)和東側(cè)的基坑支護(hù)方案為“放坡+土釘墻”，西側(cè)和南側(cè)的基坑支護(hù)方案為“放坡+樁錨”。

（2）深基坑的位移呈逐漸增大的特點(diǎn)，有些監(jiān)測點(diǎn)的位移值偏大，但變形空間較小；根據(jù)變形預(yù)測結(jié)果可知，深基坑后期變形速率都為正值，表明以后的深基坑的變形量仍將增大，但其變化速率數(shù)值比較低，表明深基坑的變形量不大。

（3）通過本項目的研究，把握深基坑的支護(hù)設(shè)計和變形特性，提出變形超過警戒值的解決方案，以便在出現(xiàn)異常情況下，能夠及時處理，防止災(zāi)害。