復雜深基坑支護設計分析及穩定性評價

摘" 要：為確保基坑安全施工，結合基坑所處地質條件、近接條件，先開展基坑支護設計分析，并通過規范公式計算、變形預測等開展基坑穩定性評價。分析結果表明，復雜地質條件、近接條件下的基坑支護設計分析是必要的，結合工程實際，將此文實例基坑的支護形式設計為“支護樁+兩道錨桿”；同時，經基坑支護處理，基坑穩定性系數、抗隆起系數均大于規范相應限值，因此，支護體系滿足規范穩定性及抗隆起要求，且變形預測顯示其變形趨于穩定，變形預測值介于19.68～22.34 mm，小于變形控制值，說明基坑在后續一段時間內的穩定性較好，基坑支護結構的運營條件較好。

關鍵詞：基坑；支護設計；變形預測；穩定性評價；支護結構

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，市政基坑數量不斷增加，其所處地質條件、近接條件也日趨復雜，為確保其安全施工，開展其支護設計分析及穩定性評價顯得格外重要[1-2]。目前，蔡忠祥等[3]開展了軟土區基坑支護設計；袁運濤等[4]開展了預應力支護樁在基坑支護中的應用效果研究；金平等[5]分析了異形基坑支護措施優化。上述研究雖取得了相應成果，但限于基坑所處地質條件、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，此文結合基坑所處地質條件、近接條件，先開展基坑支護設計分析，并通過規范公式計算、變形預測等開展基坑穩定性評價，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。

由現場調查，基坑周邊近接條件相對較為復雜，其中，北側、西側近接既有建筑，屬性為住宅，層數為16層，地下一層，基礎形式為筏板基礎，最小凈距約14.9 m；南側近接既有道路，最小凈距約23.7 m；東側近接公園，無重要建構筑物，最小凈距約29.3 m。

根據鉆探資料，區內地層主要為填土、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，工程性質一般，平均厚度約3.6 m；黏性土主要為褐黃色，可塑，區內廣泛分布，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，泥質膠結，強風化～中風化，局部可見空洞，揭露厚度大于10 m。結合室內試驗及工程經驗，將各類地層的物理力學參數統計見表1。

2" 基坑支護設計分析

經第1節分析，基坑周邊近接條件相對較為復雜，加之開挖范圍內地層條件所具的工程性質也較為一般，因此，開展其支護設計分析是必要的。

2.1" 支護方案設計

由JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》，基坑安全等級為二級，周邊超載設置為一個，荷載值為20 kPa，支護年限設計為2年。

結合工程實際，將其支護形式設計為“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，材質為鋼筋混凝土，混凝土等級為C30，并于頂部設計冠梁，尺寸為0.8 m×1.0 m，也為鋼筋混凝土材質。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。

據上，基坑支護結構示意如圖2所示。

2.2" 支護措施計算

該節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為彎矩設計值（kN）；fy為鋼筋強度值（N/mm2）；at、a為樁和鋼筋的特征參數；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，內力計算顯示錨桿1和錨桿2的設計值分別為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，錨固段設計為10.5 m，自由段設計為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，錨固段設計為9.0 m，自由段設計為5.0 m，實際配筋面積為804.0 mm2，也滿足要求。

3" 基坑穩定性評價

3.1" 評價思路的構建

為確保基坑穩定性評價結果的準確性，一方面，對基坑支護后的穩定性進行評價；另一方面，通過變形預測評價基坑穩定性的發展趨勢。

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

式中：Kw為穩定性計算系數；KL為抗隆起的計算系數；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、內土重度；D為樁嵌入深；q為超載度；Nq、Nc為地基系數。

其次，鑒于BP神經網絡具有較強的非線性預測能力[6]，提出以其實現基坑變形預測，且其原理是通過正、反向重復訓練來提升預測精度，在模型參數中，連接權值、閾值對預測精度具有較大影響，其中，連接權值公式為

式中：wij為輸入層與隱含層間的連接權值；E為誤差平方和；wjk為隱含層與輸出層間的連接權值；η為學習速率。

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神經網絡參數的最優性，進一步利用粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）開展此兩參數的尋優處理，且在其優化過程中，主要是通過更改粒子位置來探究參數變化效果，計算公式為

，" "（7）

式中：vn-1、vn為粒子更新前后的位置信息；w為慣性權重；r1、r2為隨機參數；c1、c2為學習因子。

據式（7），通過粒子位置更新，得到權值、閾值的更新值為

式中：wmax為最大權重，取值為0.85；wmin為最小權重，取值為0.45；tmax為最大迭代次數；t為迭代次數。

據上，將基坑變形預測模型確定為PSO-BP，其預測結果若顯示基坑變形趨于穩定且預測值小于變形控制值35 mm，那么說明基坑在后續一段時間內的穩定性較好。

3.2" 評價結果分析

3.2.1" 基坑支護后的穩定性評價結果

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

其次，再利用式（4）開展抗隆起穩定性評價，得到此基坑KL值為9.125，大于規范要求的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" 基坑變形預測的穩定性評價結果

在基坑監測數據整理過程中，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個變形監測點的累計變形結果見表2。據表2，12個監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個監測點均開展變形預測，因此，選擇變形最大的j4、j8及j10進行后續預測分析，并統計得到此3個監測點的變形數據見表3。

由于預測模型為PSO-BP，存在優化過程，因此先以j4監測點為例，進行優化前后的預測效果對比分析，結果見表4。據表4，在42—45期變形預測結果中，PSO-BP相應節點處相對誤差值均不同程度小于BP相應節點處相對誤差值，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神經網絡參數優化處理的必要性，其處理能有效提高預測精度。據上，在PSO-BP開展其他監測點的變形預測，結果見表5。據表5，3個監測點的預測精度相當，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測效果。

通過3個監測點在46—48期的外推預測，j4監測點在此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個監測點的累計變形具小速率增加特征，但趨于穩定方向發展，加之其始終小于變形控制值的35 mm，滿足設計變形控制要求，因此，說明基坑在后續一段時間內的穩定性較好，基坑支護結構的運營條件較好。

4nbsp; 結論

通過復雜深基坑支護設計分析及穩定性評價，所得結論主要如下。

1）在復雜地質條件、近接條件基礎上，加強基坑支護設計分析是必要的，結合工程實際，將其支護形式設計為“支護樁+兩道錨桿”。

2）在穩定性評價過程中，經基坑支護處理，其滿足穩定性、抗隆起要求，且變形預測顯示其變形趨于穩定，預測值也小于變形控制值，基坑在后續一段時間內的穩定性較好，滿足規范、設計要求。

參考文獻：

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[2] 孫海浩，王園.復雜環境條件下深基坑設計與變形監測分析[J].中國新技術新產品，2023（15）：121-123.

[3] 蔡忠祥，岳建勇，張凱，等.軟土地基文物建筑正下方基坑支護設計與實踐[J].地下空間與工程學報，2023，19（S1）：235-244.

[4] 袁運濤，郭晨濤，李蘇春，等.新型預應力鋼桁架支護樁設計及應用研究[J].建筑結構，2023，53（8）：143-147，142.

[5] 金平，王濤，蔡海兵，等.L形地鐵換乘車站超深基坑支護結構設計優化分析[J].城市軌道交通研究，2023，26（1）：60-64.

[6] 蒙國往，劉家粱，黃勁松，等.基于BP人工神經網絡的深基坑圍護結構水平位移預測研究[J].都市快軌交通，2022，35（3）：80-88.