基于正交試驗砂土地層基坑穩定性參數敏感性分析*

吳 波，張子儀，黃 惟

(1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004； 2.東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013； 3.廣州城建職業學院 建筑工程學院，廣東 廣州 510925)

0 引言

砂土分布在我國大部分地區，屬于敏感性地層，在施工過程中受擾動時易產生液化現象，這對地表建筑及地下結構帶來巨大危害[1]。因砂土層影響基坑的受力情況，在相同基坑參數下，砂土層中的基坑更不穩定，施工風險更大，從宏觀上表現為基坑開挖變形量增大。

基坑穩定性的理論計算方法主要采用極限平衡法，最初由Pettersson提出將瑞典圓弧法用于邊坡穩定性分析，但該法未考慮土條間的相互作用力；Fellenius[2]逐漸完善瑞典圓弧法，將其應用到需考慮摩擦力和黏結力的土壤中；Terzaghi[3]在此基礎上發展極限平衡法，用于基坑穩定性分析。學者們對基坑穩定性的影響因素進行大量研究。陳鴻志等[4]提出土方超挖或欠挖會破壞原本支護體系，使得基坑或工程樁單向不均衡受力從而威脅基坑的穩定性?；诂F有數值方法的計算中未充分考慮地下水滲流影響因素[5]，王傳霖[6]通過建立模型研究發現降水能夠使得粉質黏土地層的摩擦角和黏結力提高，從而降低圍護結構的受力，同時，對土體進行加固處理能夠增加其強度，有效提高基坑穩定性；何應道[7]基于流固耦合數值模擬分析方法研究得到地層滲透系數的改變對基坑底板隆起的影響較大，對墻后地表沉降和地連墻水平位移的影響較??；黃湖亮[8]研究發現基坑寬度越小，插入比越大，土體參數越好，對基坑的整體穩定性提高越明顯；鐘俊輝等[9]提出基坑周圍軟土深度與基坑深度比值越大，墻體最大水平位移對應深度與基坑深度比值也越大，且對土體進行加固能夠控制變形的發展；王峻科等[10]通過有限元分析得出增加基坑支護插入深度和墻體剛度均能減小變形，提高基坑的穩定性，但這種作用達到一定程度后不再顯著；贠永峰等[11]通過對基坑開挖過程的實時安全評判得出深層土體開挖會引起較大的圍護墻位移和土體沉降。對于砂土等軟土地層深基坑穩定性的研究方面，彭林[12]利用Midas GTS研究在易觸變性土層中不同插入比對地連墻和鋼支撐的影響，提出地連墻墻頂水平和豎向位移隨地連墻插入比增大基本呈減小趨勢，地連墻墻體水平位移和鋼支撐軸力隨地連墻插入比增大基本呈逐漸增大的趨勢；夏建中等[13]通過研究發現軟土地區基坑內的土體加固能夠有效減少地表沉降，在一定范圍內加固程度越大，沉降越小，超過該范圍則變化幅度不再明顯。

現有研究主要是針對圍護結構、開挖土層和基坑本身的相關參數，從變形情況和安全系數[14-15]2方面對基坑穩定性情況展開研究。但關于系統的多因素耦合作用對基坑穩定性的具體影響方式鮮有研究，尤其是針對砂土層。本文利用正交試驗結果對砂土地層中的基坑開挖實例中的相關參數量化指標進行分析，從而得到各參數對基坑穩定性的影響方式和影響程度大小。

1 正交試驗設計

正交試驗基于正交拉丁方法設計，能夠通過部分試驗代替全部試驗[16]，對部分試驗的結果進行分析，從而了解全部試驗的情況，可大大減少人力物力的消耗。本文用基坑開挖到底時的支擋水平位移、地表沉降值和基坑坑底隆起值的最大值來衡量基坑的穩定性，根據研究現狀內容選取基坑深度、地下水位、圍護結構插入比(以下簡稱插入比)、土體加固系數、鋼支撐數量和支擋強度6個基坑開挖設計參數作為影響因素，設計L25(56)的正交試驗，見表1。

表1 正交試驗的因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 試驗結果與分析

采用Midas GTS NX軟件模擬基坑開挖過程，試驗中土層參數采用砂土的一般性質，土層參數見表2。

表2 模型土層參數Table 2 Soil stratum parameters of model

基坑寬度統一為20 m，為確保模型收斂，所有模型均架設1道混凝土撐，位于地面以下0.5 m處，鋼支撐均勻架設，各支撐之間的間距相同。結構參數見表3。

特別說明的是，部分試驗號的施工參數與實際不太相符，且結果未滿足基坑變形的控制值，這是因為本次試驗僅作為通用性分析，并不針對某一實際工程，因此結果仍是可取的。以試驗3為例，模型如圖1所示。正交試驗結果見表4。

表3 結構參數Table 3 Structural parameters

圖1 正交試驗模型示意Fig.1 Schematic diagram of orthogonal test model

表4 正交試驗方案及結果Table 4 Scheme and results of orthogonal test

模擬過程中僅改變影響因素，其他條件不變。其中地下水位表示地下水距離開挖面的距離，在施工階段中定義；土體加固系數則通過土體的模量和抗剪強度指標分別乘以相應系數來反映。

2.1 極差分析

根據表4的正交試驗結果，采用直觀分析法(極差分析法)對其進行分析。具體步驟如下：

1)根據表1中劃分的正交試驗水平，計算各因素第i(i=1,2,3,4,5)水平下的考核指標數值之和Kzi(支擋水平位移),Kdi(地表沉降值),Kki(坑底隆起)；

1)支擋水平位移

表5 支擋水平位移極差分析結果Table 5 Range analysis results of horizontal displacement of retaining wall

表6 地表沉降值極差分析結果Table 6 Range analysis results of surface settlement value

表7 坑底隆起值極差分析結果Table 7 Range analysis results of uplift value of pit bottom

2)地表沉降

3)坑底隆起

但是由極差分析所得的最優水平組合并非實際的最優組合，在實際工程中還需結合施工難易度、經濟效益等方面綜合考慮。

2.2 方差分析

方差分析能夠彌補試驗水平和誤差對試驗結果的影響。進行方差分析時，因為正交試驗無額外誤差列，所以將影響程度最小即R值最小的1列作為誤差列考慮。因此，支擋水平位移、地表沉降和坑底隆起的誤差列分別為因素Ⅲ、因素Ⅲ和因素Ⅴ，方差分析結果見表8。

表8 正交試驗方差分析結果Table 8 Variance analysis results of orthogonal test

表8(續)

定義顯著程度S為：若FF0.01(4,4)，則S=3，為主導影響因素。由于誤差列選取的是影響程度最小的因素，認定為對指標無顯著影響，取S=0。通過表8可以看出：對于支擋水平位移，基坑深度、地下水位和支擋強度是主導影響因素，土體加固系數和鋼支撐數量是一般影響因素，插入比對其無顯著影響；對于地表沉降，基坑深度是主導影響因素，地下水位是次要影響因素，支擋強度是一般影響因素，插入比、土體加固系數和鋼支撐數量對其無顯著影響；對于坑底隆起，基坑深度、地下水位和插入比是主導影響因素，支擋強度是次要影響因素，土體加固系數是一般影響因素，鋼支撐數量對其無顯著影響。

3 基坑穩定性參數敏感分析

為綜合考慮各因素對基坑穩定性的影響大小，將3個考核指標下各因素的顯著程度值S進行代數相加，其代數和結果越大則表明該因素對基坑穩定性的影響程度越大，結果見表9。

由表9可知，影響基坑穩定性的因素按影響程度從大到小排序為：基坑深度、地下水位、支擋強度、插入比、土體加固系數、鋼支撐數量。同時能夠得到，砂土層地區的深基坑開挖工程的開挖深度以及地下水是影響其穩定性的關鍵因素，在實際工程中需尤為關注此2個因素，當基坑深度確定時，可以通過調整降水方案和圍護結構強度達到提高基坑穩定性的目的。

表9 基坑穩定性參數敏感分析結果Table 9 Sensitivity analysis results of stability parameters of foundation pit

4 結論

1)選取支擋水平位移、地表沉降和坑底隆起的最大值作為基坑的穩定性指標，各因素對其影響主次分別為：基坑深度>地下水位>支擋強度>鋼支撐數量>土體加固系數>插入比；基坑深度>地下水位>支擋強度>土體加固系數>鋼支撐數量>插入比；基坑深度>地下水位>插入比>支擋強度>土體加固系數>鋼支撐數量。

2)支擋水平位移的主導影響因素為基坑深度、地下水位和支擋強度，一般影響因素為土體加固系數和鋼支撐數量；地表沉降的主導影響因素為基坑深度，次要影響因素為地下水位，一般影響因素為支擋強度；坑底隆起的主導影響因素為基坑深度、地下水位和插入比，次要影響因素為支擋強度，一般影響因素為土體加固系數。

3)綜合考慮下，各因素對基坑穩定性的影響主次排序為：基坑深度>地下水位>支擋強度>插入比>土體加固系數>鋼支撐數量。

4)在實際砂土地層基坑施工工程中，開挖深度較大時可以采取分段放坡開挖的方式，防止深層開挖引起較大的變形；對于含水量較高的砂層，需要采取一定的降水、排水措施，保持基底干燥，提高基坑穩定性，預防流砂、突涌等風險事故的發生。

5)從施工參數設計層面考慮，增加支擋結構強度和入土深度是控制砂土地層基坑穩定性較為經濟有效的措施。