軟土區基坑支護設計及變形控制效果評價

周 冬

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000）

0 引言

由于市政工程建設的快速發展，基坑工程數量越來越多，其中，軟土區基坑的工程性質相對較差，其施工安全就更為重要，因此，開展軟土區基坑支護設計及變形控制效果評價具有重要意義[1-2]。目前，江煥釗等[3]對環形基坑的支護設計及監測成果進行了分析研究；曹程明等[4]探究了偏壓條件下的基坑內支撐設計及變形規律；金平等[5]開展了異形基坑的支護設計優化；李章杰等[6]研究了多級支護手段在基坑支護的應用效果。據上述研究，一方面，體現了開展基坑支護設計及其變形控制效果研究的重要性；另一方面，限于基坑所處環境條件的差異性，仍有必要結合工程實際開展針對性分析。因此，筆者以軟土基坑為實例背景，先開展其支護設計，再結合基坑施工過程中的變形監測成果，通過變形量統計分析和預測分析來開展基坑支護后的變形控制效果評價，以期為現場施工提供一定的理論依據。

1 工程概況

此項目基坑隸屬住宅建筑，其上部樓層設計22層，下設3層地下室，擬用地面積46 952m2，其中，基坑平面近似呈“矩形”，如圖1所示。面積為43 500m2，設計開挖深度為11.5m，開挖方量約50×104m3，屬深大基坑，如圖1所示。

圖1 基坑平面形態示意圖

據調查成果，基坑區周邊近接情況為：基坑北側、東側均是近接道路或既有建筑，其已修建約4年，道路寬度約26m，且兩側道路與基坑最小凈距介于16.5～24.8m；西側近接既有建筑，其為居民樓，層數為20層，基礎形式為樁基，樁基長度約15m；南側未見近接建、構筑物。

由鉆探資料，基坑區地層自上而下依次為填土層、粉質黏土層及卵石層，其中，粉質黏土層屬基坑施工范圍內主要地層，均勻性較好，可塑狀，局部為軟塑，工程性質較差，屬基坑開挖范圍內的主要地層，因此，此滑坡屬軟土區。

2 基坑支護設計

2.1 支護方案設計

結合第1章工程案例，基坑周邊建筑物較為復雜，加之開挖地層以軟土為主，工程性質相對較差，開展基坑支護設計就顯得格外重要。

為實現針對性優化處理，對基坑進行分區支護設計；結果如圖1所示，按順時針計，將C9～C1觀測點范圍設置為Ⅰ區，C1～C5觀測點范圍設置為Ⅱ區，C5～C9觀測點范圍設置為Ⅲ區，則區基坑支護設計為：

（1）Ⅰ區。由于此區與既有建筑臨近，為保證臨近建筑的穩定，將支護形式設計為“雙排支護樁+錨索”。在支護樁設計過程中，前排樁樁徑為1.2m，中心距設計為2.6m，樁長18.5m，樁身材質為鋼筋混凝土，強度等級為C35；后排樁尺寸、結構與前排樁一致。為保證兩排樁的穩定，在其樁頂設計冠梁，設計尺寸為1.2m×0.8m，梁身材質為鋼筋混凝土，強度等級為C35。在錨索設計過程中，共計設計3道錨索，其中，第一道錨索位于冠梁處，其長度設計為27m，直徑為35cm，中心鋼絞線直徑為17.8mm；其后錨索尺寸、材質與第一道錨索一致，且錨索間豎向間距為2.5m。

（2）Ⅱ區。由于此區只是臨近既有道路，鑒于既有道路的工程重要性相對略低，因此，將此區支護形式設計為“單排支護樁+錨索”。在支護樁設計過程中，樁徑尺寸與Ⅰ區樁一致；在錨索設計過程中，共計設計4道錨索，其尺寸亦是與Ⅰ區錨索一致，錨索間豎向間距也為2.5m。

（3）Ⅲ區。由于此區不存在近接建筑物，從經濟角度出發，將此區支護形式設計為“放坡+土釘墻”。在坑頂上部進行放坡，放坡坡度設計為1:1.25，下部土釘墻厚度為35cm，土釘長度6.0，直徑設計為20cm，中間插入HRB335鋼筋，直徑為16mm。

結合各區支護設計方案，將其支護措施示意圖表示如圖2所示。

圖2 各區支護措施示意圖

2.2 支護措施計算

為合理評價各區支護措施的合理性，從內力計算和穩定性計算均進行評價，且結合基坑支護結構的分區特征，對Ⅰ區和Ⅱ區均進行此兩方面計算，Ⅲ區僅進行穩定性計算。

（1）Ⅰ區計算結果

先利用彈性法開展樁內力計算，結果為：坑內、外最大彎矩計算值分別為462.58kN·m和412.85kN·m，最大剪力計算值為243.54kN。

據內力計算結果，再進一步開展樁配筋計算，此過程主要由軸力N和彎矩M進行計算，公式為：

式中：A為樁面積（mm2）；As為鋼筋面積（mm2）；at、a為面積比參數；fy為鋼筋設計值（N/mm2）；fc為樁身抗壓強度（N/mm2）；r、rs為樁半徑、鋼筋半徑（mm）

通過計算，單根支護樁共計配置28根鋼筋，直徑為20mm，等級為HRB335級，且箍筋直徑設計為14mm，采用螺旋箍形式。按照配筋，再反向計算坑內、外最大彎矩計算值為495.92kN·m，最大剪力計算值為305.66kN，均滿足設計要求。

其次，再開展支護結構的穩定性計算，公式為：

式中：Kw為穩定性系數，Ma為傾覆彎矩；Mp為抵抗彎矩

為保證穩定性計算結果的全面性，將基坑開挖工況設置為3個，其中，工況1為第一道錨索施工后；工況2為第一道錨索施工后；工況3為第一道錨索施工后。經統計，得到此區3個工況的計算結果為：

工況1的計算結果：Kw1=21583.04/1462.82= 14.75≥1.25（1.25為規范規定的數值）。

工況2的計算結果：Kw2=18548.54/1462.82= 12.68≥1.25。

工況3的計算結果：Kw3=16932.79/1462.82= 11.58≥1.25。

經計算，各類工況條件下的穩定性均滿足規范要求。

（2）Ⅱ區計算結果

Ⅱ區計算過程與Ⅰ區一致，計算公式不再贅述。首先，計算得到此區坑內、外最大彎矩計算值分別為434.82kN·m和392.76kN·m，最大剪力計算值為227.91kN。

通過計算，單根支護樁共計配置24根鋼筋，直徑為22mm，等級為HRB335級，且箍筋直徑設計為14mm，采用螺旋箍形式。按照配筋，再反向計算坑內、外最大彎矩計算值為482.07kN·m，最大剪力計算值為286.49kN，均滿足設計要求。

其次，也再根據式（3）進行支護結構的穩定性計算，并將此區開挖工況設置為4個，各工況依舊是相應錨索施工后，再經計算統計，得到4個工況的計算結果為：

工況1的計算結果：Kw1=22158.00/1462.82= 15.15≥1.25（1.25為規范規定的數值）。

工況2的計算結果：Kw2=18652.71/1462.82= 12.75≥1.25。

工況3的計算結果：Kw3=17105.22/1462.82= 11.69≥1.25。

工況4的計算結果：Kw4=13894.89/1462.82= 9.50≥1.25。

經計算，Ⅱ區各類工況條件下的穩定性均滿足規范要求。

（3）Ⅲ區計算結果

此區主要開展支護結構的穩定性計算，且計算工況設置為兩個，其中，工況1為上部放坡施作后；工況2為施工至坑底處。經統計，得到此區兩個工況的計算結果為：

工況1的計算結果：Kw1=20546.27/1534.49= 13.39≥1.25（1.25為規范規定的數值）。

工況2的計算結果：Kw2=15482.15/1534.49= 10.09≥1.25。

經計算，Ⅱ區各類工況條件下的穩定性均滿足規范要求。

據上述計算，得到3個分區支護措施均滿足內力計算及穩定性計算要求，初步驗證了各區支護措施的合理性。

3 基坑變形控制效果評價

3.1 評價方法的構建

由于基坑變形具顯著非線性特征，提出通過極限學習機（Extreme Learning Machine,ELM）構建其預測模型[7]。據ELM原理，其數學形式的訓練函數為：

式中：yj為輸出值；L為隱層個數；g（x）為激勵函數；βi、wi為各層間的連接權值；bi為閾值；xj為輸入值。

按照ELM的訓練思路，其預測結果可按零誤差實現，即：

式中：N為驗證樣本數；tj為實測值

通過變形預測即可開展基坑變形控制效果評價，若基坑變形在控制變形值范圍內，且具收斂趨勢，那么進一步說明基坑支護措施是合理有效的。

3.2 評價結果分析

為有效掌握基坑施工過程中的變形特征，筆者重點統計了10個觀測點的變形值，并統計得到其28期變形監測成果。經統計，10個觀測點的累計變形值如下：

C1觀測點：14.62mm；C2觀測點：13.08mm；

C3觀測點：19.68mm；C4觀測點：12.05mm；

C5觀測點：14.13mm；C6觀測點：14.10mm；

C7觀測點：18.92mm；C8觀測點：16.13mm；

C9觀測點：17.54mm；C10觀測點：13.18mm。

據上，10個觀測點的變形值范圍為12.05～ 19.68mm，均在控制值范圍內（變形控制值為35mm）。

為有效評價基坑變形的后續發展特征，提出以C3、C7和C9觀測點作為后續分析的數據來源。經統計，得到此3個觀測點的28期變形數據如表1所示。

表1 3個觀測點的28期變形數據（單位：mm）

由表1可知，3個觀測點的變形雖不斷增加，但C3觀測點的累計變形值為19.68mm，C7觀測點的累計變形值為18.92mm，C9觀測點的累計變形值為17.54mm，與變形控制值對比，還有一定的變形空間。

結合3.1節思路，利用ELM開展基坑變形預測，其預測結果見表2，且為便于描述，將預測值用指標K代替，相對誤差用指標N代替，其主要用于評價預測精度，其值越小，預測精度越高。據表2，3個觀測點的預測結果參數為：

表2 基坑變形預測結果

C2觀測點。N值范圍1.97%～2.14%，平均值為2.06%。

C7觀測點。N值范圍1.99%～2.21%，平均值為2.06%。

C8觀測點。N值范圍2.05%～2.18%，平均值為2.11%。

總體來說，3個觀測點的預測精度響度，均具較優的預測效果，說明ELM在基坑變形預測中的適用性較強。

據ELM在29～32期的外推預測結果，3個監測點的變形值雖還會增加，但增加幅度明顯減小，說明其變形后續趨于穩定，即具收斂趨勢，進一步說明基坑支護措施是合理有效的。

4 結論

通過軟土區基坑支護設計及變形控制效果評價，主要得出如下結論：

（1）基坑周邊建筑物較為復雜，加之開挖地層以軟土為主，工程性質相對較差，因此，對基坑進行分區支護設計，其中，Ⅰ區支護形式設計為“雙排支護樁+錨索”；Ⅱ區支護形式設計為“單排支護樁+錨索”；Ⅲ區支護形式設計為“放坡+土釘墻”。

（2）基坑各觀測點的現有變形量均在變形控制值范圍內，且ELM在基坑變形預測中的適用性較強，并由29～32期的外推預測結果可知，3個監測點的變形值雖還會增加，但增加幅度明顯減小，進一步說明基坑支護措施是合理有效的。