深基坑分段支護設計及開挖穩定性分析

摘 要：為保障基坑施工安全，以基坑所處地質條件為基礎，對基坑支護進行設計，并采用圓弧滑動法、變形成果分析等評價基坑開挖過程中的穩定性。分析結果表明：當基坑所處近接條件存在差異時，可通過分段設計來保證基坑支護體系的合理性，文中實例將基坑支護設計分為兩個區，其中，Ⅰ區支護措施為“雙排支護樁+錨索”，Ⅱ區支護措施為“單排支護樁+錨索”。同時，經圓弧滑動法計算，Ⅰ區穩定性系數為1.365～1.552，Ⅱ區穩定性系數為1.298～1.498，大于規范規定的1.25，且通過變形分析，得出基坑變形趨于穩定，也在變形控制值范圍內，進一步驗證了基坑開挖過程穩定，為類似工程積累了經驗。

關鍵詞：基坑；支護設計；圓弧滑動法；穩定性分析

中圖分類號：P 642" " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

我國隨著市政建設的快速發展，基坑工程越來越多，且近接環境條件趨于復雜，因此，基坑支護設計顯得格外重要。為驗證基坑支護措施的合理性，評價其開挖過程中的穩定性也是十分必要的[1-2]。目前，許多學者進行相關研究，例如王曉棟[3]闡述了基坑支護的施工技術，羅杰等[4]進行基坑支護的設計優化研究，王炳文等[5]分析了高層建筑基坑支護過程中的變形規律，徐德軍[6]評價了樁錨支護在基坑工程中的加固效果。上述研究雖取得了相應成果，但均未涉及基坑開挖過程中的穩定性分析，因此，以基坑所處地質條件為基礎，先進行基坑支護設計，并采用圓弧滑動法、變形成果分析等評價基坑開挖過程中的穩定性，以期為類似工程提供一定的經驗。

1 工程概況

擬建工程屬商業建筑其建筑總面積約為6×104m2，其中，地上建筑面積約為4.5×104m2，地下建筑面積約為1.5×104m2。該項目對應基坑的平面形態相對不規則（如圖1所示，且圖中j1～j9為基坑變形監測點），具多邊形特征，開挖深度為12.5m，具深基坑特征。

根據現場鉆探成果，基坑區地層自上而下。

1.1 填土層

以雜填土為主，雜色，結構松散，欠壓實，主要由黏性土、砂土、磚塊、砼塊、碎石等組成，均勻性較差，填墊時間預估5～10年，分布厚度2.20～3.85m。

1.2 淤泥、淤泥質土層

灰黑色、深灰色，流塑狀，高壓縮性土，以黏粒為主，含少量腐殖質，局部含少量砂粒，略具腥臭味，局部夾薄層粉細砂，分布厚度為1.10～3.35m。

1.3 粉、細砂層

灰白、灰黃色，飽和，松散～稍密，級配不良，以石英砂粒為主，磨圓較好，呈亞圓狀，局部含少量黏粒，間夾薄層粉質黏土，分布厚度為1.00～3.60m。

1.4 礫砂層

灰黃色，飽和，稍密～中密，級配良好，以石英砂粒為主，磨圓較好，呈亞圓狀，含少量黏粒，分布厚度為2.90～10.90m。

1.5 基巖層

褐紅色，巖性為泥質粉砂巖，強～中風化，砂狀結構，層狀構造，風化裂隙較發育，敲擊聲沉悶，遇水易軟化，最大揭示厚度大于12.3m。

2 基坑分段支護設計

2.1 分段支護措施設計

為保證支護方案經濟合理，提出分段設計基坑支護；結合基坑周邊條件，將j1～j6的支護范圍命名為Ⅰ區，區內主要近接既有建筑為住宅，工程重要性、變形控制要求較高，因此，將此區支護措施設計為“雙排支護樁+錨索”；將j6～j9～j1的支護范圍命名為Ⅱ區，近接為公園、既有道路，無重要建構筑物，變形控制要求相對較低，因此，將其支護措施設計為“單排支護樁+錨索”。

Ⅰ區支護措施：兩排抗滑樁直徑設計為1.0m，中心距3.5m，長23.5m，樁身采用鋼筋混凝土材質，頂部設置冠梁、連梁，尺寸為1.0m×1.0m，也采用鋼筋混凝土材質。同時，沿樁身縱向布置3道錨索，第一道位于冠梁處，向下按2.0m間距進行布設。將錨索長度設計為26m，其中，自由段長度為6m，錨固段長度為20m，孔徑為150mm，入射傾角12°，中心配置鋼絞線，直徑為17.8mm，鎖定荷載為350kN。

Ⅱ區支護措施：該區段支護樁尺寸、冠梁等與Ⅰ區一致，只是支護樁僅設計一排。錨桿也與Ⅰ區一致，第一道也位于冠梁處，第二道與其豎向間距設計為4.0m。

根據上述設計方案，兩個區的支護如圖2所示。

2.2 支護措施設計計算

Ⅰ區支護措施計算：該區段內的基坑邊坡的彎矩為516.22kN?m～519.49kN?m，最大剪力為465.84kN。在基坑邊坡土壓力計算的基礎上，計算支護樁內力，此過程重點是結合樁身軸力N和彎矩M進行配筋，力與所需配筋間的計算過程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：A為支護樁的截面積，mm2；As為受力主筋的截面積，mm2；at、a為支護樁和受力主筋的面積比特征參數；fy為受力主筋的抗拉強度，N/mm2；fc為支護樁的抗壓強度，N/mm2；r、rs為支護樁和受力主筋的半徑，mm。

經計算，該區段支護樁所需受力主筋面積為6870.15m㎡，箍筋面積為502.68mm2。根據計算結果，實際配置16根直徑25mm的受力主筋，配鋼筋面積為7853.92mm2，滿足要求；配置直徑12mm的鋼筋，將間距設計為20cm，配箍筋面積為565.5mm2，滿足要求。

進行錨索設計計算，錨固力與錨桿設計值掛鉤，兩者具正相關關系。錨固力與其設計入射角、地層參數相關。因此，計算錨固力Pt如公式（3）所示。

（3）

式中：F為設計值，kN；a為錨索與滑面夾角，°；β為入射角，°；φ為摩擦角，°。

通過計算，3道錨索所需單孔錨固力計算值為280.16kN～321.52kN，均小于鎖定荷載350kN，滿足要求。

Ⅱ區支護措施計算：類比Ⅰ區計算過程，再對Ⅱ區支護措施進行計算。通過土壓力計算，該區段范圍內的基坑邊坡的彎矩為325.09kN?m～346.75kN?m，最大剪力為428.90kN。

經計算，該區段支護樁所需受力主筋面積為4283.14mm2，箍筋面積為481.65mm2。根據計算結果，實際配置18根直徑18mm的受力主筋，其實配鋼筋面積為4581.00mm2，滿足要求。配置直徑12mm的鋼筋，間距設計為20cm，配箍筋面積為565.5mm2，滿足要求。

同時，計算得到2道錨索所需單孔錨固力計算值為258.97kN～317.19kN，均小于鎖定荷載350kN，滿足要求，且2道錨索的長度為22.46m～24.01m，小于錨索長度設計值26m，也滿足要求。

3 基坑開挖穩定性分析

為充分掌握基坑開挖過程中的穩定性，將分析過程劃分為兩步：采用圓弧法計算基坑防治處理后穩定性系數；以j1～j9監測點的變形數據為基礎，通過變形預測來評價基坑變形發展趨勢，以進一步評價基坑開挖穩定性。

根據規范要求，基坑支護的穩定性要求，其穩定性系數不應小于1.25。

在此計算過程中，Ⅰ區共設計了4個穩定性計算剖面，計算所得穩定性系數依次為1.552、1.365、1.510和1.468，均大于規范規定的1.25，因此，該區支護結構能滿足穩定性要求。Ⅱ區共設計了3個穩定性計算剖面，計算所得穩定性系數依次為1.298、1.498和1.416，也均大于規范規定的1.25，因此，該區支護結構也能滿足穩定性要求。

按照1天1次的監測頻率，得到41期的變形數據，9個監測點的累計變形值見表1。由表1可知，基坑變形為14.79mm～26.05mm，均值為19.99mm，均小于基坑變形控制值35mm，因此，初步說明支護結構的運營效果較好，基坑具有較好的穩定性。

變形越大，其威脅性也越大，因此，對變形最大的3個監測點進行后續變形預測示例性分析，即j1、j3和j9監測點，3者的變形監測成果見表2。

考慮BP神經網絡具有很強的非線性預測能力，因此，對其進行基坑變形預測處理；BP神經網絡包括正向、方向傳播過程。

正向傳播過程：該過程主要是將基坑變形信息從輸入層輸入，并經隱層變換，由輸出層輸出，即通過輸入基坑變形輸入值xj，可以得到隱層輸出值xj'，再通過其變換處理，可以進一步得到最終的基坑變形輸出值yk。因此，可將正向傳播過程劃分為兩步，包括隱層輸出和輸出層輸出，相應計算過程如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：wij、wjk為相應層連接權值；Qj、Qk為相應層閾值；m為輸出節點數，個；n為隱層節點數，個。

當完成正向傳播后，會得到一個輸出值，其與期望值間的誤差越小，說明預測效果越優，反之，預測效果效果越差，從而可構建評價指標誤差值E來衡量預測效果。如公式（6）所示。

（6）

式中：dk為基坑變形預測的期望值，mm。

反向傳播過程：E值越小越好，如果不滿足要求，就有必要進入反向傳播過程。該過程主要是對相應層的連接權值、閾值進行修正，主要操作就是在原有參量基礎上增加一個變量，以改變相應連接權值、閾值參數，調整后的參數如公式（7）所示。

W（t+1）=W（t）+?W " " " "（7）

式中：W（t+1）、W（t）為修正后、修正前的參數值。

在正向、方向傳播過程的逐步優化處理作用下，不斷提高基坑變形的預測精度。

結合以往經驗，將相對誤差作為預測效果評價指標，其值越小，說明基坑變形值與預測值越接近，預測效果越優。

在預測過程中，將38～41期作為驗證集，其后預測3期（即42～44期），結果見表3。由表3可知，3個監測點的預測效果均較優，其中，j1監測點預測結果的相對誤差均值為2.03%；j3監測點預測結果的相對誤差均值為1.98%；j9監測點預測結果的相對誤差均值為2.15%，因此，充分證明了BP神經網絡在基坑變形預測中的適用性。通過42～44期的后續預測，得出3個監測點的變形仍會進一步增加，但增加速率較小，且預測值為21.89mm～26.24mm，說明在后續一段時間，基坑變形仍在可控范圍，基坑穩定性較好。

不論從圓弧法穩定性計算，還是從變形分析，基坑均處于穩定狀態，說明支護措施是切實有效的，為類似工程積累了經驗。

4 結論

通過深基坑分段支護設計及開挖穩定性分析，得出以下結論。1）在基坑支護設計過程中，支護措施有必要結合近接條件進行分區支護設計，因此，將j1～j6的支護范圍命名為Ⅰ區，j6～j9～j1的支護范圍命名為Ⅱ區，兩區支護措施分別為“雙排支護樁+錨索”和“單排支護樁+錨索”。2）在基坑支護條件下，采用圓弧滑動法計算得出基坑處于穩定狀態，且由變形監測成果和預測結果表明，基坑支護條件下的變形控制也較好，充分說明基坑在開挖過程中的穩定性較好，支護措施是切實有效的。

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]王曉棟. 復雜地形下基坑支護與擋土墻結合的設計與施工技術 [J]. 石材， 2023（11）：44-46.

[4]羅杰，陳章龍，董樹山，等. 地鐵深基坑變形監測及支護結構設計優化研究 [J]. 工程建設與設計， 2023（20）：24-26.

[5]王炳文，張瑋鵬. 軟土地區高層建筑深基坑支護工程變形監測分析 [J]. 路基工程， 2023（5）：165-171.

[6]徐德軍. 樁錨支護結構失效后的基坑工程加固設計 [J]. 廣東建材， 2023， 39（10）：49-52.