基坑穩(wěn)定性分析與支護(hù)設(shè)計(jì)

謝偉銘

[摘要]本文對(duì)基坑穩(wěn)定性有所影響的幾個(gè)重要因素進(jìn)行了分析，并對(duì)基坑穩(wěn)定性及其驗(yàn)算方式進(jìn)行了總結(jié)。之后對(duì)在進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)的過程中，可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行探討，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)如何對(duì)基坑支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)研究，得出有效的優(yōu)化基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法。

[關(guān)鍵詞]基坑支護(hù) 基坑穩(wěn)定性 支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

[中圖分類號(hào)] TD352 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-3-382-2

0引言

對(duì)分布在基坑開挖面上的荷載進(jìn)行卸載的過程就是基坑開挖，變形場(chǎng)和地基場(chǎng)會(huì)隨著土體不斷從坑內(nèi)挖出，會(huì)不斷有不同程度的變化出現(xiàn)，地基整體的穩(wěn)定性可能會(huì)由于二者的變化而產(chǎn)生變化。最近幾年以來，城市基坑坑底涌砂、隆起以及邊坡失穩(wěn)情況也時(shí)常發(fā)生。對(duì)于基坑失穩(wěn)的發(fā)生有時(shí)十分突然，也可以經(jīng)過較長時(shí)間十分緩慢地發(fā)生，盡管如此失穩(wěn)問題的發(fā)生也不是沒有緣由的自行發(fā)生的，外荷載、暴雨和振動(dòng)或是其他人為因素都可以導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。因此對(duì)基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算是在設(shè)計(jì)基坑支護(hù)之前所必需進(jìn)行的步驟，如有必要?jiǎng)t需要采取一定的措施對(duì)基坑進(jìn)行加強(qiáng)，以此來保證地基整體的安全穩(wěn)定性不受影響。最近幾年，伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，有大量的地下空間、大型市政設(shè)施以及高層建筑的建設(shè)，使得基坑工程的數(shù)量也隨之不斷增加。在開挖基坑的過程中地下管線、市政設(shè)施以及周圍建筑物都會(huì)因之受到不同程度的影響。所以要保證周邊環(huán)境和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定就需要對(duì)如何建立一個(gè)穩(wěn)定的基坑和設(shè)計(jì)基坑支護(hù)進(jìn)行深入的研究考慮。其次，在整個(gè)工程造價(jià)之中有三分之一的資金被用于建筑工程中的基礎(chǔ)工程，且在整個(gè)施工過程中也有大部分時(shí)間被用于基礎(chǔ)工程，所以對(duì)所設(shè)計(jì)的基坑結(jié)構(gòu)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化可以對(duì)被用于基礎(chǔ)工程上的資金很大程度地得到節(jié)省，最大程度地提高社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)于基坑的整體穩(wěn)定性以及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)基坑的支護(hù)進(jìn)行了分析，這對(duì)于維持整個(gè)基礎(chǔ)工程的穩(wěn)定以及控制工程造價(jià)有著十分重要的意義。

1穩(wěn)定性分析

1.1基坑的整體穩(wěn)定性分析

在對(duì)基坑進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，如果驗(yàn)算對(duì)象是有支護(hù)的基坑或是已經(jīng)進(jìn)行放坡開挖的基坑，應(yīng)使用諸如條分法的圓弧滑動(dòng)法。在對(duì)有支護(hù)的基坑使用這一方法進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，對(duì)于地基的整體抗滑穩(wěn)定性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該將墻面與外側(cè)的錨拉以及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相互垂直的特點(diǎn)考慮在內(nèi)，在這一情況中滑動(dòng)面的圓心通常位于擋土墻上方，與擋土墻內(nèi)側(cè)靠近，這一點(diǎn)與驗(yàn)算邊坡穩(wěn)定性的圓弧滑動(dòng)相區(qū)別；而當(dāng)驗(yàn)算的基坑已經(jīng)進(jìn)行放坡開挖工作時(shí)，像水位差之類由于土方開挖而造成的基坑內(nèi)外壓力差是引起邊坡失穩(wěn)的主要因素。一般情況下，在進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)首先需要確定最小安全系數(shù)和最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。如果要將內(nèi)支撐作用考慮在內(nèi)，一般不會(huì)有整體穩(wěn)定破壞的情況發(fā)生。所以在驗(yàn)算設(shè)有多道內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以不對(duì)整體滑動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)算，若對(duì)只設(shè)有一道內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，則需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。

1.2基坑的抗?jié)B穩(wěn)定性驗(yàn)算

在受到較大的動(dòng)水壓力的作用后，很容易有管涌的情況出現(xiàn)在有較大深度的基坑當(dāng)中。存在于土中的細(xì)小顆粒在滲流水的作用下會(huì)隨著水流被沖走，使地下土層的空隙逐漸增大，形成像管道一樣的滲流通道，這種現(xiàn)象就是管涌。在開挖基坑期間，基坑內(nèi)外可能會(huì)因?yàn)榻邓脑蛴休^大的水力梯度出現(xiàn)，由此出現(xiàn)較大滲流力，如果不進(jìn)行有效處理，則管涌和流砂等問題在坑底或是坑壁出現(xiàn)的可能性會(huì)大大增加，致使周圍建筑物毀壞或是基坑破壞。所以在工程實(shí)踐中為降低滲流力對(duì)基坑的影響，通常會(huì)將水帷幕設(shè)置在基坑四周。

1.3基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性分析

在眾多計(jì)算穩(wěn)定性的公式中，在對(duì)抗隆起的安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，通常只給出純砂土（c=0）或是純粘土（φ=0）中的一個(gè)，但卻很少有二者同時(shí)出現(xiàn)的情況出現(xiàn)，通常情況下在土體抗剪強(qiáng)度中粘性土很明顯應(yīng)該包含和的因素。以太沙基和普朗特爾的地基承載力公式為參考，我國相關(guān)領(lǐng)域的專家將墻底面所在平面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面，在驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性時(shí)建議使用下列公式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)墻體的插入深度進(jìn)行計(jì)算：

在上式中，Nq、Nc代表地基承載力的計(jì)算系數(shù)；γ代表墻或樁頂面到底處各土層之間的加權(quán)平均重度，單位為kn/m3，φ代表墻或樁底面處土層的內(nèi)摩擦角，單位為“°”；c代表墻或樁底面處土層的凝聚力，單位為kPa；H代表基坑的開挖深度，用m作單位；D代表墻或樁的嵌入長度，以m為單位；q代表基坑頂面的地面超載。

采取普朗特爾公式 ：

使用太沙基公式：

2基坑支護(hù)工程實(shí)踐

本次參考的基坑工程的地質(zhì)條件如圖1所示，本工程的支護(hù)方式為土釘支護(hù)，參照相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)這一情況進(jìn)行分析，假設(shè)土釘?shù)膬A角和長度在各層是相等的，有著均勻的垂直間距和水平間距，在這種情況下，土釘在垂直和水平方向的間距以及土釘?shù)膬A角和長度便是在對(duì)基坑支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要優(yōu)化的參數(shù)。建立這一基坑工程的學(xué)習(xí)樣本，借助支持向量機(jī)學(xué)習(xí)建立基坑安全系數(shù)與待優(yōu)化參數(shù)（即土釘在垂直和水平方向的間距以及土釘?shù)膬A角和長度）之間的非線性關(guān)系，計(jì)算安全系數(shù)與支持向量機(jī)預(yù)測(cè)值之間的比較如圖2所示，通過圖2可以看出基坑安全系數(shù)與待優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)之間的映射關(guān)系可以通過這一向量機(jī)模型得到很好的表達(dá)；基于這一關(guān)系之上，對(duì)基坑支護(hù)參數(shù)使用微粒群算法進(jìn)行優(yōu)化，最終可以獲得如下的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：土釘?shù)膬A角為13.40°，垂直方向土釘?shù)拈g距為1.37m，水平方向上土釘?shù)拈g距為1.39m，土釘長度為13m，這一方式的整體優(yōu)化過程如圖3所示。盡管如此，上述所得的參數(shù)僅在理論上可以成立，在實(shí)際施工過程中可以在這一參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3結(jié)束語

綜上所述，本文初步分析了影響基坑穩(wěn)定性的各項(xiàng)因素，同時(shí)初步研究了如何演算和分析基坑穩(wěn)定性，強(qiáng)調(diào)了在分析基坑穩(wěn)定性的過程中計(jì)算基坑抗隆性的重要性。對(duì)于現(xiàn)階段的建筑施工過程中，優(yōu)化基坑設(shè)計(jì)有著十分重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)價(jià)值，然而由于這一問題十分復(fù)雜，很難通過傳統(tǒng)的方式進(jìn)行解決，本文所參照的工程實(shí)例中，所采取的微粒群算數(shù)法與支持向量機(jī)法相結(jié)合的綜合優(yōu)化方法能夠?qū)踩禂?shù)與支護(hù)參數(shù)之間所存在的映射關(guān)系通過支持向量機(jī)進(jìn)行表示，避免了在優(yōu)化期間安全系數(shù)計(jì)算程序的重復(fù)使用，很大程度的提高了工作效率，同時(shí)通過微粒群算數(shù)法對(duì)優(yōu)化基坑支護(hù)的模型進(jìn)行求解，這一方法可以很大程度地提高工作效率，并且節(jié)省人力資源耗費(fèi)。除此以外，這一方法對(duì)于其它類型地支護(hù)設(shè)計(jì)也同樣適用。盡管如此，并不代表這一方法完美無缺，對(duì)于基坑穩(wěn)定性以及支護(hù)設(shè)計(jì)方面的研究仍需繼續(xù)。

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