巖溶區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

摘 要：為保證巖溶區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，以該區(qū)內(nèi)基坑地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，先進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，并通過經(jīng)驗(yàn)公式、變形預(yù)測對基坑支護(hù)后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：基坑近接條件存在一定差異，單一治理措施不合理，即采用分區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)，區(qū)1、區(qū)2的基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)分別為“支護(hù)樁+內(nèi)支撐梁、格構(gòu)柱”和“支護(hù)樁+兩道錨桿+內(nèi)支撐梁、格構(gòu)柱”。在基坑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果中，整體穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，加之基坑后續(xù)變形趨于收斂，充分驗(yàn)證了基坑設(shè)計(jì)的合理性，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：巖溶；基坑支護(hù)設(shè)計(jì)；變形預(yù)測；穩(wěn)定性分析

中圖分類號：P 642" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ：A

在基坑施工過程中，基坑支護(hù)與其施工安全密切相關(guān)，尤其是在巖溶區(qū)，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)顯得更加重要，因此，巖溶區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析具有重要意義[1-2]。目前，不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，岳立章[3]探究了土釘墻和支護(hù)樁在基坑支護(hù)中的聯(lián)合應(yīng)用效果，禹澤云[4]分析了基坑支護(hù)中的加固技術(shù)，陶陽[5]研究了基坑支護(hù)過程中的常見問題，并提出了對應(yīng)處理措施。上述研究充分說明基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的必要性，但較少涉及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性的聯(lián)合分析。因此，該文以巖溶區(qū)內(nèi)基坑地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，先進(jìn)行其支護(hù)設(shè)計(jì)，并通過經(jīng)驗(yàn)公式、變形預(yù)測對基坑支護(hù)后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以期指導(dǎo)現(xiàn)場施工，并為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目為商業(yè)建筑，用地面積為5521.25㎡。在建筑修建過程中，配套基坑近似矩形，開挖深度為11.6m，屬深基坑（如圖1所示）。

根據(jù)勘察資料可知，區(qū)內(nèi)地層自上而下依次為填土層、粉質(zhì)黏土層和灰?guī)r層，其中，填土層主要由粉砂巖碎屑、粉質(zhì)黏土組成，結(jié)構(gòu)松散，回填時間已超過5年，分布厚度為1.3～3.0m，粉質(zhì)黏土層多呈褐黃色，切面光滑，強(qiáng)度中等，巖芯采取率較高，具有較優(yōu)的均勻性，分布厚度為3.5～4.8m，灰?guī)r層主要為青灰色，強(qiáng)～中風(fēng)化，巖芯采取率較高，溶蝕也較為發(fā)育，形成了規(guī)模不一的溶洞，多由黏性土充填或局部充填。

在基坑近接條件方面，基坑北側(cè)、西側(cè)以及東側(cè)均近接既有建筑，均是高度為6層～12層的住宅，基礎(chǔ)形式為天然基礎(chǔ)，無地下室，南側(cè)為近接道路，為雙向4車道，已運(yùn)營多年。

基坑區(qū)亦屬巖溶區(qū)，且坑底位于灰?guī)r深度范圍內(nèi)，因此，對其支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性進(jìn)行分析具有重要意義。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

由于基坑近接條件存在一定差異，單一治理措施不合理，因此，結(jié)合基坑現(xiàn)場條件，將其支護(hù)范圍進(jìn)行分區(qū)，其中，區(qū)1為基坑南側(cè)（即圖1中B1～B3監(jiān)測點(diǎn)），區(qū)1為基坑北側(cè)、西側(cè)及東側(cè)（即圖1中B1～B3監(jiān)測點(diǎn)以外的地區(qū)）。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，將區(qū)1的基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)為“支護(hù)樁+內(nèi)支撐梁、格構(gòu)柱”，區(qū)2的基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)為“支護(hù)樁+兩道錨桿+內(nèi)支撐梁、格構(gòu)柱”。

兩區(qū)支護(hù)樁尺寸是一致的，長度設(shè)計(jì)為19m，包括懸臂段11.6m，嵌固段7.4m，直徑為0.8m，采用鋼筋混凝土，頂部設(shè)置冠梁，其尺寸為1.0m×1.0m。

內(nèi)部支撐梁、格構(gòu)柱均是采用鋼筋混凝土，其目的主要是維持基坑支護(hù)措施的穩(wěn)定，其材質(zhì)也均為鋼筋混凝土，兩者尺寸均為0.5m×0.5m。

錨桿1和錨桿2長度為7m，中部設(shè)計(jì)直徑32mm鋼筋，錨桿直徑為為91mm，充填物為M30水泥砂漿，沉渣段長度30cm，鎖定值200kN，錨頭設(shè)計(jì)為0.4m×0.4m。

基坑支護(hù)方案如圖2所示。

2.2 支護(hù)措施計(jì)算

在2.1節(jié)基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算支護(hù)樁、錨桿。

2.2.1 支護(hù)樁計(jì)算結(jié)果

支護(hù)樁是基坑支護(hù)的主要措施，其穩(wěn)定性是非常重要的，因此，按不利原則對兩區(qū)支護(hù)樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。通過經(jīng)典法計(jì)算得到基坑區(qū)內(nèi)的最不利彎矩值為318.72kN?m，最不利剪力為187.16kN，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行支護(hù)樁配筋計(jì)算，如公式（1）所示。

（1）

式中：M為最不利彎矩值；at、a為樁和鋼筋的特征參數(shù)； fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度；As、A為鋼筋、支護(hù)樁的截面積，mm2；rs、r為鋼筋、支護(hù)樁的半徑，mm；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度。

通過公式（1）計(jì)算支護(hù)樁的配筋，支護(hù)樁所需主筋、箍筋面積分別為6428.798mm2和513.01mm2，因此，配置主筋18根直徑22的鋼筋，實(shí)配面積為6841.8mm2，配置直徑12mm的箍筋，間距20cm，實(shí)配面積為565.5mm2，均滿足要求。

2.2.2 錨桿計(jì)算結(jié)果

在區(qū)2錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的過程中，其所需的最大反力為178.28kN，計(jì)算錨桿錨固力的計(jì)算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：Pt為錨桿錨固力，kN；a為滑面與錨桿夾角，°；β為錨桿入射角，°；φ為土體摩擦角，°。

按照公式（2）計(jì)算錨桿錨固力計(jì)算值為189.94kN，因此，將錨桿鎖定值設(shè)計(jì)為2000k0N是滿足要求的。

錨桿長度設(shè)計(jì)的計(jì)算過程如公式（3）所示。

L=L1+L2+L3 " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：L為錨桿長度，m；L1、L2、L3為自由段、錨固段、拉張段長度，m。

用公式（3）計(jì)算錨桿長度，得到錨桿所需的計(jì)算長度為5.91m，因此，將錨桿長度設(shè)計(jì)為7m是滿足要求的。

3 基坑支護(hù)措施的穩(wěn)定性分析

3.1 分析方法構(gòu)建

為驗(yàn)證基坑支護(hù)措施的合理性，進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并將分析過程劃分為兩步：利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行基坑穩(wěn)定性及抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算；利用變形預(yù)測進(jìn)行基坑穩(wěn)定性評價，即若基坑變形趨于穩(wěn)定，則說明基坑支護(hù)措施的變形控制效果較優(yōu)，對應(yīng)穩(wěn)定性也較好。

3.1.1 基坑穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

按照思路，基坑穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)計(jì)算主要包括基坑整體穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算，其中，基坑整體穩(wěn)定性的計(jì)算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Ks為基坑穩(wěn)定系數(shù)；Mp為基坑支護(hù)后的抵抗彎矩，kN?m；Ma為基坑支護(hù)后的下滑彎矩，kN?m。

同時，基坑抗隆起穩(wěn)定性的計(jì)算過程如公式（5）所示。

（5）

式中：KL為基坑抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)；q為超載度；r1、r2為坑外、內(nèi)土重度，kN/m3；Nq、Nc為地基系數(shù)；D為樁嵌入深，m。

通過公式（4）計(jì)算得到基坑穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.25，再通過公式（5）計(jì)算得到抗隆起系數(shù)最小值為1.82，均滿足規(guī)范要求。

3.1.2 基坑變形預(yù)測模型

由于支持向量機(jī)（Support Vector Machines，SVM）在基坑變形預(yù)測中具有廣泛的適用性[6]，因此，利用其構(gòu)建基坑變形預(yù)測模型。根據(jù)SVM原理，其訓(xùn)練公式如公式（6）所示。

yi=w?（xi）+b " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：yi為基坑變形預(yù)測值，mm；w為權(quán)值；xi為輸入值，mm；?（ ）為訓(xùn)練函數(shù)；b為偏置值。

為保證預(yù)測精度，利用最小二乘法對SVM進(jìn)行尋優(yōu)處理，主要是對訓(xùn)練過程進(jìn)行約束，如公式（7）所示。

（7）

式中：J為約束目標(biāo)；C為懲罰因子；k為訓(xùn)練樣本數(shù)；ξi為損失函數(shù)。

在約束條件下，SVM的訓(xùn)練過程可進(jìn)一步用公式（8）表示。

yi=w?（xi）+b+ξi " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

綜上所述，將基坑變形預(yù)測模型最終確定為LS-SVM。

3.2 穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.2.1 基坑穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

在基坑范圍內(nèi)選取6個剖面進(jìn)行其穩(wěn)定性計(jì)算，所得Ks值依次為1.528、1.901、2.085、1.765、2.116和1.514，均滿足規(guī)范規(guī)定的1.25要求。

計(jì)算得到基坑抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)KL值為3.854，也滿足規(guī)范規(guī)定的1.8要求。

基坑支護(hù)措施均滿足經(jīng)驗(yàn)穩(wěn)定性計(jì)算要求，初步驗(yàn)證了基坑支護(hù)措施的合理性。

3.2.2 基坑變形預(yù)測的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

在基坑施工過程中，篩選7個監(jiān)測點(diǎn)（布置位置如圖1所示，即B1～B7）進(jìn)行后續(xù)變形預(yù)測分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，B1～B7的累計(jì)變形值見表1。由表1可知，7個監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形值的變化為16.87～22.75mm，均值為20.13mm，明顯小于基坑設(shè)計(jì)限值35mm，即現(xiàn)階段基坑變形控制效果較優(yōu)。

B7 22.26

本文對最大的4個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析，即B1、B3、B6和B7。B1、B3、B6和B7的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，4個監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)變形值具持續(xù)增加特征，說明進(jìn)行后續(xù)變形預(yù)測是十分重要的。

在預(yù)測過程中，按照公式（6）～公式（8），對前24期數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并得到后5期（25期～29期）驗(yàn)證結(jié)果和4期（30期～33期）預(yù)測結(jié)果，見表3。由表3可知，B1的相對誤差為1.92%～2.06%，均值為2.02%，B3的相對誤差為1.97%～2.10%，均值為2.05%，B6的相對誤差為1.95%～2.07%，均值為2.01%，B7的相對誤差為2.04%～2.13%，均值為2.08%。因此，4個監(jiān)測點(diǎn)均具有較高的預(yù)測精度，充分驗(yàn)證了LS-SVM在基坑變形預(yù)測中具有良好的效果。

結(jié)合表3中30期～33期預(yù)測結(jié)果，得到B1監(jiān)測點(diǎn)在這4期的增加速率依次為0.72mm/期、0.58mm/期、0.52mm/期和0.43mm/期，B3監(jiān)測點(diǎn)在4期的增加速率依次為0.60mm/期、

0.53mm/期、0.49mm/期和0.44mm/期，B6監(jiān)測點(diǎn)在4期的增加速率依次為0.71mm/期、0.64mm/期、0.56mm/期和0.50mm/期，B7監(jiān)測點(diǎn)在4期的增加速率依次為0.41mm/期、0.33mm/期、0.28mm/期和0.24mm/期。通過對比，4個監(jiān)測點(diǎn)后續(xù)增加速率呈持續(xù)減少趨勢，說明基坑變形趨于收斂，且最終預(yù)測值為22.09～24.54mm，也小于基坑設(shè)計(jì)限值35mm，充分說明基坑支護(hù)措施是合理有效的。

4 結(jié)論

通過巖溶區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論。1）由于巖溶區(qū)地質(zhì)條件相對較差，基坑周邊近接條件較為復(fù)雜，因此，需要對基坑進(jìn)行分區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)，其中，將區(qū)1的基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)為“支護(hù)樁+內(nèi)支撐梁、格構(gòu)柱”，將區(qū)2的基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)為“支護(hù)樁+兩道錨桿+內(nèi)支撐梁、格構(gòu)柱”。2）基坑整體穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，且經(jīng)變形預(yù)測分析，得出基坑后續(xù)增加速率呈持續(xù)減少趨勢，說明基坑變形趨于收斂，且最終預(yù)測值也小于基坑設(shè)計(jì)限值35mm，充分說明基坑支護(hù)措施是合理有效的，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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[3]岳立章. 土釘墻+樁錨式組合的深基坑支護(hù)技術(shù)研究 [J]. 建筑施工， 2024， 46 （3）： 387-388，395.

[4]禹澤云. 高層建筑施工深基坑支護(hù)加固技術(shù)研究 [J]. 建筑技術(shù)， 2024， 55 （5）： 542-546.

[5]陶陽. 基于巖土工程中的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)問題和對策 [J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版）， 2024（8）： 160-162.

[6]蔡群群. 基于粒子群算法改進(jìn)支持向量機(jī)的深基坑變形預(yù)測研究 [J]. 黑龍江交通科技， 2023， 46 （5）： 97-99，103.