基于巖土工程勘察的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案探究

摘 要：為保障基坑開(kāi)挖安全，本文以某基坑為實(shí)例背景，在巖土工程勘察成果分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，初步構(gòu)建了基坑支護(hù)方案，并利用P×C法進(jìn)行基坑支護(hù)方案篩選方法構(gòu)建，以篩選最優(yōu)的基坑支護(hù)方案。分析結(jié)果表明，結(jié)合工程實(shí)際，將基坑支護(hù)方案初設(shè)為4類(lèi)，即方案一“灌注樁+止水”、方案二“地下連續(xù)墻”、方案三“工法樁+型鋼”和方案四“土釘墻+錨索”，各類(lèi)支護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，且通過(guò)支護(hù)方案篩選，得到4類(lèi)支護(hù)方案的適宜性得分介于70.80～90.85，以方案二的適宜性得分相對(duì)最高，適宜性等級(jí)為Ⅳ級(jí)，說(shuō)明其很適宜本文提到的實(shí)例基坑支護(hù)。

關(guān)鍵詞：基坑；巖土工程勘察；支護(hù)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：P 642 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著市政建設(shè)如火如荼的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的基坑工程，但限于基坑近接環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，基坑變形控制顯得格外重要；同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)基坑變形的良好控制，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)顯得格外重要，因此，進(jìn)行基坑支護(hù)方案探究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。目前，唐成偉[3]針對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件下的深基坑進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)研究；溫忠義等[4]探究了鋼絞線雙排樁在基坑支護(hù)中的應(yīng)用效果；郭全元等[5]評(píng)價(jià)了樁錨支護(hù)在軟土基坑施工中的支護(hù)效果。上述研究為基坑支護(hù)積累了經(jīng)驗(yàn)，但均未進(jìn)行基坑支護(hù)方案的篩選研究。因此，本文以某基坑為實(shí)例背景，在巖土工程勘察成果分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，初步構(gòu)建了基坑支護(hù)方案，并利用P×C法進(jìn)行基坑支護(hù)方案篩選方法構(gòu)建，以篩選最優(yōu)的基坑支護(hù)方案，從而更好指導(dǎo)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，為類(lèi)似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

擬建基坑屬車(chē)站基坑，平面形態(tài)近似為矩形（如圖1所示），全長(zhǎng)234.00m，標(biāo)準(zhǔn)寬度22.5m，開(kāi)挖深度17.1m，開(kāi)挖方式為明挖順作法。

根據(jù)勘察成果，項(xiàng)目區(qū)地形較為平臺(tái)，標(biāo)高為2.45m～

3.94m，地層巖性主要包括填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、碎石土以及泥巖，在開(kāi)挖范圍內(nèi)地層的工程性質(zhì)相對(duì)較差。在水文地質(zhì)條件方面，地表水主要是降雨形成的洼地積水，地下水主要為上層滯水和裂隙水，局部含水層具微承壓特征。

在基坑周邊近接環(huán)境條件中，基坑沿既有道路東西展布，北側(cè)主要為近接既有住宅，南側(cè)主要為既有商業(yè)中心。

2 基坑勘察成果分析

由于該基坑屬車(chē)站基坑，開(kāi)挖深度較大且地層性質(zhì)一般，基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)其后期支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的作用，因此，保證勘察成果的準(zhǔn)確性就顯得格外重要。

2.1 土層基礎(chǔ)參數(shù)

由鉆探資料，項(xiàng)目區(qū)地層主要包括填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、碎石土及泥巖，經(jīng)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，得到各類(lèi)地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 基坑安全等級(jí)

基坑周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜，開(kāi)挖深度也較大，如果出現(xiàn)失穩(wěn)，就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果，因此，由《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）判斷該基坑的安全等級(jí)為一級(jí)。

2.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

在前述勘察成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)設(shè)計(jì)如下：基坑結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，增量法作為其內(nèi)力計(jì)算方法，支護(hù)材料設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土，強(qiáng)度等級(jí)C30；基坑附加荷載設(shè)計(jì)為40kPa，作用寬度、深度依次為8m和1.6m，與坑邊距離值設(shè)計(jì)為1.0m；周邊既有建筑按20kPa/層設(shè)計(jì)，支護(hù)使用年限2年，設(shè)防烈度為7度。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案探究

3.1 支護(hù)方案初選

基坑支護(hù)方案相對(duì)較多，在本文支護(hù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅要考慮基坑所處的環(huán)境條件，還應(yīng)考慮開(kāi)挖過(guò)程的維護(hù)、成本以及工期等因素，因此，基坑支護(hù)方案初選具有重要意義。

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，將文中基坑的支護(hù)方案初設(shè)為四類(lèi)，即方案一“灌注樁+止水”、方案二“地下連續(xù)墻”、方案三“工法樁+型鋼”和方案四“土釘墻+錨索”，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各類(lèi)支護(hù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

3.2 支護(hù)方案篩選方法構(gòu)建

由3.1節(jié)說(shuō)明文中基坑可選支護(hù)方案相對(duì)較多，為盡可能保證基坑支護(hù)方案的合理性，篩選支護(hù)方案是重要的[6-7]。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，提出利用P×C法進(jìn)行基坑支護(hù)方案篩選方法構(gòu)建。

3.2.1 篩選模型構(gòu)建

以基坑支護(hù)方案篩選為目的，通過(guò)層次分析法構(gòu)建其篩選模型，其包括三層結(jié)構(gòu)。其中，目標(biāo)層為“基坑支護(hù)方案篩選體系A(chǔ)”，其下是一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括安全因素B1、技術(shù)因素B2、環(huán)境因素B3和經(jīng)濟(jì)因素B4；在一級(jí)指標(biāo)基礎(chǔ)上，可再進(jìn)一步細(xì)分二級(jí)指標(biāo)。1） 安全因素B1包括支護(hù)體系的剛度C1、支護(hù)體系的穩(wěn)定性C2和支護(hù)體系抗變形能力C3。2） 技術(shù)因素B2包括施工過(guò)程的可靠性C4、施工難易程度C5和支護(hù)對(duì)后續(xù)施工的影響C6。3） 環(huán)境因素B3包括支護(hù)施工對(duì)周邊交通影響C8和支護(hù)施工對(duì)地下管線的影響C9。4） 經(jīng)濟(jì)因素B4包括工程材料成本C9、工期成本C10和施工及監(jiān)測(cè)費(fèi)用C11。

綜上所述，基坑支護(hù)方案篩選模型結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

3.2.2 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值、隸屬度

3.2.2.1 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，利用1-9標(biāo)度法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值，過(guò)程包括判斷矩陣構(gòu)建、一致性檢驗(yàn)以及計(jì)算權(quán)值。因此，先對(duì)比確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的相應(yīng)重要性，在評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性不傳遞原則條件下，構(gòu)建判斷矩陣，其也具互反矩陣性質(zhì)。

在得到判斷矩陣的基礎(chǔ)上，計(jì)算其最大特征值，并計(jì)算一致性評(píng)價(jià)指標(biāo) C，如公式（1）所示。

（1）

式中：λmax為最大特征值；n為判斷矩陣的相應(yīng)行數(shù)或列數(shù)；R為重要性標(biāo)度指標(biāo)。

當(dāng)C值不大于0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣是合理的，對(duì)最大特征值對(duì)應(yīng)性的特征向量進(jìn)行歸一化處理，所得值即為相應(yīng)的權(quán)值；反之，重新構(gòu)建判斷矩陣，并重復(fù)上述步驟。

3.2.2.2 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度

在評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度計(jì)算的過(guò)程中，將其計(jì)算方法確定為專(zhuān)家法，且要求專(zhuān)家具正高級(jí)職稱(chēng)或項(xiàng)目負(fù)責(zé)人；當(dāng)各專(zhuān)家完成隸屬度計(jì)算后，對(duì)各專(zhuān)家的隸屬度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)，所得均值即為相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值。

3.2.3 基坑支護(hù)方案適宜性等級(jí)劃分

以評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值、隸屬度值為基礎(chǔ)，利用P×C法對(duì)基坑支護(hù)方案適宜性等級(jí)進(jìn)行量化劃分，標(biāo)準(zhǔn)如下。1）Ⅰ級(jí)。該等級(jí)條件下，對(duì)應(yīng)支護(hù)方案不適宜基坑支護(hù)，其對(duì)應(yīng)適應(yīng)性分為55，適應(yīng)性評(píng)分為0～60。2）Ⅱ級(jí)。該等級(jí)條件下，對(duì)應(yīng)支護(hù)方案基本適宜基坑支護(hù)，其對(duì)應(yīng)適應(yīng)性分為70，適應(yīng)性評(píng)分為60～75。3）Ⅲ級(jí)。該等級(jí)條件下，對(duì)應(yīng)支護(hù)方案適宜基坑支護(hù)，其對(duì)應(yīng)適應(yīng)性分為85，適應(yīng)性評(píng)分為75～90。4）Ⅳ級(jí)。該等級(jí)條件下，對(duì)應(yīng)支護(hù)方案很適宜基坑支護(hù)，其對(duì)應(yīng)適應(yīng)性分為95，適應(yīng)性評(píng)分為90～100。

3.3 支護(hù)方案篩選結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)，本文實(shí)例共計(jì)設(shè)計(jì)了4種支護(hù)方案，以方案一為例，進(jìn)行各評(píng)價(jià)指標(biāo)的適宜性計(jì)算分析。

按照3.2節(jié)思路，計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值見(jiàn)表3。

同時(shí)，進(jìn)一步利用專(zhuān)家法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，所得結(jié)果見(jiàn)表4。C1的隸屬度為0.095～0.542，C2的隸屬度為0.102～0.601，C3的隸屬度為0.123～0.571，C4的隸屬度為0.094～0.613，C5的隸屬度為0.107～0.539，C6的隸屬度為0.096～0.520，C7的隸屬度為0.115～0.571，C8的隸屬度為0.168～0.400，C9的隸屬度為0.130～0.533，C10的隸屬度為0.126～0.534，C11的隸屬度為0.085～0.537。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值、隸屬度計(jì)算的基礎(chǔ)上，首先，按照3.2節(jié)方法，先計(jì)算得到方案一11個(gè)二級(jí)指標(biāo)的適應(yīng)性計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。據(jù)表5，在方案一支護(hù)條件下，11個(gè)二級(jí)指標(biāo)的適宜性得分為71.26～92.16，均值為82.29，總體適宜性相對(duì)較好，相應(yīng)適宜性等級(jí)為Ⅱ級(jí)～Ⅳ級(jí)。其中，Ⅱ級(jí)涉及的二級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)為4個(gè)，所占比例為36.36%；Ⅲ級(jí)涉及的二級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)為5個(gè)，所占比例為45.45%；Ⅳ級(jí)涉及的二級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)為2個(gè)，所占比例為18.18%。

按照適宜性得分大小，將方案一條件下的二級(jí)指標(biāo)適宜性排序結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下：C8gt;C5gt;C2gt;C4gt;C11gt;C7gt;C9gt;C3gt;C1gt;C10gt;C6。

其次，進(jìn)一步計(jì)算得到方案一4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的適應(yīng)性，結(jié)果見(jiàn)表6。據(jù)表6，安全因素B1的適宜性得分為84.92，適宜性等級(jí)為Ⅲ級(jí)；技術(shù)因素B2的適宜性得分為91.05，適宜性等級(jí)為Ⅳ級(jí)；環(huán)境因素B3的適宜性得分為82.76，適宜性等級(jí)為Ⅲ級(jí)；經(jīng)濟(jì)因素B4的適宜性得分為85.42，適宜性等級(jí)為Ⅲ級(jí)。因此，在方案一條件下，適宜性等級(jí)介于Ⅲ級(jí)～Ⅳ級(jí)，且Ⅲ級(jí)指標(biāo)有3個(gè)，所占比例為75%，Ⅳ級(jí)指標(biāo)有1個(gè)，所占比例為25%。

按照適宜性得分大小，將方案一條件下的一級(jí)指標(biāo)適宜性排序結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下：B2gt;B4gt;B1gt;B3。

根據(jù)一級(jí)、二級(jí)指標(biāo)的權(quán)值、隸屬度計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算得到4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的隸屬度向量R1=[0.111 0.141 0.087 0.661]，第3.2節(jié)適應(yīng)性分向量E=[55 70 85 95]T，因此，計(jì)算得到方案一的最終適宜性得分F=R1E=86.16

綜上所述，方案一在本文實(shí)例中的適宜性得分為86.16，適宜性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，適宜于本文的基坑支護(hù)。

類(lèi)別方案一的適宜性評(píng)價(jià)過(guò)程，再對(duì)其余3個(gè)方案進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表7。據(jù)表7，方案一的適宜性得分為86.16，適宜性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，方案二的適宜性得分為90.85，適宜性等級(jí)為Ⅳ級(jí)，方案三的適宜性得分為72.46，適宜性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，方案四的適宜性得分為70.80，適宜性等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

按照適宜性得分大小排序結(jié)果為方案二gt;方案一gt;方案三gt;方案四。因此，將方案一“地下連續(xù)墻”作為此文實(shí)例基坑的支護(hù)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在巖土工程勘察基礎(chǔ)上的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案探究，得到以下3個(gè)結(jié)論：1）根據(jù)基坑巖土工程勘察成果，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)地層具較差的工程性質(zhì)，且基坑安全等級(jí)為一級(jí)，因此，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)顯得格外重要。2）結(jié)合工程實(shí)際及經(jīng)驗(yàn)，本文實(shí)例基坑的支護(hù)方案初設(shè)有4類(lèi)，即方案一“灌注樁+止水”、方案二“地下連續(xù)墻”、方案三“工法樁+型鋼”和方案四“土釘墻+錨索”，各類(lèi)支護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，因此基坑支護(hù)方案篩選是必要的。3）通過(guò)層次分析法、專(zhuān)家法等方法構(gòu)建了基坑支護(hù)方案篩選模型，并經(jīng)計(jì)算，以方案一“地下連續(xù)墻”的適宜性得分最高，因此，將其確定為基坑支護(hù)方案。

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