鄒 波

(南昌市建設(shè)工程綜合監(jiān)督事務(wù)中心, 南昌 330038)

0 引 言

近年,基坑工程數(shù)量越來越多,考慮其施工條件的復(fù)雜性,開展其土體試驗性能及變形預(yù)警分析具有重要意義[1-2]。在基坑土體試驗性能研究方面,陳少杰等[3]在室內(nèi)試驗分析了基坑土體剪切模量。孟凡超等[4]通過抗剪試驗研究了基坑土體的力學(xué)性能變化特征。上述研究雖取得了一定成果,但考慮不同地域土體物理力學(xué)性能的差異性,因此,仍有必要結(jié)合具體工程實際拓展此方面研究。同時,結(jié)合基坑工程實際,基坑變形預(yù)警一般通過兩方面實現(xiàn),即累計變形和變形速率,兩者均是設(shè)置一定的警戒值,當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測值超過警戒值后即開展預(yù)警。該方法雖已廣泛使用,但均未深入研究變形預(yù)警方法,加之王娟等[5]、鞠興華等[6]也初步驗證了極限位移判據(jù)和變形速率判據(jù)在基坑變形預(yù)警中的適用性,因此,運用兩判據(jù)構(gòu)建基坑變形預(yù)警體系。

綜上分析,筆者考慮基坑所處地質(zhì)條件,在開展其土體試驗性能基礎(chǔ)上,結(jié)合基坑沉降變形監(jiān)測成果,通過極限位移判據(jù)和變形速率判據(jù)開展基坑變形預(yù)警,以期有效掌握基坑預(yù)警等級,為其安全施工提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 基本原理

文中分析思路主要包含兩部分:一是通過抗剪試驗分析基坑周邊土體的試驗性能;二是以基坑變形監(jiān)測成果為基礎(chǔ),構(gòu)建基坑預(yù)警體系。

1.1 試驗方案的設(shè)定

1.1.1 試驗方案

一方面,在現(xiàn)場勘查過程中,可取現(xiàn)場土樣進行抗剪強度試驗;另一方面,由于現(xiàn)場取樣試驗僅能代表勘察時的抗剪特征,因此,再進一步提出結(jié)構(gòu)土、重塑土概念,充分計算不同孔隙比條件下的土體抗剪強度特征。其中,結(jié)構(gòu)土是在取樣土中添加一定量的添加劑,盡可能地還原土體結(jié)構(gòu)特征。重塑土是通過重塑得到相應(yīng)孔隙比條件下的試樣。

考慮到軟土常見孔隙比多介于0.6～1.2,因此,在結(jié)構(gòu)土或重塑土制備過程中,將其試件孔隙比設(shè)置為四類,分別為0.6、0.8、1.0及1.2;同時,在抗剪試驗過程中,豎向壓力分別設(shè)置為100、200、300及400 kPa。

1.1.2 試樣制備及試驗儀器

重塑土是現(xiàn)場取樣進行重塑即可。結(jié)構(gòu)土是先將現(xiàn)場取樣土烘干再碾碎,并再添加相應(yīng)添加劑,在滿足孔隙比制備基礎(chǔ)上,盡可能地還原土體原有結(jié)構(gòu)。在試樣制備過程中,所用環(huán)刀的尺寸為61.8 mm×20 mm,待制備好試樣后,參照文獻[4],將養(yǎng)護3 d。

在試驗過程中,所用試驗儀器為等應(yīng)變直剪儀,抗剪試驗過程中的試樣及儀器見圖1。值得指出的是,在試驗過程中,應(yīng)執(zhí)行《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)的相關(guān)規(guī)定。

圖1 直剪試驗的試樣及儀器

1.2 預(yù)警體系的構(gòu)建

文中主要從累計變形和變形速率構(gòu)建基坑變形預(yù)警體系,即將預(yù)警判據(jù)劃分為兩類,極限位移判據(jù)和變形速率判據(jù)。

1.2.1 極限位移判據(jù)的構(gòu)建

一般來說,基坑破壞時存在極限變形值,且由于地質(zhì)條件等差異,不同監(jiān)測點處的極限變形值也隨之不同。因此,通過極限變形值來構(gòu)建預(yù)警判據(jù)是可行的。結(jié)合極限變形值和現(xiàn)有變形值,構(gòu)建出評價指標(biāo)Fr計算公式為

Fr=St/Sc,

(1)

式中:St——現(xiàn)有變形值;

Sc——極限變形值。

文中Fr值介于0～1之間,其值越大,危險性越高,且欲求得評價指標(biāo)Fr,需先求得極限變形值Sc;結(jié)合鞠興華等[6]的研究成果,提出利用下式求解實現(xiàn)Sc,計算公式為

y=ae-b/x,

(2)

式中:y——擬合值;

a、b——常數(shù);

x——時間變量。

當(dāng)x值趨近于無窮大時,y趨近于極大值a,因此,將其作為極限變形值Sc。

1.2.2 變形速率判據(jù)的構(gòu)建

結(jié)合實例實際,變形速率的預(yù)警值為2 mm/d,在變形速率判據(jù)的構(gòu)建過程中,提出以變形預(yù)測實現(xiàn)基坑變形的外推預(yù)測,并利用其外推預(yù)測的變形速率均值作為判據(jù)指標(biāo)。根據(jù)王飛[7]研究成果,基坑變形數(shù)據(jù)都會含有一定的誤差信息,即變形監(jiān)測值并不一定是基坑真實變形量,可將基坑變形監(jiān)測值劃分為真實分量和隨機分量。局部均值分解(Local mean decomposition,LMD)已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分解處理。依據(jù)LMD原理,其分解過程為

(3)

式中:x(t)——變形監(jiān)測值;

q——分解層數(shù);

Fq(t)——真實分量信號;

u(t)——隨機分量信號。

為有效評價LMD的分解效果,提出利用信噪比進行評價,其計算公式為

(4)

式中:Ps——變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的功率;

Pn——變形監(jiān)測數(shù)據(jù)過濾后的功率。

依據(jù)信噪比原理,其值越大說明分解效果越優(yōu)。由于已將變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分解為真實分量和隨機分量,那么后續(xù)也需對兩分量進行針對性的預(yù)測模型構(gòu)建。

由于相關(guān)向量機(Relevance vector machine,RVM)的非線性預(yù)測能力較強[8-10],因此,以其為基礎(chǔ)構(gòu)建基坑變形真實分量的預(yù)測模型,結(jié)合RVM的基本原理,其訓(xùn)練函數(shù)為

(5)

式中:ti——變形預(yù)測值;

N——訓(xùn)練樣本數(shù);

wi——權(quán)重向量;

K(x,xi)——核函數(shù);

w0——偏差向量;

zi——噪聲向量。

依據(jù)RVM使用經(jīng)驗,其權(quán)值向量是模型隨機產(chǎn)生,客觀性欠缺,考慮到生物地理學(xué)優(yōu)化算法(Biogeography based optimization,BBO)具有較強的尋優(yōu)能力,因此,提出以其開展RVM的權(quán)值向量優(yōu)化,優(yōu)化流程為:(1)初始化生物群的初始棲息地,計算每個棲息地的適應(yīng)度向量。(2)若棲息地適應(yīng)度值不滿足期望要求,則進行棲息地的遷移、變異,直至滿足期望要求。(3)當(dāng)滿足期望要求后,輸出最優(yōu)解即可完成RVM的參數(shù)尋優(yōu)。

將基坑變形真實分量的最終預(yù)測模型確定為BBO-RVM模型。值得指出的是,BBO-RVM模型雖具較優(yōu)的預(yù)測能力,但其預(yù)測結(jié)果也會存在一定的預(yù)測誤差,將其疊加至隨機分量中,再利用Arima模型進行弱化預(yù)測,其訓(xùn)練函數(shù)為

(6)

式中:zt——新隨機分量的預(yù)測值;

φm、θj——回歸參數(shù);

p、q——回歸階次;

at——白噪聲。

通過BBO-RVM-Arima模型實現(xiàn)基坑變形預(yù)測,以其外推預(yù)測的變形速率均值開展在變形速率條件下的預(yù)警分級。

1.2.3 預(yù)警分級標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合工程實際,將基坑預(yù)警等級劃分為四級,具體標(biāo)準(zhǔn)如下:Ⅰ級-綠色。極限位移判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為Fr≤0.7,變形速率判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為s≤0.8 mm/d,其應(yīng)對措施為沉降變形正常,按照既有監(jiān)測方案執(zhí)行即可。Ⅱ級-黃色。極限位移判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為0.70.9,變形速率判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為s>2 mm/d,其應(yīng)對措施為沉降變形已很大,不僅增加監(jiān)測頻率及響應(yīng)防災(zāi)預(yù)案,還應(yīng)立即提供,采取必要工程措施。最終預(yù)警等級按兩類判據(jù)的最不利原則確定。

2 實例分析

2.1 工程概況

某地鐵車站基坑近似沿南北展布,平面具長方形形態(tài)如圖2所示。起止里程為CK6+945.6 m～ CK7+130.6 m,長度為185 m,寬度為19.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為10.5 m,端頭井開挖深度為13.2 m,具深大基坑特征;該車站采用雙層島式站臺結(jié)構(gòu),明挖順做開挖,開挖方量約5.8萬 m3。

圖2 基坑平面形態(tài)示意

結(jié)合勘察成果,開挖區(qū)范圍內(nèi)主要分布有5類地層,自上而下將其地層特征表述為:①填土層。主要分布于淺表層,分布范圍較廣,巖性主要為黏性土,局部夾雜少量碎石或建筑垃圾,結(jié)構(gòu)較為松散,厚度主要介于0.6～1.7 m。②黏土層?；尹S色～暗綠色,可塑狀,局部存在硬塑,含有鐵錳質(zhì)斑點,干強度、韌性均較高,分布厚度2.3～4.2 m,平均厚度約3.6 m。③粉質(zhì)黏土層?；尹S色,軟塑～可塑狀,局部夾青灰色條紋,具光澤特征,干強度、韌性一般,下部粉粒含量相對略高,且局部夾少量薄層粉土,分布厚度2.2～4.8 m,平均厚度約3.7 m。④粉土夾粉質(zhì)黏土層?；疑?軟塑～可塑狀,局部存在流塑,水平層理較發(fā)育,干強度一般,韌性較低,局部夾有薄層粉砂或粉土,分布厚度1.2～4.0 m,平均厚度約2.4 m。⑤粉質(zhì)黏土夾黏土層?；揖G色～灰黃色,可塑狀,含有鐵錳質(zhì)斑點,干強度、韌性均一般,局部分布黏土,且下部夾有薄層粉土,分布厚度一般大于18 m。各類土層分布特征如圖3所示。

圖3 基坑開挖范圍內(nèi)的土層分布

為保證基坑開挖安全,需對其進行支護設(shè)計,其外圍主體采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),墻厚80 cm。在其內(nèi)部施作了四道橫撐,其中,橫撐1為鋼筋混凝土支撐,尺寸為0.5 m×0.6 m;橫撐2～橫撐4為φ609鋼支撐的鋼支撐。

2.2 土體試驗性能分析

利用抗剪試驗探尋基坑周邊土體的試驗性能,黏聚力與內(nèi)摩擦角試驗統(tǒng)計如圖4和5所示。由圖4可知,在基坑開挖范圍內(nèi),主要是②黏土層、③粉質(zhì)黏土層及④粉土夾粉質(zhì)黏土層,因此,在該節(jié)分析過程中,主要以此三類地層進行試驗分析。

圖4 基坑土體黏聚力的試驗結(jié)果

在試驗過程中,按照1.1節(jié)中的試驗方案進行,對三類土層現(xiàn)場取樣進行抗剪強度試驗,結(jié)果為:②黏土層的黏聚力為48.65 kPa,內(nèi)摩擦角為14.23°。③粉質(zhì)黏土層的黏聚力為33.15 kPa,內(nèi)摩擦角為13.16°。④粉土夾粉質(zhì)黏土層的黏聚力為11.02 kPa,內(nèi)摩擦角為27.96°。

由圖4可見,在土體黏聚力試驗結(jié)果中,三類土體的黏聚力總體變化特征為:隨孔隙比增加,結(jié)構(gòu)土、重塑土的黏聚力均具減小特征,只是減小幅度存在差異,且在相應(yīng)孔隙比條件下,結(jié)構(gòu)土的黏聚力均較大程度上大于重塑土的黏聚力。

黏土層:當(dāng)土體的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土較結(jié)構(gòu)土的黏聚力減小幅度百分比由56.35%→42.25%→46.37%→41.76%。粉質(zhì)黏土層:當(dāng)土體的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土較結(jié)構(gòu)土的黏聚力減小幅度百分比由32.51%→40.36%→35.22%→36.18%。粉土夾粉質(zhì)黏土層:當(dāng)土體的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土較結(jié)構(gòu)土的黏聚力減小幅度百分比由25.65%→22.43%→20.44%→23.12%。

由圖5可見,在土體內(nèi)摩擦角試驗結(jié)果中,三類土體的內(nèi)摩擦角有與其黏聚力變化相近的特征。

圖5 基坑土體內(nèi)摩擦角的試驗結(jié)果

黏土層:當(dāng)土體的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土較結(jié)構(gòu)土的內(nèi)摩擦角減小幅度百分比由26.14%→34.06%→30.54%→31.49%。粉質(zhì)黏土層:當(dāng)土體的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土較結(jié)構(gòu)土的內(nèi)摩擦角減小幅度百分比由18.65%→21.45%→19.34%→22.04%。粉土夾粉質(zhì)黏土層:當(dāng)土體的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土較結(jié)構(gòu)土的內(nèi)摩擦角減小幅度百分比由20.11%→15.68%→17.46%→18.68%。

綜上,結(jié)構(gòu)土與重塑土的抗剪指標(biāo)變化特征對比,得出兩者雖隨孔隙比增加而減小,但相比而言,在對應(yīng)地層條件下,黏聚力的減小幅度相對更大。

2.3 基坑變形預(yù)警分析

在基坑變形監(jiān)測過程中,地表沉降監(jiān)測是必測項目,代表性較大,監(jiān)測點布置如圖2所示,共計有24個監(jiān)測點,各監(jiān)測點的累計沉降值見表1。由表1可知,在基坑不同位置處的沉降變形具有一定差異,結(jié)合圖3中監(jiān)測點的分布位置可知,在基坑長邊中部位置處的沉降值相對更大,究其原因,應(yīng)是與基坑長邊處的支護結(jié)構(gòu)剛度相對更小有關(guān)。

表1 基坑沉降變形結(jié)果

在基坑沉降變形監(jiān)測成果中,沉降值變化范圍為11.93～19.08 mm,平均值為15.59 mm,說明基坑沉降變形特征顯著。限于篇幅,難以對所有監(jiān)測點均進行變形預(yù)測分析,沉降變形值越大,其危險性越高,因此,選取沉降變形最大的4個監(jiān)測點進行后續(xù)預(yù)警分析,利用DB-07、DB-09、DB-21及DB-23監(jiān)測點進行后續(xù)預(yù)警分析。

利用1.2節(jié)思路,通過極限位移判據(jù)和變形速率判據(jù)開展基坑變形預(yù)警分析。經(jīng)統(tǒng)計得到極限位移判據(jù)條件下的預(yù)警結(jié)果如表2所示。由表2可知,4個監(jiān)測點的極限位移預(yù)警結(jié)果存在一定差異,其中,4個監(jiān)測點的擬合度值介于0.943～0.960,具有較優(yōu)的擬合效果,所得預(yù)警系數(shù)Fr介于0.71～0.83,即DB-09及DB-21監(jiān)測點的預(yù)警等級為Ⅱ級,其余兩個監(jiān)測點的預(yù)警等級為Ⅲ級。

表2 極限位移判據(jù)條件下的預(yù)警結(jié)果

進一步開展變形速率判據(jù)條件下的預(yù)警分析,按照變形速率判據(jù),先利用LMD開展其數(shù)據(jù)分解處理,且為充分驗證LMD的分解效果,引入小波去噪及Kalman濾波進行同樣的分解處理,得到三類模型的分解結(jié)果如表3所示。

表3 三類分解模型的結(jié)果

由表3可知,小波去噪的SNR值為31.05,Kalman濾波的SNR值為29.15,LMD的SNR值為37.12,三者對比得出LMD具有相對更優(yōu)的分解效果,也驗證了將其作為文中分解模型的合理性。

通過LMD已將基坑變形數(shù)據(jù)分解為了真實分量和隨機分量,且由于該文利用BBO-RVM-Arima模型開展基坑變形預(yù)測,其過程具逐步組合特征,因此,以DB-07監(jiān)測點開展不同階段的預(yù)測結(jié)果分析;在其計算過程中,先開展其真實分量的預(yù)測分析,得其優(yōu)化前后的真實分量預(yù)測結(jié)果如表4所示。

表4 DB-07監(jiān)測點的真實分量預(yù)測結(jié)果

由表4可知,在DB-07監(jiān)測點的真實分量預(yù)測結(jié)果中,BBO-RVM模型相較RVM模型具有相對更小的相對誤差,說明通過BBO算法的優(yōu)化處理,能有效提高預(yù)測精度。

據(jù)Arima模型的補充預(yù)測,得到DB-07監(jiān)測點的最終預(yù)測結(jié)果,如表5所示。在DB-07監(jiān)測點的最終預(yù)測結(jié)果中,相對誤差介于1.87%～2.03%,平均相對誤差為1.95%,具有較優(yōu)的預(yù)測精度,且相較真實分量的預(yù)測精度有所提高,驗證了Arima模型的有效性,也說明BBO-RVM-Arima模型對基坑變形的預(yù)測效果較優(yōu),利用其預(yù)測基坑外推變形速率是可行的。

表5 DB-07監(jiān)測點的最終預(yù)測結(jié)果

進一步對其他監(jiān)測點進行同樣預(yù)測及外推預(yù)測,結(jié)果如表6所示。由表6可知,4個監(jiān)測點的預(yù)測結(jié)果為:DB-07監(jiān)測點的e值介于1.87%～2.03%,平均相對誤差為1.95%。DB-09監(jiān)測點的W值介于1.89%～2.06%,平均相對誤差為1.96%。DB-21監(jiān)測點的e值介于1.90%～1.96%,平均相對誤差為1.93%。DB-23監(jiān)測點的e值介于1.93%～2.02%,平均相對誤差為1.97%。因此,各監(jiān)測點的預(yù)測精度較高,側(cè)面也說明其后續(xù)外推預(yù)測結(jié)果的可信度較高。

表6 各監(jiān)測點的最終預(yù)測結(jié)果

由外推預(yù)測結(jié)果可知,4個監(jiān)測點的后續(xù)變形仍會增加,但增加速率較小,其中,DB-07監(jiān)測點外推預(yù)測的變形速率均值為0.67 mm/d,預(yù)警等級屬Ⅰ級;DB-09監(jiān)測點外推預(yù)測的變形速率均值為0.94 mm/d,預(yù)警等級屬Ⅱ級;DB-21監(jiān)測點外推預(yù)測的變形速率均值為0.99 mm/d,預(yù)警等級屬Ⅱ級;DB-23監(jiān)測點外推預(yù)測的變形速率均值為0.77 mm/d,預(yù)警等級屬Ⅰ級。

最后,結(jié)合極限位移判據(jù)和變形速率判據(jù)的預(yù)警結(jié)果,開展基坑變形的最終預(yù)警分析,結(jié)果如表7所示。由表7可知,4個監(jiān)測點在不同判據(jù)條件下的預(yù)警等級存在一定差異,按不利原則,最終確定DB-07、DB-23監(jiān)測點的預(yù)警等級為Ⅲ級,DB-09、DB-21監(jiān)測點的預(yù)警等級為Ⅱ級。

表7 基坑變形的最終預(yù)警結(jié)果

綜上,該基坑總體建議按Ⅲ級預(yù)警,即沉降變形略大,一定程度上增加監(jiān)測頻率,并響應(yīng)防災(zāi)預(yù)案。

3 結(jié) 論

(1)在基坑土體試驗性能分析過程中,結(jié)構(gòu)土、重塑土的抗剪指標(biāo)變化特征對比,兩者雖隨孔隙比增加而減小,但相比而言,在對應(yīng)地層條件下,黏聚力的減小幅度相對更大。

(2)不同監(jiān)測點在不同判據(jù)條件下的預(yù)警等級存在一定差異,說明通過多類判據(jù)開展基坑變形預(yù)警研究是十分必要的,且按不利原則,基坑總體建議按Ⅲ級預(yù)警,為其施工提供了一定的理論指導(dǎo)。

(3)以基坑沉降變形為例開展預(yù)警分級研究,充分驗證了預(yù)警方法的有效性,建議后續(xù)可在此基礎(chǔ)上,進一步引入其他監(jiān)測項目開展類似預(yù)警分析,以充分掌握基坑變形狀態(tài)。