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        深基坑分段支護(hù)設(shè)計(jì)及開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

        2024-12-09 00:00:00董立

        摘 要:為保障基坑施工安全,以基坑所處地質(zhì)條件為基礎(chǔ),對(duì)基坑支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì),并采用圓弧滑動(dòng)法、變形成果分析等評(píng)價(jià)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明:當(dāng)基坑所處近接條件存在差異時(shí),可通過(guò)分段設(shè)計(jì)來(lái)保證基坑支護(hù)體系的合理性,文中實(shí)例將基坑支護(hù)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)區(qū),其中,Ⅰ區(qū)支護(hù)措施為“雙排支護(hù)樁+錨索”,Ⅱ區(qū)支護(hù)措施為“單排支護(hù)樁+錨索”。同時(shí),經(jīng)圓弧滑動(dòng)法計(jì)算,Ⅰ區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)為1.365~1.552,Ⅱ區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)為1.298~1.498,大于規(guī)范規(guī)定的1.25,且通過(guò)變形分析,得出基坑變形趨于穩(wěn)定,也在變形控制值范圍內(nèi),進(jìn)一步驗(yàn)證了基坑開(kāi)挖過(guò)程穩(wěn)定,為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

        關(guān)鍵詞:基坑;支護(hù)設(shè)計(jì);圓弧滑動(dòng)法;穩(wěn)定性分析

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

        我國(guó)隨著市政建設(shè)的快速發(fā)展,基坑工程越來(lái)越多,且近接環(huán)境條件趨于復(fù)雜,因此,基坑支護(hù)設(shè)計(jì)顯得格外重要。為驗(yàn)證基坑支護(hù)措施的合理性,評(píng)價(jià)其開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性也是十分必要的[1-2]。目前,許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究,例如王曉棟[3]闡述了基坑支護(hù)的施工技術(shù),羅杰等[4]進(jìn)行基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究,王炳文等[5]分析了高層建筑基坑支護(hù)過(guò)程中的變形規(guī)律,徐德軍[6]評(píng)價(jià)了樁錨支護(hù)在基坑工程中的加固效果。上述研究雖取得了相應(yīng)成果,但均未涉及基坑開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性分析,因此,以基坑所處地質(zhì)條件為基礎(chǔ),先進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì),并采用圓弧滑動(dòng)法、變形成果分析等評(píng)價(jià)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性,以期為類似工程提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

        1 工程概況

        擬建工程屬商業(yè)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(xiàng)目對(duì)應(yīng)基坑的平面形態(tài)相對(duì)不規(guī)則(如圖1所示,且圖中j1~j9為基坑變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)),具多邊形特征,開(kāi)挖深度為12.5m,具深基坑特征。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探成果,基坑區(qū)地層自上而下。

        1.1 填土層

        以雜填土為主,雜色,結(jié)構(gòu)松散,欠壓實(shí),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(shí)間預(yù)估5~10年,分布厚度2.20~3.85m。

        1.2 淤泥、淤泥質(zhì)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(zhì),局部含少量砂粒,略具腥臭味,局部夾薄層粉細(xì)砂,分布厚度為1.10~3.35m。

        1.3 粉、細(xì)砂層

        灰白、灰黃色,飽和,松散~稍密,級(jí)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(zhì)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(jí)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(zhì)粉砂巖,強(qiáng)~中風(fēng)化,砂狀結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,風(fēng)化裂隙較發(fā)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(hù)設(shè)計(jì)

        2.1 分段支護(hù)措施設(shè)計(jì)

        為保證支護(hù)方案經(jīng)濟(jì)合理,提出分段設(shè)計(jì)基坑支護(hù);結(jié)合基坑周邊條件,將j1~j6的支護(hù)范圍命名為Ⅰ區(qū),區(qū)內(nèi)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(qū)支護(hù)措施設(shè)計(jì)為“雙排支護(hù)樁+錨索”;將j6~j9~j1的支護(hù)范圍命名為Ⅱ區(qū),近接為公園、既有道路,無(wú)重要建構(gòu)筑物,變形控制要求相對(duì)較低,因此,將其支護(hù)措施設(shè)計(jì)為“單排支護(hù)樁+錨索”。

        Ⅰ區(qū)支護(hù)措施:兩排抗滑樁直徑設(shè)計(jì)為1.0m,中心距3.5m,長(zhǎng)23.5m,樁身采用鋼筋混凝土材質(zhì),頂部設(shè)置冠梁、連梁,尺寸為1.0m×1.0m,也采用鋼筋混凝土材質(zhì)。同時(shí),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(jìn)行布設(shè)。將錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為26m,其中,自由段長(zhǎng)度為6m,錨固段長(zhǎng)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(qū)支護(hù)措施:該區(qū)段支護(hù)樁尺寸、冠梁等與Ⅰ區(qū)一致,只是支護(hù)樁僅設(shè)計(jì)一排。錨桿也與Ⅰ區(qū)一致,第一道也位于冠梁處,第二道與其豎向間距設(shè)計(jì)為4.0m。

        根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案,兩個(gè)區(qū)的支護(hù)如圖2所示。

        2.2 支護(hù)措施設(shè)計(jì)計(jì)算

        Ⅰ區(qū)支護(hù)措施計(jì)算:該區(qū)段內(nèi)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(jì)算的基礎(chǔ)上,計(jì)算支護(hù)樁內(nèi)力,此過(guò)程重點(diǎn)是結(jié)合樁身軸力N和彎矩M進(jìn)行配筋,力與所需配筋間的計(jì)算過(guò)程如公式(1)、公式(2)所示。

        (1)

        (2)

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

        經(jīng)計(jì)算,該區(qū)段支護(hù)樁所需受力主筋面積為6870.15m㎡,箍筋面積為502.68mm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,實(shí)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(shè)計(jì)為20cm,配箍筋面積為565.5mm2,滿足要求。

        進(jìn)行錨索設(shè)計(jì)計(jì)算,錨固力與錨桿設(shè)計(jì)值掛鉤,兩者具正相關(guān)關(guān)系。錨固力與其設(shè)計(jì)入射角、地層參數(shù)相關(guān)。因此,計(jì)算錨固力Pt如公式(3)所示。

        (3)

        式中:F為設(shè)計(jì)值,kN;a為錨索與滑面夾角,°;β為入射角,°;φ為摩擦角,°。

        通過(guò)計(jì)算,3道錨索所需單孔錨固力計(jì)算值為280.16kN~321.52kN,均小于鎖定荷載350kN,滿足要求。

        Ⅱ區(qū)支護(hù)措施計(jì)算:類比Ⅰ區(qū)計(jì)算過(guò)程,再對(duì)Ⅱ區(qū)支護(hù)措施進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)土壓力計(jì)算,該區(qū)段范圍內(nèi)的基坑邊坡的彎矩為325.09kN?m~346.75kN?m,最大剪力為428.90kN。

        經(jīng)計(jì)算,該區(qū)段支護(hù)樁所需受力主筋面積為4283.14mm2,箍筋面積為481.65mm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,實(shí)際配置18根直徑18mm的受力主筋,其實(shí)配鋼筋面積為4581.00mm2,滿足要求。配置直徑12mm的鋼筋,間距設(shè)計(jì)為20cm,配箍筋面積為565.5mm2,滿足要求。

        同時(shí),計(jì)算得到2道錨索所需單孔錨固力計(jì)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(zhǎng)度為22.46m~24.01m,小于錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值26m,也滿足要求。

        3 基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

        為充分掌握基坑開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性,將分析過(guò)程劃分為兩步:采用圓弧法計(jì)算基坑防治處理后穩(wěn)定性系數(shù);以j1~j9監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)變形預(yù)測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)基坑變形發(fā)展趨勢(shì),以進(jìn)一步評(píng)價(jià)基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性。

        根據(jù)規(guī)范要求,基坑支護(hù)的穩(wěn)定性要求,其穩(wěn)定性系數(shù)不應(yīng)小于1.25。

        在此計(jì)算過(guò)程中,Ⅰ區(qū)共設(shè)計(jì)了4個(gè)穩(wěn)定性計(jì)算剖面,計(jì)算所得穩(wěn)定性系數(shù)依次為1.552、1.365、1.510和1.468,均大于規(guī)范規(guī)定的1.25,因此,該區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)能滿足穩(wěn)定性要求。Ⅱ區(qū)共設(shè)計(jì)了3個(gè)穩(wěn)定性計(jì)算剖面,計(jì)算所得穩(wěn)定性系數(shù)依次為1.298、1.498和1.416,也均大于規(guī)范規(guī)定的1.25,因此,該區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)也能滿足穩(wěn)定性要求。

        按照1天1次的監(jiān)測(cè)頻率,得到41期的變形數(shù)據(jù),9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形值見(jiàn)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(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)效果較好,基坑具有較好的穩(wěn)定性。

        變形越大,其威脅性也越大,因此,對(duì)變形最大的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)變形預(yù)測(cè)示例性分析,即j1、j3和j9監(jiān)測(cè)點(diǎn),3者的變形監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表2。

        考慮BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性預(yù)測(cè)能力,因此,對(duì)其進(jìn)行基坑變形預(yù)測(cè)處理;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括正向、方向傳播過(guò)程。

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

        (4)

        (5)

        式中:wij、wjk為相應(yīng)層連接權(quán)值;Qj、Qk為相應(yīng)層閾值;m為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù),個(gè);n為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù),個(gè)。

        當(dāng)完成正向傳播后,會(huì)得到一個(gè)輸出值,其與期望值間的誤差越小,說(shuō)明預(yù)測(cè)效果越優(yōu),反之,預(yù)測(cè)效果效果越差,從而可構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)誤差值E來(lái)衡量預(yù)測(cè)效果。如公式(6)所示。

        (6)

        式中:dk為基坑變形預(yù)測(cè)的期望值,mm。

        反向傳播過(guò)程:E值越小越好,如果不滿足要求,就有必要進(jìn)入反向傳播過(guò)程。該過(guò)程主要是對(duì)相應(yīng)層的連接權(quán)值、閾值進(jìn)行修正,主要操作就是在原有參量基礎(chǔ)上增加一個(gè)變量,以改變相應(yīng)連接權(quán)值、閾值參數(shù),調(diào)整后的參數(shù)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(shù)值。

        在正向、方向傳播過(guò)程的逐步優(yōu)化處理作用下,不斷提高基坑變形的預(yù)測(cè)精度。

        結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn),將相對(duì)誤差作為預(yù)測(cè)效果評(píng)價(jià)指標(biāo),其值越小,說(shuō)明基坑變形值與預(yù)測(cè)值越接近,預(yù)測(cè)效果越優(yōu)。

        在預(yù)測(cè)過(guò)程中,將38~41期作為驗(yàn)證集,其后預(yù)測(cè)3期(即42~44期),結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果均較優(yōu),其中,j1監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差均值為2.03%;j3監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差均值為1.98%;j9監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差均值為2.15%,因此,充分證明了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在基坑變形預(yù)測(cè)中的適用性。通過(guò)42~44期的后續(xù)預(yù)測(cè),得出3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形仍會(huì)進(jìn)一步增加,但增加速率較小,且預(yù)測(cè)值為21.89mm~26.24mm,說(shuō)明在后續(xù)一段時(shí)間,基坑變形仍在可控范圍,基坑穩(wěn)定性較好。

        不論從圓弧法穩(wěn)定性計(jì)算,還是從變形分析,基坑均處于穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明支護(hù)措施是切實(shí)有效的,為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

        4 結(jié)論

        通過(guò)深基坑分段支護(hù)設(shè)計(jì)及開(kāi)挖穩(wěn)定性分析,得出以下結(jié)論。1)在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中,支護(hù)措施有必要結(jié)合近接條件進(jìn)行分區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì),因此,將j1~j6的支護(hù)范圍命名為Ⅰ區(qū),j6~j9~j1的支護(hù)范圍命名為Ⅱ區(qū),兩區(qū)支護(hù)措施分別為“雙排支護(hù)樁+錨索”和“單排支護(hù)樁+錨索”。2)在基坑支護(hù)條件下,采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算得出基坑處于穩(wěn)定狀態(tài),且由變形監(jiān)測(cè)成果和預(yù)測(cè)結(jié)果表明,基坑支護(hù)條件下的變形控制也較好,充分說(shuō)明基坑在開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性較好,支護(hù)措施是切實(shí)有效的。

        參考文獻(xiàn)

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