基坑稳定性分析与支护设计

谢伟铭

[摘要]本文对基坑稳定性有所影响的几个重要因素进行了分析，并对基坑稳定性及其验算方式进行了总结。之后对在进行基坑设计的过程中，可能出现的问题进行探讨，并结合工程实例对如何对基坑支护进行设计进研究，得出有效的优化基坑支护设计方法。

[关键词]基坑支护 基坑稳定性 支护设计优化

[中图分类号] TD352 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-382-2

0引言

对分布在基坑开挖面上的荷载进行卸载的过程就是基坑开挖，变形场和地基场会随着土体不断从坑内挖出，会不断有不同程度的变化出现，地基整体的稳定性可能会由于二者的变化而产生变化。最近几年以来，城市基坑坑底涌砂、隆起以及边坡失稳情况也时常发生。对于基坑失稳的发生有时十分突然，也可以经过较长时间十分缓慢地发生，尽管如此失稳问题的发生也不是没有缘由的自行发生的，外荷载、暴雨和振动或是其他人为因素都可以导致基坑失稳。因此对基坑的稳定性进行验算是在设计基坑支护之前所必需进行的步骤，如有必要则需要采取一定的措施对基坑进行加强，以此来保证地基整体的安全稳定性不受影响。最近几年，伴随着我国国民经济水平的不断提高，有大量的地下空间、大型市政设施以及高层建筑的建设，使得基坑工程的数量也随之不断增加。在开挖基坑的过程中地下管线、市政设施以及周围建筑物都会因之受到不同程度的影响。所以要保证周边环境和支护结构的稳定就需要对如何建立一个稳定的基坑和设计基坑支护进行深入的研究考虑。其次，在整个工程造价之中有三分之一的资金被用于建筑工程中的基础工程，且在整个施工过程中也有大部分时间被用于基础工程，所以对所设计的基坑结构计划进行优化可以对被用于基础工程上的资金很大程度地得到节省，最大程度地提高社会和经济效益。本文对于基坑的整体稳定性以及如何优化设计基坑的支护进行了分析，这对于维持整个基础工程的稳定以及控制工程造价有着十分重要的意义。

1稳定性分析

1.1基坑的整体稳定性分析

在对基坑进行整体稳定性验算时，如果验算对象是有支护的基坑或是已经进行放坡开挖的基坑，应使用诸如条分法的圆弧滑动法。在对有支护的基坑使用这一方法进行验算时，对于地基的整体抗滑稳定性以及支护结构，应该将墙面与外侧的锚拉以及内支撑结构相互垂直的特点考虑在内，在这一情况中滑动面的圆心通常位于挡土墙上方，与挡土墙内侧靠近，这一点与验算边坡稳定性的圆弧滑动相区别；而当验算的基坑已经进行放坡开挖工作时，像水位差之类由于土方开挖而造成的基坑内外压力差是引起边坡失稳的主要因素。一般情况下，在进行验算时首先需要确定最小安全系数和最危险的滑动面。如果要将内支撑作用考虑在内，一般不会有整体稳定破坏的情况发生。所以在验算设有多道内支撑的支护结构时，可以不对整体滑动进行验算，若对只设有一道内支撑的支护结构进行验算，则需要对其进行验算。

1.2基坑的抗渗稳定性验算

在受到较大的动水压力的作用后，很容易有管涌的情况出现在有较大深度的基坑当中。存在于土中的细小颗粒在渗流水的作用下会随着水流被冲走，使地下土层的空隙逐渐增大，形成像管道一样的渗流通道，这种现象就是管涌。在开挖基坑期间，基坑内外可能会因为降水的原因有较大的水力梯度出现，由此出现较大渗流力，如果不进行有效处理，则管涌和流砂等问题在坑底或是坑壁出现的可能性会大大增加，致使周围建筑物毁坏或是基坑破坏。所以在工程实践中为降低渗流力对基坑的影响，通常会将水帷幕设置在基坑四周。

1.3基坑底部土体的抗隆起稳定性分析

在众多计算稳定性的公式中，在对抗隆起的安全系数进行验算时，通常只给出純砂土（c=0）或是纯粘土（φ=0）中的一个，但却很少有二者同时出现的情况出现，通常情况下在土体抗剪强度中粘性土很明显应该包含和的因素。以太沙基和普朗特尔的地基承载力公式为参考，我国相关领域的专家将墙底面所在平面作为求极限承载力的基准面，在验算抗隆起稳定性时建议使用下列公式进行计算，对墙体的插入深度进行计算：

在上式中，Nq、Nc代表地基承载力的计算系数；γ代表墙或桩顶面到底处各土层之间的加权平均重度，单位为kn/m3，φ代表墙或桩底面处土层的内摩擦角，单位为“°”；c代表墙或桩底面处土层的凝聚力，单位为kPa；H代表基坑的开挖深度，用m作单位；D代表墙或桩的嵌入长度，以m为单位；q代表基坑顶面的地面超载。

采取普朗特尔公式 ：

使用太沙基公式：

2基坑支护工程实践

本次参考的基坑工程的地质条件如图1所示，本工程的支护方式为土钉支护，参照相关文献对这一情况进行分析，假设土钉的倾角和长度在各层是相等的，有着均匀的垂直间距和水平间距，在这种情况下，土钉在垂直和水平方向的间距以及土钉的倾角和长度便是在对基坑支护进行设计的过程中需要优化的参数。建立这一基坑工程的学习样本，借助支持向量机学习建立基坑安全系数与待优化参数（即土钉在垂直和水平方向的间距以及土钉的倾角和长度）之间的非线性关系，计算安全系数与支持向量机预测值之间的比较如图2所示，通过图2可以看出基坑安全系数与待优化的支护参数之间的映射关系可以通过这一向量机模型得到很好的表达；基于这一关系之上，对基坑支护参数使用微粒群算法进行优化，最终可以获得如下的支护设计参数：土钉的倾角为13.40°，垂直方向土钉的间距为1.37m，水平方向上土钉的间距为1.39m，土钉长度为13m，这一方式的整体优化过程如图3所示。尽管如此，上述所得的参数仅在理论上可以成立，在实际施工过程中可以在这一参数的基础上，根据实际情况对参数进行适当调整。

3结束语

综上所述，本文初步分析了影响基坑稳定性的各项因素，同时初步研究了如何演算和分析基坑稳定性，强调了在分析基坑稳定性的过程中计算基坑抗隆性的重要性。对于现阶段的建筑施工过程中，优化基坑设计有着十分重要的经济技术价值，然而由于这一问题十分复杂，很难通过传统的方式进行解决，本文所参照的工程实例中，所采取的微粒群算数法与支持向量机法相结合的综合优化方法能够将安全系数与支护参数之间所存在的映射关系通过支持向量机进行表示，避免了在优化期间安全系数计算程序的重复使用，很大程度的提高了工作效率，同时通过微粒群算数法对优化基坑支护的模型进行求解，这一方法可以很大程度地提高工作效率，并且节省人力资源耗费。除此以外，这一方法对于其它类型地支护设计也同样适用。尽管如此，并不代表这一方法完美无缺，对于基坑稳定性以及支护设计方面的研究仍需继续。

参考文献

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