基于正交试验砂土地层基坑稳定性参数敏感性分析*

吴 波，张子仪，黄 惟

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004； 2.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013； 3.广州城建职业学院 建筑工程学院，广东 广州 510925)

0 引言

砂土分布在我国大部分地区，属于敏感性地层，在施工过程中受扰动时易产生液化现象，这对地表建筑及地下结构带来巨大危害[1]。因砂土层影响基坑的受力情况，在相同基坑参数下，砂土层中的基坑更不稳定，施工风险更大，从宏观上表现为基坑开挖变形量增大。

基坑稳定性的理论计算方法主要采用极限平衡法，最初由Pettersson提出将瑞典圆弧法用于边坡稳定性分析，但该法未考虑土条间的相互作用力；Fellenius[2]逐渐完善瑞典圆弧法，将其应用到需考虑摩擦力和黏结力的土壤中；Terzaghi[3]在此基础上发展极限平衡法，用于基坑稳定性分析。学者们对基坑稳定性的影响因素进行大量研究。陈鸿志等[4]提出土方超挖或欠挖会破坏原本支护体系，使得基坑或工程桩单向不均衡受力从而威胁基坑的稳定性。基于现有数值方法的计算中未充分考虑地下水渗流影响因素[5]，王传霖[6]通过建立模型研究发现降水能够使得粉质黏土地层的摩擦角和黏结力提高，从而降低围护结构的受力，同时，对土体进行加固处理能够增加其强度，有效提高基坑稳定性；何应道[7]基于流固耦合数值模拟分析方法研究得到地层渗透系数的改变对基坑底板隆起的影响较大，对墙后地表沉降和地连墙水平位移的影响较小；黄湖亮[8]研究发现基坑宽度越小，插入比越大，土体参数越好，对基坑的整体稳定性提高越明显；钟俊辉等[9]提出基坑周围软土深度与基坑深度比值越大，墙体最大水平位移对应深度与基坑深度比值也越大，且对土体进行加固能够控制变形的发展；王峻科等[10]通过有限元分析得出增加基坑支护插入深度和墙体刚度均能减小变形，提高基坑的稳定性，但这种作用达到一定程度后不再显著；贠永峰等[11]通过对基坑开挖过程的实时安全评判得出深层土体开挖会引起较大的围护墙位移和土体沉降。对于砂土等软土地层深基坑稳定性的研究方面，彭林[12]利用Midas GTS研究在易触变性土层中不同插入比对地连墙和钢支撑的影响，提出地连墙墙顶水平和竖向位移随地连墙插入比增大基本呈减小趋势，地连墙墙体水平位移和钢支撑轴力随地连墙插入比增大基本呈逐渐增大的趋势；夏建中等[13]通过研究发现软土地区基坑内的土体加固能够有效减少地表沉降，在一定范围内加固程度越大，沉降越小，超过该范围则变化幅度不再明显。

现有研究主要是针对围护结构、开挖土层和基坑本身的相关参数，从变形情况和安全系数[14-15]2方面对基坑稳定性情况展开研究。但关于系统的多因素耦合作用对基坑稳定性的具体影响方式鲜有研究，尤其是针对砂土层。本文利用正交试验结果对砂土地层中的基坑开挖实例中的相关参数量化指标进行分析，从而得到各参数对基坑稳定性的影响方式和影响程度大小。

1 正交试验设计

正交试验基于正交拉丁方法设计，能够通过部分试验代替全部试验[16]，对部分试验的结果进行分析，从而了解全部试验的情况，可大大减少人力物力的消耗。本文用基坑开挖到底时的支挡水平位移、地表沉降值和基坑坑底隆起值的最大值来衡量基坑的稳定性，根据研究现状内容选取基坑深度、地下水位、围护结构插入比(以下简称插入比)、土体加固系数、钢支撑数量和支挡强度6个基坑开挖设计参数作为影响因素，设计L25(56)的正交试验，见表1。

表1 正交试验的因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 试验结果与分析

采用Midas GTS NX软件模拟基坑开挖过程，试验中土层参数采用砂土的一般性质，土层参数见表2。

表2 模型土层参数Table 2 Soil stratum parameters of model

基坑宽度统一为20 m，为确保模型收敛，所有模型均架设1道混凝土撑，位于地面以下0.5 m处，钢支撑均匀架设，各支撑之间的间距相同。结构参数见表3。

特别说明的是，部分试验号的施工参数与实际不太相符，且结果未满足基坑变形的控制值，这是因为本次试验仅作为通用性分析，并不针对某一实际工程，因此结果仍是可取的。以试验3为例，模型如图1所示。正交试验结果见表4。

表3 结构参数Table 3 Structural parameters

图1 正交试验模型示意Fig.1 Schematic diagram of orthogonal test model

表4 正交试验方案及结果Table 4 Scheme and results of orthogonal test

模拟过程中仅改变影响因素，其他条件不变。其中地下水位表示地下水距离开挖面的距离，在施工阶段中定义；土体加固系数则通过土体的模量和抗剪强度指标分别乘以相应系数来反映。

2.1 极差分析

根据表4的正交试验结果，采用直观分析法(极差分析法)对其进行分析。具体步骤如下：

1)根据表1中划分的正交试验水平，计算各因素第i(i=1,2,3,4,5)水平下的考核指标数值之和Kzi(支挡水平位移),Kdi(地表沉降值),Kki(坑底隆起)；

1)支挡水平位移

表5 支挡水平位移极差分析结果Table 5 Range analysis results of horizontal displacement of retaining wall

表6 地表沉降值极差分析结果Table 6 Range analysis results of surface settlement value

表7 坑底隆起值极差分析结果Table 7 Range analysis results of uplift value of pit bottom

2)地表沉降

3)坑底隆起

但是由极差分析所得的最优水平组合并非实际的最优组合，在实际工程中还需结合施工难易度、经济效益等方面综合考虑。

2.2 方差分析

方差分析能够弥补试验水平和误差对试验结果的影响。进行方差分析时，因为正交试验无额外误差列，所以将影响程度最小即R值最小的1列作为误差列考虑。因此，支挡水平位移、地表沉降和坑底隆起的误差列分别为因素Ⅲ、因素Ⅲ和因素Ⅴ，方差分析结果见表8。

表8 正交试验方差分析结果Table 8 Variance analysis results of orthogonal test

表8(续)

定义显著程度S为：若FF0.01(4,4)，则S=3，为主导影响因素。由于误差列选取的是影响程度最小的因素，认定为对指标无显著影响，取S=0。通过表8可以看出：对于支挡水平位移，基坑深度、地下水位和支挡强度是主导影响因素，土体加固系数和钢支撑数量是一般影响因素，插入比对其无显著影响；对于地表沉降，基坑深度是主导影响因素，地下水位是次要影响因素，支挡强度是一般影响因素，插入比、土体加固系数和钢支撑数量对其无显著影响；对于坑底隆起，基坑深度、地下水位和插入比是主导影响因素，支挡强度是次要影响因素，土体加固系数是一般影响因素，钢支撑数量对其无显著影响。

3 基坑稳定性参数敏感分析

为综合考虑各因素对基坑稳定性的影响大小，将3个考核指标下各因素的显著程度值S进行代数相加，其代数和结果越大则表明该因素对基坑稳定性的影响程度越大，结果见表9。

由表9可知，影响基坑稳定性的因素按影响程度从大到小排序为：基坑深度、地下水位、支挡强度、插入比、土体加固系数、钢支撑数量。同时能够得到，砂土层地区的深基坑开挖工程的开挖深度以及地下水是影响其稳定性的关键因素，在实际工程中需尤为关注此2个因素，当基坑深度确定时，可以通过调整降水方案和围护结构强度达到提高基坑稳定性的目的。

表9 基坑稳定性参数敏感分析结果Table 9 Sensitivity analysis results of stability parameters of foundation pit

4 结论

1)选取支挡水平位移、地表沉降和坑底隆起的最大值作为基坑的稳定性指标，各因素对其影响主次分别为：基坑深度>地下水位>支挡强度>钢支撑数量>土体加固系数>插入比；基坑深度>地下水位>支挡强度>土体加固系数>钢支撑数量>插入比；基坑深度>地下水位>插入比>支挡强度>土体加固系数>钢支撑数量。

2)支挡水平位移的主导影响因素为基坑深度、地下水位和支挡强度，一般影响因素为土体加固系数和钢支撑数量；地表沉降的主导影响因素为基坑深度，次要影响因素为地下水位，一般影响因素为支挡强度；坑底隆起的主导影响因素为基坑深度、地下水位和插入比，次要影响因素为支挡强度，一般影响因素为土体加固系数。

3)综合考虑下，各因素对基坑稳定性的影响主次排序为：基坑深度>地下水位>支挡强度>插入比>土体加固系数>钢支撑数量。

4)在实际砂土地层基坑施工工程中，开挖深度较大时可以采取分段放坡开挖的方式，防止深层开挖引起较大的变形；对于含水量较高的砂层，需要采取一定的降水、排水措施，保持基底干燥，提高基坑稳定性，预防流砂、突涌等风险事故的发生。

5)从施工参数设计层面考虑，增加支挡结构强度和入土深度是控制砂土地层基坑稳定性较为经济有效的措施。