软土区基坑支护设计及变形控制效果评价

周 冬

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000）

0 引言

由于市政工程建设的快速发展，基坑工程数量越来越多，其中，软土区基坑的工程性质相对较差，其施工安全就更为重要，因此，开展软土区基坑支护设计及变形控制效果评价具有重要意义[1-2]。目前，江焕钊等[3]对环形基坑的支护设计及监测成果进行了分析研究；曹程明等[4]探究了偏压条件下的基坑内支撑设计及变形规律；金平等[5]开展了异形基坑的支护设计优化；李章杰等[6]研究了多级支护手段在基坑支护的应用效果。据上述研究，一方面，体现了开展基坑支护设计及其变形控制效果研究的重要性；另一方面，限于基坑所处环境条件的差异性，仍有必要结合工程实际开展针对性分析。因此，笔者以软土基坑为实例背景，先开展其支护设计，再结合基坑施工过程中的变形监测成果，通过变形量统计分析和预测分析来开展基坑支护后的变形控制效果评价，以期为现场施工提供一定的理论依据。

1 工程概况

此项目基坑隶属住宅建筑，其上部楼层设计22层，下设3层地下室，拟用地面积46 952m2，其中，基坑平面近似呈“矩形”，如图1所示。面积为43 500m2，设计开挖深度为11.5m，开挖方量约50×104m3，属深大基坑，如图1所示。

图1 基坑平面形态示意图

据调查成果，基坑区周边近接情况为：基坑北侧、东侧均是近接道路或既有建筑，其已修建约4年，道路宽度约26m，且两侧道路与基坑最小净距介于16.5～24.8m；西侧近接既有建筑，其为居民楼，层数为20层，基础形式为桩基，桩基长度约15m；南侧未见近接建、构筑物。

由钻探资料，基坑区地层自上而下依次为填土层、粉质黏土层及卵石层，其中，粉质黏土层属基坑施工范围内主要地层，均匀性较好，可塑状，局部为软塑，工程性质较差，属基坑开挖范围内的主要地层，因此，此滑坡属软土区。

2 基坑支护设计

2.1 支护方案设计

结合第1章工程案例，基坑周边建筑物较为复杂，加之开挖地层以软土为主，工程性质相对较差，开展基坑支护设计就显得格外重要。

为实现针对性优化处理，对基坑进行分区支护设计；结果如图1所示，按顺时针计，将C9～C1观测点范围设置为Ⅰ区，C1～C5观测点范围设置为Ⅱ区，C5～C9观测点范围设置为Ⅲ区，则区基坑支护设计为：

（1）Ⅰ区。由于此区与既有建筑临近，为保证临近建筑的稳定，将支护形式设计为“双排支护桩+锚索”。在支护桩设计过程中，前排桩桩径为1.2m，中心距设计为2.6m，桩长18.5m，桩身材质为钢筋混凝土，强度等级为C35；后排桩尺寸、结构与前排桩一致。为保证两排桩的稳定，在其桩顶设计冠梁，设计尺寸为1.2m×0.8m，梁身材质为钢筋混凝土，强度等级为C35。在锚索设计过程中，共计设计3道锚索，其中，第一道锚索位于冠梁处，其长度设计为27m，直径为35cm，中心钢绞线直径为17.8mm；其后锚索尺寸、材质与第一道锚索一致，且锚索间竖向间距为2.5m。

（2）Ⅱ区。由于此区只是临近既有道路，鉴于既有道路的工程重要性相对略低，因此，将此区支护形式设计为“单排支护桩+锚索”。在支护桩设计过程中，桩径尺寸与Ⅰ区桩一致；在锚索设计过程中，共计设计4道锚索，其尺寸亦是与Ⅰ区锚索一致，锚索间竖向间距也为2.5m。

（3）Ⅲ区。由于此区不存在近接建筑物，从经济角度出发，将此区支护形式设计为“放坡+土钉墙”。在坑顶上部进行放坡，放坡坡度设计为1:1.25，下部土钉墙厚度为35cm，土钉长度6.0，直径设计为20cm，中间插入HRB335钢筋，直径为16mm。

结合各区支护设计方案，将其支护措施示意图表示如图2所示。

图2 各区支护措施示意图

2.2 支护措施计算

为合理评价各区支护措施的合理性，从内力计算和稳定性计算均进行评价，且结合基坑支护结构的分区特征，对Ⅰ区和Ⅱ区均进行此两方面计算，Ⅲ区仅进行稳定性计算。

（1）Ⅰ区计算结果

先利用弹性法开展桩内力计算，结果为：坑内、外最大弯矩计算值分别为462.58kN·m和412.85kN·m，最大剪力计算值为243.54kN。

据内力计算结果，再进一步开展桩配筋计算，此过程主要由轴力N和弯矩M进行计算，公式为：

式中：A为桩面积（mm2）；As为钢筋面积（mm2）；at、a为面积比参数；fy为钢筋设计值（N/mm2）；fc为桩身抗压强度（N/mm2）；r、rs为桩半径、钢筋半径（mm）

通过计算，单根支护桩共计配置28根钢筋，直径为20mm，等级为HRB335级，且箍筋直径设计为14mm，采用螺旋箍形式。按照配筋，再反向计算坑内、外最大弯矩计算值为495.92kN·m，最大剪力计算值为305.66kN，均满足设计要求。

其次，再开展支护结构的稳定性计算，公式为：

式中：Kw为稳定性系数，Ma为倾覆弯矩；Mp为抵抗弯矩

为保证稳定性计算结果的全面性，将基坑开挖工况设置为3个，其中，工况1为第一道锚索施工后；工况2为第一道锚索施工后；工况3为第一道锚索施工后。经统计，得到此区3个工况的计算结果为：

工况1的计算结果：Kw1=21583.04/1462.82= 14.75≥1.25（1.25为规范规定的数值）。

工况2的计算结果：Kw2=18548.54/1462.82= 12.68≥1.25。

工况3的计算结果：Kw3=16932.79/1462.82= 11.58≥1.25。

经计算，各类工况条件下的稳定性均满足规范要求。

（2）Ⅱ区计算结果

Ⅱ区计算过程与Ⅰ区一致，计算公式不再赘述。首先，计算得到此区坑内、外最大弯矩计算值分别为434.82kN·m和392.76kN·m，最大剪力计算值为227.91kN。

通过计算，单根支护桩共计配置24根钢筋，直径为22mm，等级为HRB335级，且箍筋直径设计为14mm，采用螺旋箍形式。按照配筋，再反向计算坑内、外最大弯矩计算值为482.07kN·m，最大剪力计算值为286.49kN，均满足设计要求。

其次，也再根据式（3）进行支护结构的稳定性计算，并将此区开挖工况设置为4个，各工况依旧是相应锚索施工后，再经计算统计，得到4个工况的计算结果为：

工况1的计算结果：Kw1=22158.00/1462.82= 15.15≥1.25（1.25为规范规定的数值）。

工况2的计算结果：Kw2=18652.71/1462.82= 12.75≥1.25。

工况3的计算结果：Kw3=17105.22/1462.82= 11.69≥1.25。

工况4的计算结果：Kw4=13894.89/1462.82= 9.50≥1.25。

经计算，Ⅱ区各类工况条件下的稳定性均满足规范要求。

（3）Ⅲ区计算结果

此区主要开展支护结构的稳定性计算，且计算工况设置为两个，其中，工况1为上部放坡施作后；工况2为施工至坑底处。经统计，得到此区两个工况的计算结果为：

工况1的计算结果：Kw1=20546.27/1534.49= 13.39≥1.25（1.25为规范规定的数值）。

工况2的计算结果：Kw2=15482.15/1534.49= 10.09≥1.25。

经计算，Ⅱ区各类工况条件下的稳定性均满足规范要求。

据上述计算，得到3个分区支护措施均满足内力计算及稳定性计算要求，初步验证了各区支护措施的合理性。

3 基坑变形控制效果评价

3.1 评价方法的构建

由于基坑变形具显著非线性特征，提出通过极限学习机（Extreme Learning Machine,ELM）构建其预测模型[7]。据ELM原理，其数学形式的训练函数为：

式中：yj为输出值；L为隐层个数；g（x）为激励函数；βi、wi为各层间的连接权值；bi为阈值；xj为输入值。

按照ELM的训练思路，其预测结果可按零误差实现，即：

式中：N为验证样本数；tj为实测值

通过变形预测即可开展基坑变形控制效果评价，若基坑变形在控制变形值范围内，且具收敛趋势，那么进一步说明基坑支护措施是合理有效的。

3.2 评价结果分析

为有效掌握基坑施工过程中的变形特征，笔者重点统计了10个观测点的变形值，并统计得到其28期变形监测成果。经统计，10个观测点的累计变形值如下：

C1观测点：14.62mm；C2观测点：13.08mm；

C3观测点：19.68mm；C4观测点：12.05mm；

C5观测点：14.13mm；C6观测点：14.10mm；

C7观测点：18.92mm；C8观测点：16.13mm；

C9观测点：17.54mm；C10观测点：13.18mm。

据上，10个观测点的变形值范围为12.05～ 19.68mm，均在控制值范围内（变形控制值为35mm）。

为有效评价基坑变形的后续发展特征，提出以C3、C7和C9观测点作为后续分析的数据来源。经统计，得到此3个观测点的28期变形数据如表1所示。

表1 3个观测点的28期变形数据（单位：mm）

由表1可知，3个观测点的变形虽不断增加，但C3观测点的累计变形值为19.68mm，C7观测点的累计变形值为18.92mm，C9观测点的累计变形值为17.54mm，与变形控制值对比，还有一定的变形空间。

结合3.1节思路，利用ELM开展基坑变形预测，其预测结果见表2，且为便于描述，将预测值用指标K代替，相对误差用指标N代替，其主要用于评价预测精度，其值越小，预测精度越高。据表2，3个观测点的预测结果参数为：

表2 基坑变形预测结果

C2观测点。N值范围1.97%～2.14%，平均值为2.06%。

C7观测点。N值范围1.99%～2.21%，平均值为2.06%。

C8观测点。N值范围2.05%～2.18%，平均值为2.11%。

总体来说，3个观测点的预测精度响度，均具较优的预测效果，说明ELM在基坑变形预测中的适用性较强。

据ELM在29～32期的外推预测结果，3个监测点的变形值虽还会增加，但增加幅度明显减小，说明其变形后续趋于稳定，即具收敛趋势，进一步说明基坑支护措施是合理有效的。

4 结论

通过软土区基坑支护设计及变形控制效果评价，主要得出如下结论：

（1）基坑周边建筑物较为复杂，加之开挖地层以软土为主，工程性质相对较差，因此，对基坑进行分区支护设计，其中，Ⅰ区支护形式设计为“双排支护桩+锚索”；Ⅱ区支护形式设计为“单排支护桩+锚索”；Ⅲ区支护形式设计为“放坡+土钉墙”。

（2）基坑各观测点的现有变形量均在变形控制值范围内，且ELM在基坑变形预测中的适用性较强，并由29～32期的外推预测结果可知，3个监测点的变形值虽还会增加，但增加幅度明显减小，进一步说明基坑支护措施是合理有效的。