复杂环境条件下深基坑设计与变形监测分析

王春玲

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队，湖北 武汉 430030；2.武汉建材地质工程勘察院有限公司，湖北 武汉 430030）

在我国城市化进程不断加快的今天，大型复杂深基坑开挖已经成为我国城市基础设施建设中不可缺少的一部分，因此，在深基坑施工时，必须对周边建筑结构的安全性进行评价。近些年来，学者对复杂环境下深基坑设计已开展了相关研究工作。夏红春[1]基于有限元软件对深基坑复合支护结果进行了分析；张明[2]基于数值模拟和现场监测的研究方法分析了长短桩支护的力学性能；为了保证深基坑施工效果，何凯旋[3]研究了深基坑的施工方法并给出设计措施。

本文以某处于复杂环境中深基坑为研究对象，针对该地区的实际情况，首先对其进行支护设计，然后根据监测结果对其变形特性进行研究，为同类工程提供借鉴。

1 项目概况

该工程占地2650m2，设计层数26 层，基本形状为矩形，长度和宽度分别为86m 和30m，挖掘深度达13.5m，属深基坑。

通过对该工程的勘察发现，该工程的周围情况比较复杂，如图1所示，其北侧和东侧与已有公路相邻，其最小间距为32m、25m；西面与已有房屋相邻，是一栋住宅，与基坑之间的最小间距是18m，地基为天然地基；南面还紧邻着原有的房屋，其结构也是一栋居民楼，与基坑之间的最小间距是12m，地基采用小型桩基。在邻近的建筑物中，南侧建筑物与基坑间的距离很短，且该建筑物较为重要，因此会对深基坑的施工产生很大影响。

图1 平面示意图

根据现场调查数据，确定该基坑区的主要工程地质情况：该区域为冲积平原，海拔高度在756.28m～763.46m之间，高度相差7.18m左右，属于比较平缓的区域；基坑区未发现基岩，填土层以黏土为主，部分还含有建渣层，其厚度一般在0.8m～2.4m 之间；基坑附近水域较为发达，主要是低洼地区积水，其大小主要取决于降水的大小，地下水以上部滞水为主，在空间上没有均匀分布。

2 深基坑支护设计

2.1 支护方案确定

根据已有建筑物的特点，设计了初步的支护方案：

（1）北侧和东侧的基坑支护方案为“放坡+土钉墙”，坡面从地表以下2m处开始，坡度设置为1：0.5。土钉按3.5m 计算，垂直距离为1.5m，横向距离为2.0m，倾角为15°，坡面采用100mm厚C20混凝土浇筑。

（2）西侧和南侧的基坑支护方案为“放坡+桩锚”。①坡面由地表以下1.5m处开始，坡度设置为1:1.5；②设计桩长为18.5m，桩直径为1.2m，桩间距为1.4m，嵌岩深度不小于6.0m；③共设置3根锚杆，每个桩配置一个锚杆的形式，冠梁处为第一根锚杆，按照间距为2.5m的要求逐一设置，锚杆孔径是130mm，倾角为15°。

2.2 支护方案计算分析

2.2.1 计算方法

（1）内力计算法

为了得到基坑支护结构的内力，需要计算基坑的土层反力ps，其计算公式如式（1）所示：

式中ks代表反力指数；v代表位移数值；p0代表反力初始值。

根据土层反力ps的计算结果，以轴力N、弯矩M为依据，采用式（2）及式（3）分别求出支撑结构的配筋。

式中A代表截面积；fy和fc分别代表钢筋设计数值和混凝土强度；a和at代表面积指数；rs和As分别代表钢筋半径及面积；r代表支护桩半径。

（2）稳定性计算法

对于具有临空面的深基坑，其稳定因子Ks的表达式如式（4）所示。

式中Mp和Ma分别代表抗倾覆弯矩和倾覆弯矩。

2.2.2 结果分析

（1）北侧及东侧计算分析

通过分析发现，桩的横向变形呈中间大、两端小的特点，最大变形量为12.72mm，最大变形处距桩顶部4.2m；在距离开挖面3.4m 的地方，最大沉降达到11.65mm，二者都能满足工程变形要求。在荷载作用下，桩身的弯矩在-363.44kN·m～138.04kN·m的范围之间，剪力在-236.79kN·m～162.38kN·m范围内。对于边坡的稳定性，经分析，边坡的总体稳定系数达到1.594，大于1.3，符合设计要求；其抗倾覆稳定性为1.371，大于1.2，符合设计要求。

（2）西侧和南侧计算分析

通过分析发现，其位移变化规律与北侧及东侧相似，最大变形量为14.56mm，最大变形处距桩顶部3.2m；在距离开挖面4.5m 的地方，最大沉降达到12.65mm，二者都能满足工程变形要求。在荷载作用下，桩身的弯矩在-357.66kN·m～124.56kN·m的范围之间，剪力在-232.85kN·m～154.32kN·m范围内。对于边坡的稳定性，经分析，边坡的总体稳定系数达到1.594，大于1.3，符合设计要求；其抗倾覆稳定性为1.371，大于1.2，符合设计要求。

3 变形监测分析

3.1 数据分析

本文根据实际情况，设置12个水平位移监测点，监测频率为一日一次，共得到30个时段的监测数据，对各个观测点的累积变形值计算如下[4]：

J1 点：31.05mm；J2 点：28.54mm；J3 点：21.08mm；J4点：27.18mm。

J5 点：28.61mm；J6 点：26.68mm；J7 点：25.44mm；J8点：34.76mm。

J9 点：35.09mm；J10 点：35.05mm；J11 点：32.47m；J12点：24.91mm。

通常情况下，位移值越大，则具有较好的代表性。因此，拟选取J8、J9、J10、J11 四个最大变形监测点开展后续研究。

通过对深基坑工程的实际监测，对其进行了30 个时段的变形监测，得到监测数据如表1所示。由表1可知，4 个观测点累积变形量均呈现出逐渐增大的趋势，并接近警戒值（40mm)，变形空间很小。

为了更好地把握深基坑的变形特性，对以上4个测点进行了位移分析，得到了以下结论:

J8 点：变形速率的范围0.08mm/d～2.57mm/d，平均变化速率是1.09mm/d。

J9 点：变形速率的范围0.06mm/d～2.47mm/d，平均变化速率是1.10mm/d。

J10点：变形速率的范围0.06mm/d～3.63mm/d，平均变化速率是1.10mm/d。

J11点：变形速率的范围0.06mm/d～3.36mm/d，平均变化速率是1.01mm/d。

根据以上研究结果可以发现，深基坑在开挖过程中变形量已接近警戒值，位移变化速率很大，且有明显的变形特点。

3.2 建立预测模型

为了更好地把握深基坑的变形规律，建立预测模型研究其变形特点。极限学习机（ELM）是基于人工神经网络的改进模型，其具有操作便捷且准确度高的优点，本文以该理论为基础，建立了变形预测模型。基于ELM原理，得到了其函数式如式（5）所示[5]：

式中yj代表对深基坑的预测结果；βi和wi代表层间连接值；L代表隐层指数；g(x)代表函数；bi代表限制值；xj代表样本数值；N代表样本数量。

经过多次的试验，可以把模型预测结果看作是对一个期望值的零差近似，如式（6）所示:

式中ti代表期望值。

将式（6）与式（5）相结合可得式（7）为：

这样，式（7）可以用矩阵形式表示为：

式中T、H和β分别代表隐层、输出和权重矩阵。

考虑到深开挖面的快速变化特性，ELM 方法不能对其进行完整的描述，导致式（7）不能全部等效，存在着一些偏差，误差矩阵表达式为：

式中V代表误差矩阵。

3.3 结果分析

基于预测模型的计算结果，监测点的相对误差范围如下所示：

J8点：相对偏差在2.01%～2.26%之间，平均数值在2.13%左右；

J9点：相对偏差在2.05%～2.28%之间，平均数值在2.14%左右；

J10 点：相对偏差在2.05%～2.33%之间，平均数值在2.16%左右；

J11 站：相对偏差在2.06%～2.20%之间，平均数值在2.12%左右。

通过4个观测点的误差比较，发现预测模型的相对误差在很小的范围内，其平均数值也很低，表明ELM预测模型的准确性。在此基础上，通过对4个观测点的预测数据分析，得出相应的结论：

J832～35 周期预测变化速率分别为0.63mm/d、0.53mm/d、0.45mm/d、0.52mm/d；

J9 点32～35 周期预测变化速率分别为0.62mm/d、0.63mm/d、0.45mm/d、0.46mm/d；

J10 点32～35 周期预测变化速率分别为0.61mm/d、0.40mm/d、0.66mm/d、0.52mm/d；

J11 点32～35 周期预测变化速率分别为0.49mm/d、0.60mm/d、0.36mm/d和0.68mm/d。

总体而言，4 个测点的后期变形率都是正的，预示着以后的基坑变形会继续增大，但是，由于变形数值比较低，导致其变化率很低，表明以后的变形将逐渐趋于平稳。

4 结语

基于对处于复杂环境下的深基坑进行支护设计及变形监测，得到如下结论：

（1）基坑区周围环境比较复杂，根据工程地质条件，确定北侧和东侧的基坑支护方案为“放坡+土钉墙”，西侧和南侧的基坑支护方案为“放坡+桩锚”。

（2）深基坑的位移呈逐渐增大的特点，有些监测点的位移值偏大，但变形空间较小；根据变形预测结果可知，深基坑后期变形速率都为正值，表明以后的深基坑的变形量仍将增大，但其变化速率数值比较低，表明深基坑的变形量不大。

（3）通过本项目的研究，把握深基坑的支护设计和变形特性，提出变形超过警戒值的解决方案，以便在出现异常情况下，能够及时处理，防止灾害。