复杂深基坑支护设计分析及稳定性评价

摘" 要：为确保基坑安全施工，结合基坑所处地质条件、近接条件，先开展基坑支护设计分析，并通过规范公式计算、变形预测等开展基坑稳定性评价。分析结果表明，复杂地质条件、近接条件下的基坑支护设计分析是必要的，结合工程实际，将此文实例基坑的支护形式设计为“支护桩+两道锚杆”；同时，经基坑支护处理，基坑稳定性系数、抗隆起系数均大于规范相应限值，因此，支护体系满足规范稳定性及抗隆起要求，且变形预测显示其变形趋于稳定，变形预测值介于19.68～22.34 mm，小于变形控制值，说明基坑在后续一段时间内的稳定性较好，基坑支护结构的运营条件较好。

关键词：基坑；支护设计；变形预测；稳定性评价；支护结构

中图分类号：U231.3" " " 文献标志码：A" " " " " "文章编号：2095-2945（2024）35-0138-04

Abstract： In order to ensure the safe construction of the foundation pit， based on the geological conditions and proximity conditions of the foundation pit， the foundation pit support design analysis is carried out first， and the foundation pit stability evaluation is carried out through standard formula calculation and deformation prediction. The analysis results show that： It is necessary to analyze the design of foundation pit support under complex geological conditions and proximity conditions. Combined with the actual engineering， the support form of foundation pit in this example is designed as \"support pile + two anchor rods\"; At the same time， after foundation pit support treatment， the stability coefficient and anti-uplift coefficient of the foundation pit are greater than the corresponding limit values of the specification. Therefore， the support system meets the stability and anti-uplift requirements of the specification， and the deformation prediction shows that its deformation tends to be stable. The deformation prediction value is between 19.68 and 22.34 mm， which is less than the deformation control value， indicating that the stability of the foundation pit is good in the subsequent period of time and the operating conditions of the foundation pit support structure are good.

Keywords： foundation pit; supporting design; deformation prediction; stability evaluation; supporting structure

近年，市政基坑数量不断增加，其所处地质条件、近接条件也日趋复杂，为确保其安全施工，开展其支护设计分析及稳定性评价显得格外重要[1-2]。目前，蔡忠祥等[3]开展了软土区基坑支护设计；袁运涛等[4]开展了预应力支护桩在基坑支护中的应用效果研究；金平等[5]分析了异形基坑支护措施优化。上述研究虽取得了相应成果，但限于基坑所处地质条件、近接条件存在差异，因此，仍有必要开展针对性分析。

综合上述，此文结合基坑所处地质条件、近接条件，先开展基坑支护设计分析，并通过规范公式计算、变形预测等开展基坑稳定性评价，以期为其安全施工提供一定的理论支持。

1" 工程概况

本工程包括住宅、商业等，用地面积为3 528.50 m2（示意图如图1所示），地上拟建32层，包括3层裙楼，地下拟建2层地下室，开挖深度10.5 m，属深基坑。

由现场调查，基坑周边近接条件相对较为复杂，其中，北侧、西侧近接既有建筑，属性为住宅，层数为16层，地下一层，基础形式为筏板基础，最小净距约14.9 m；南侧近接既有道路，最小净距约23.7 m；东侧近接公园，无重要建构筑物，最小净距约29.3 m。

根据钻探资料，区内地层主要为填土、粉土、黏性土和砾岩，其中，填土主要为黏性土，杂色，固结性较差，多为欠压实，均一性差，平均厚度约2.5 m；粉土主要为灰色、褐色，可塑，局部存在软塑，均匀性一般，含水率较高，工程性质一般，平均厚度约3.6 m；黏性土主要为褐黄色，可塑，区内广泛分布，均匀性一般，偶见砾石，含量一般少于5%，平均厚度约3.3 m；砾岩为基岩，杂色，泥质胶结，强风化～中风化，局部可见空洞，揭露厚度大于10 m。结合室内试验及工程经验，将各类地层的物理力学参数统计见表1。

2" 基坑支护设计分析

经第1节分析，基坑周边近接条件相对较为复杂，加之开挖范围内地层条件所具的工程性质也较为一般，因此，开展其支护设计分析是必要的。

2.1" 支护方案设计

由JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》，基坑安全等级为二级，周边超载设置为一个，荷载值为20 kPa，支护年限设计为2年。

结合工程实际，将其支护形式设计为“支护桩+两道锚杆”，其中，支护桩桩径为0.8 m，桩长为17.5 m（包括10.5 m的悬臂段和7 m的嵌固段），水平间距1.4 m，材质为钢筋混凝土，混凝土等级为C30，并于顶部设计冠梁，尺寸为0.8 m×1.0 m，也为钢筋混凝土材质。两道锚杆沿支护桩竖向展布，锚杆1位于冠梁中部，入射角为25°，总长17.0 m（含锚固段10.5 m，自由段6.5 m），锚固体直径为15 cm，所定值为250 kN；锚杆2位于锚杆1下部4 m，入射角为25°，总长14.0 m（含锚固段9.0 m，自由段5.0 m），锚固体直径为15 cm，所定值为250 kN。

据上，基坑支护结构示意如图2所示。

2.2" 支护措施计算

该节重点再对各类支护措施开展计算，首先，通过增量法计算得到支护桩承受的弯矩介于298.27～322.51 kN·m，最大剪力为204.71 kN，并通过式（1）开展其计算，即

式中：M为弯矩设计值（kN）；fy为钢筋强度值（N/mm2）；at、a为桩和钢筋的特征参数；As、A为钢筋、支护桩的截面积（mm2）；fc为混凝土强度（N/mm2）；rs、r为钢筋、支护桩的半径（mm）。

通过计算，支护桩纵向钢筋所需面积为7 492.8 mm2，箍筋所需面积为497.2 mm2，因此，设计26根20 mm的主筋和间距20 mm的直径12 mm箍筋，实配主筋面积为8 169.2 mm2，箍筋面积为565.5 mm2，配筋均满足要求。

其次，内力计算显示锚杆1和锚杆2的设计值分别为205.2 kN和211.7 kN，并通过下式（2）开展锚固力Pt计算，即

式中：F为锚杆设计值（kN）；φ为摩擦角（°）；β为入射角（°）；a为滑面与锚杆间夹角（°）。

通过计算，得到锚杆1所需配筋面积为692.2 mm2，锚杆2所需配筋面积为750.4 mm2，因此，对锚杆1配置1E32钢筋，锚固段设计为10.5 m，自由段设计为6.5 m，实际配筋面积为804.0 mm2，满足要求；对锚杆2配置1E32钢筋，锚固段设计为9.0 m，自由段设计为5.0 m，实际配筋面积为804.0 mm2，也满足要求。

3" 基坑稳定性评价

3.1" 评价思路的构建

为确保基坑稳定性评价结果的准确性，一方面，对基坑支护后的稳定性进行评价；另一方面，通过变形预测评价基坑稳定性的发展趋势。

首先，在基坑支护后的稳定性评价结果中，主要利用圆弧法开展基坑稳定评价及抗隆起评价，计算公式分别为

式中：Kw为稳定性计算系数；KL为抗隆起的计算系数；Ma为开挖后的倾覆弯矩；Mp为支护后的抵抗弯矩；r1、r2为坑外、内土重度；D为桩嵌入深；q为超载度；Nq、Nc为地基系数。

其次，鉴于BP神经网络具有较强的非线性预测能力[6]，提出以其实现基坑变形预测，且其原理是通过正、反向重复训练来提升预测精度，在模型参数中，连接权值、阈值对预测精度具有较大影响，其中，连接权值公式为

式中：wij为输入层与隐含层间的连接权值；E为误差平方和；wjk为隐含层与输出层间的连接权值；η为学习速率。

阈值公式为

式中：Bij为输入层与隐含层间的阈值；Bjk为隐含层与输出层间的阈值。

为尽可能确保BP神经网络参数的最优性，进一步利用粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）开展此两参数的寻优处理，且在其优化过程中，主要是通过更改粒子位置来探究参数变化效果，计算公式为

，" "（7）

式中：vn-1、vn为粒子更新前后的位置信息；w为惯性权重；r1、r2为随机参数；c1、c2为学习因子。

据式（7），通过粒子位置更新，得到权值、阈值的更新值为

式中：wmax为最大权重，取值为0.85；wmin为最小权重，取值为0.45；tmax为最大迭代次数；t为迭代次数。

据上，将基坑变形预测模型确定为PSO-BP，其预测结果若显示基坑变形趋于稳定且预测值小于变形控制值35 mm，那么说明基坑在后续一段时间内的稳定性较好。

3.2" 评价结果分析

3.2.1" 基坑支护后的稳定性评价结果

在基坑支护后的状态下，选择了5个剖面进行式（3）的稳定性评价，得到其Kw依次为1.508、1.729、1.468、1.669和1.537，均大于规范要求的1.25，因此，判断基坑采取支护措施后满足稳定性要求。

其次，再利用式（4）开展抗隆起稳定性评价，得到此基坑KL值为9.125，大于规范要求的1.80，因此，在基坑采取支护措施后也满足抗隆起要求。

3.2.2" 基坑变形预测的稳定性评价结果

在基坑监测数据整理过程中，按照两天一期的频率进行整理，共计得到12个代表性监测点（沿顺时针布置，具体如图1所示）的45期变形成果，12个变形监测点的累计变形结果见表2。据表2，12个监测点的累计变形变化范围为13.06～22.06 mm，均值为18.11 mm。

限于篇幅，难以对12个监测点均开展变形预测，因此，选择变形最大的j4、j8及j10进行后续预测分析，并统计得到此3个监测点的变形数据见表3。

由于预测模型为PSO-BP，存在优化过程，因此先以j4监测点为例，进行优化前后的预测效果对比分析，结果见表4。据表4，在42—45期变形预测结果中，PSO-BP相应节点处相对误差值均不同程度小于BP相应节点处相对误差值，且前者的相对误差均值为2.02%，后者的相对误差均值为2.79%，因此，充分说明开展BP神经网络参数优化处理的必要性，其处理能有效提高预测精度。据上，在PSO-BP开展其他监测点的变形预测，结果见表5。据表5，3个监测点的预测精度相当，其中，j4的相对误差范围介于1.96%～2.12%，均值为2.02%，j8的相对误差范围介于1.93%～2.12%，均值为2.06%，j10的相对误差范围介于2.04%～2.14%，均值为2.08%，因此，充分验证了PSO-BP在此文实例中具有良好的预测效果。

通过3个监测点在46—48期的外推预测，j4监测点在此3 d的变形速率依次为0.22、0.20和0.29 mm/期，j8监测点在此3 d的变形速率依次为0.20、0.33和0.40 mm/期，j10监测点在此3 d的变形速率依次为0.10、0.23和0.23 mm/期。

因此，3个监测点的累计变形具小速率增加特征，但趋于稳定方向发展，加之其始终小于变形控制值的35 mm，满足设计变形控制要求，因此，说明基坑在后续一段时间内的稳定性较好，基坑支护结构的运营条件较好。

4nbsp; 结论

通过复杂深基坑支护设计分析及稳定性评价，所得结论主要如下。

1）在复杂地质条件、近接条件基础上，加强基坑支护设计分析是必要的，结合工程实际，将其支护形式设计为“支护桩+两道锚杆”。

2）在稳定性评价过程中，经基坑支护处理，其满足稳定性、抗隆起要求，且变形预测显示其变形趋于稳定，预测值也小于变形控制值，基坑在后续一段时间内的稳定性较好，满足规范、设计要求。

参考文献：

[1] 黄世政.基于复杂环境的深基坑设计与变形监测分析[J].中国新技术新产品，2023（16）：118-120.

[2] 孙海浩，王园.复杂环境条件下深基坑设计与变形监测分析[J].中国新技术新产品，2023（15）：121-123.

[3] 蔡忠祥，岳建勇，张凯，等.软土地基文物建筑正下方基坑支护设计与实践[J].地下空间与工程学报，2023，19（S1）：235-244.

[4] 袁运涛，郭晨涛，李苏春，等.新型预应力钢桁架支护桩设计及应用研究[J].建筑结构，2023，53（8）：143-147，142.

[5] 金平，王涛，蔡海兵，等.L形地铁换乘车站超深基坑支护结构设计优化分析[J].城市轨道交通研究，2023，26（1）：60-64.

[6] 蒙国往，刘家粱，黄劲松，等.基于BP人工神经网络的深基坑围护结构水平位移预测研究[J].都市快轨交通，2022，35（3）：80-88.