吳 波，張子儀，黃 惟

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 3.廣州城建職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 廣州 510925)

0 引言

砂土分布在我國(guó)大部分地區(qū)，屬于敏感性地層，在施工過(guò)程中受擾動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生液化現(xiàn)象，這對(duì)地表建筑及地下結(jié)構(gòu)帶來(lái)巨大危害[1]。因砂土層影響基坑的受力情況，在相同基坑參數(shù)下，砂土層中的基坑更不穩(wěn)定，施工風(fēng)險(xiǎn)更大，從宏觀上表現(xiàn)為基坑開挖變形量增大。

基坑穩(wěn)定性的理論計(jì)算方法主要采用極限平衡法，最初由Pettersson提出將瑞典圓弧法用于邊坡穩(wěn)定性分析，但該法未考慮土條間的相互作用力；Fellenius[2]逐漸完善瑞典圓弧法，將其應(yīng)用到需考慮摩擦力和黏結(jié)力的土壤中；Terzaghi[3]在此基礎(chǔ)上發(fā)展極限平衡法，用于基坑穩(wěn)定性分析。學(xué)者們對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行大量研究。陳鴻志等[4]提出土方超挖或欠挖會(huì)破壞原本支護(hù)體系，使得基坑或工程樁單向不均衡受力從而威脅基坑的穩(wěn)定性?；诂F(xiàn)有數(shù)值方法的計(jì)算中未充分考慮地下水滲流影響因素[5]，王傳霖[6]通過(guò)建立模型研究發(fā)現(xiàn)降水能夠使得粉質(zhì)黏土地層的摩擦角和黏結(jié)力提高，從而降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，同時(shí)，對(duì)土體進(jìn)行加固處理能夠增加其強(qiáng)度，有效提高基坑穩(wěn)定性；何應(yīng)道[7]基于流固耦合數(shù)值模擬分析方法研究得到地層滲透系數(shù)的改變對(duì)基坑底板隆起的影響較大，對(duì)墻后地表沉降和地連墻水平位移的影響較??；黃湖亮[8]研究發(fā)現(xiàn)基坑寬度越小，插入比越大，土體參數(shù)越好，對(duì)基坑的整體穩(wěn)定性提高越明顯；鐘俊輝等[9]提出基坑周圍軟土深度與基坑深度比值越大，墻體最大水平位移對(duì)應(yīng)深度與基坑深度比值也越大，且對(duì)土體進(jìn)行加固能夠控制變形的發(fā)展；王峻科等[10]通過(guò)有限元分析得出增加基坑支護(hù)插入深度和墻體剛度均能減小變形，提高基坑的穩(wěn)定性，但這種作用達(dá)到一定程度后不再顯著；贠永峰等[11]通過(guò)對(duì)基坑開挖過(guò)程的實(shí)時(shí)安全評(píng)判得出深層土體開挖會(huì)引起較大的圍護(hù)墻位移和土體沉降。對(duì)于砂土等軟土地層深基坑穩(wěn)定性的研究方面，彭林[12]利用Midas GTS研究在易觸變性土層中不同插入比對(duì)地連墻和鋼支撐的影響，提出地連墻墻頂水平和豎向位移隨地連墻插入比增大基本呈減小趨勢(shì)，地連墻墻體水平位移和鋼支撐軸力隨地連墻插入比增大基本呈逐漸增大的趨勢(shì)；夏建中等[13]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)軟土地區(qū)基坑內(nèi)的土體加固能夠有效減少地表沉降，在一定范圍內(nèi)加固程度越大，沉降越小，超過(guò)該范圍則變化幅度不再明顯。

現(xiàn)有研究主要是針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、開挖土層和基坑本身的相關(guān)參數(shù)，從變形情況和安全系數(shù)[14-15]2方面對(duì)基坑穩(wěn)定性情況展開研究。但關(guān)于系統(tǒng)的多因素耦合作用對(duì)基坑穩(wěn)定性的具體影響方式鮮有研究，尤其是針對(duì)砂土層。本文利用正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)砂土地層中的基坑開挖實(shí)例中的相關(guān)參數(shù)量化指標(biāo)進(jìn)行分析，從而得到各參數(shù)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響方式和影響程度大小。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)基于正交拉丁方法設(shè)計(jì)，能夠通過(guò)部分試驗(yàn)代替全部試驗(yàn)[16]，對(duì)部分試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，從而了解全部試驗(yàn)的情況，可大大減少人力物力的消耗。本文用基坑開挖到底時(shí)的支擋水平位移、地表沉降值和基坑坑底隆起值的最大值來(lái)衡量基坑的穩(wěn)定性，根據(jù)研究現(xiàn)狀內(nèi)容選取基坑深度、地下水位、圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比(以下簡(jiǎn)稱插入比)、土體加固系數(shù)、鋼支撐數(shù)量和支擋強(qiáng)度6個(gè)基坑開挖設(shè)計(jì)參數(shù)作為影響因素，設(shè)計(jì)L25(56)的正交試驗(yàn)，見表1。

表1 正交試驗(yàn)的因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用Midas GTS NX軟件模擬基坑開挖過(guò)程，試驗(yàn)中土層參數(shù)采用砂土的一般性質(zhì)，土層參數(shù)見表2。

表2 模型土層參數(shù)Table 2 Soil stratum parameters of model

基坑寬度統(tǒng)一為20 m，為確保模型收斂，所有模型均架設(shè)1道混凝土撐，位于地面以下0.5 m處，鋼支撐均勻架設(shè)，各支撐之間的間距相同。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

特別說(shuō)明的是，部分試驗(yàn)號(hào)的施工參數(shù)與實(shí)際不太相符，且結(jié)果未滿足基坑變形的控制值，這是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)僅作為通用性分析，并不針對(duì)某一實(shí)際工程，因此結(jié)果仍是可取的。以試驗(yàn)3為例，模型如圖1所示。正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Structural parameters

圖1 正交試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽釬ig.1 Schematic diagram of orthogonal test model

表4 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 4 Scheme and results of orthogonal test

模擬過(guò)程中僅改變影響因素，其他條件不變。其中地下水位表示地下水距離開挖面的距離，在施工階段中定義；土體加固系數(shù)則通過(guò)土體的模量和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別乘以相應(yīng)系數(shù)來(lái)反映。

2.1 極差分析

根據(jù)表4的正交試驗(yàn)結(jié)果，采用直觀分析法(極差分析法)對(duì)其進(jìn)行分析。具體步驟如下：

1)根據(jù)表1中劃分的正交試驗(yàn)水平，計(jì)算各因素第i(i=1,2,3,4,5)水平下的考核指標(biāo)數(shù)值之和Kzi(支擋水平位移),Kdi(地表沉降值),Kki(坑底隆起)；

1)支擋水平位移

表5 支擋水平位移極差分析結(jié)果Table 5 Range analysis results of horizontal displacement of retaining wall

表6 地表沉降值極差分析結(jié)果Table 6 Range analysis results of surface settlement value

表7 坑底隆起值極差分析結(jié)果Table 7 Range analysis results of uplift value of pit bottom

2)地表沉降

3)坑底隆起

但是由極差分析所得的最優(yōu)水平組合并非實(shí)際的最優(yōu)組合，在實(shí)際工程中還需結(jié)合施工難易度、經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮。

2.2 方差分析

方差分析能夠彌補(bǔ)試驗(yàn)水平和誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。進(jìn)行方差分析時(shí)，因?yàn)檎辉囼?yàn)無(wú)額外誤差列，所以將影響程度最小即R值最小的1列作為誤差列考慮。因此，支擋水平位移、地表沉降和坑底隆起的誤差列分別為因素Ⅲ、因素Ⅲ和因素Ⅴ，方差分析結(jié)果見表8。

表8 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果Table 8 Variance analysis results of orthogonal test

表8(續(xù))

定義顯著程度S為：若FF0.01(4,4)，則S=3，為主導(dǎo)影響因素。由于誤差列選取的是影響程度最小的因素，認(rèn)定為對(duì)指標(biāo)無(wú)顯著影響，取S=0。通過(guò)表8可以看出：對(duì)于支擋水平位移，基坑深度、地下水位和支擋強(qiáng)度是主導(dǎo)影響因素，土體加固系數(shù)和鋼支撐數(shù)量是一般影響因素，插入比對(duì)其無(wú)顯著影響；對(duì)于地表沉降，基坑深度是主導(dǎo)影響因素，地下水位是次要影響因素，支擋強(qiáng)度是一般影響因素，插入比、土體加固系數(shù)和鋼支撐數(shù)量對(duì)其無(wú)顯著影響；對(duì)于坑底隆起，基坑深度、地下水位和插入比是主導(dǎo)影響因素，支擋強(qiáng)度是次要影響因素，土體加固系數(shù)是一般影響因素，鋼支撐數(shù)量對(duì)其無(wú)顯著影響。

3 基坑穩(wěn)定性參數(shù)敏感分析

為綜合考慮各因素對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響大小，將3個(gè)考核指標(biāo)下各因素的顯著程度值S進(jìn)行代數(shù)相加，其代數(shù)和結(jié)果越大則表明該因素對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響程度越大，結(jié)果見表9。

由表9可知，影響基坑穩(wěn)定性的因素按影響程度從大到小排序?yàn)椋夯由疃?、地下水位、支擋?qiáng)度、插入比、土體加固系數(shù)、鋼支撐數(shù)量。同時(shí)能夠得到，砂土層地區(qū)的深基坑開挖工程的開挖深度以及地下水是影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，在實(shí)際工程中需尤為關(guān)注此2個(gè)因素，當(dāng)基坑深度確定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整降水方案和圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到提高基坑穩(wěn)定性的目的。

表9 基坑穩(wěn)定性參數(shù)敏感分析結(jié)果Table 9 Sensitivity analysis results of stability parameters of foundation pit

4 結(jié)論

1)選取支擋水平位移、地表沉降和坑底隆起的最大值作為基坑的穩(wěn)定性指標(biāo)，各因素對(duì)其影響主次分別為：基坑深度>地下水位>支擋強(qiáng)度>鋼支撐數(shù)量>土體加固系數(shù)>插入比；基坑深度>地下水位>支擋強(qiáng)度>土體加固系數(shù)>鋼支撐數(shù)量>插入比；基坑深度>地下水位>插入比>支擋強(qiáng)度>土體加固系數(shù)>鋼支撐數(shù)量。

2)支擋水平位移的主導(dǎo)影響因素為基坑深度、地下水位和支擋強(qiáng)度，一般影響因素為土體加固系數(shù)和鋼支撐數(shù)量；地表沉降的主導(dǎo)影響因素為基坑深度，次要影響因素為地下水位，一般影響因素為支擋強(qiáng)度；坑底隆起的主導(dǎo)影響因素為基坑深度、地下水位和插入比，次要影響因素為支擋強(qiáng)度，一般影響因素為土體加固系數(shù)。

3)綜合考慮下，各因素對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響主次排序?yàn)椋夯由疃?地下水位>支擋強(qiáng)度>插入比>土體加固系數(shù)>鋼支撐數(shù)量。

4)在實(shí)際砂土地層基坑施工工程中，開挖深度較大時(shí)可以采取分段放坡開挖的方式，防止深層開挖引起較大的變形；對(duì)于含水量較高的砂層，需要采取一定的降水、排水措施，保持基底干燥，提高基坑穩(wěn)定性，預(yù)防流砂、突涌等風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。

5)從施工參數(shù)設(shè)計(jì)層面考慮，增加支擋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和入土深度是控制砂土地層基坑穩(wěn)定性較為經(jīng)濟(jì)有效的措施。