深大基坑的土体试验性能分析及预警体系构建

2024-01-08邹波

黑龙江科技大学学报 2023年6期

邹波

(南昌市建设工程综合监督事务中心, 南昌 330038)

0 引言

近年,基坑工程数量越来越多,考虑其施工条件的复杂性,开展其土体试验性能及变形预警分析具有重要意义[1-2]。在基坑土体试验性能研究方面,陈少杰等[3]在室内试验分析了基坑土体剪切模量。孟凡超等[4]通过抗剪试验研究了基坑土体的力学性能变化特征。上述研究虽取得了一定成果,但考虑不同地域土体物理力学性能的差异性,因此,仍有必要结合具体工程实际拓展此方面研究。同时,结合基坑工程实际,基坑变形预警一般通过两方面实现,即累计变形和变形速率,两者均是设置一定的警戒值,当现场监测值超过警戒值后即开展预警。该方法虽已广泛使用,但均未深入研究变形预警方法,加之王娟等[5]、鞠兴华等[6]也初步验证了极限位移判据和变形速率判据在基坑变形预警中的适用性,因此,运用两判据构建基坑变形预警体系。

综上分析,笔者考虑基坑所处地质条件,在开展其土体试验性能基础上,结合基坑沉降变形监测成果,通过极限位移判据和变形速率判据开展基坑变形预警,以期有效掌握基坑预警等级,为其安全施工提供一定的理论基础。

1 基本原理

文中分析思路主要包含两部分:一是通过抗剪试验分析基坑周边土体的试验性能;二是以基坑变形监测成果为基础,构建基坑预警体系。

1.1 试验方案的设定

1.1.1 试验方案

一方面,在现场勘查过程中,可取现场土样进行抗剪强度试验;另一方面,由于现场取样试验仅能代表勘察时的抗剪特征,因此,再进一步提出结构土、重塑土概念,充分计算不同孔隙比条件下的土体抗剪强度特征。其中,结构土是在取样土中添加一定量的添加剂,尽可能地还原土体结构特征。重塑土是通过重塑得到相应孔隙比条件下的试样。

考虑到软土常见孔隙比多介于0.6～1.2,因此,在结构土或重塑土制备过程中,将其试件孔隙比设置为四类,分别为0.6、0.8、1.0及1.2;同时,在抗剪试验过程中,竖向压力分别设置为100、200、300及400 kPa。

1.1.2 试样制备及试验仪器

重塑土是现场取样进行重塑即可。结构土是先将现场取样土烘干再碾碎,并再添加相应添加剂,在满足孔隙比制备基础上,尽可能地还原土体原有结构。在试样制备过程中,所用环刀的尺寸为61.8 mm×20 mm,待制备好试样后,参照文献[4],将养护3 d。

在试验过程中,所用试验仪器为等应变直剪仪,抗剪试验过程中的试样及仪器见图1。值得指出的是,在试验过程中,应执行《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)的相关规定。

图1 直剪试验的试样及仪器

1.2 预警体系的构建

文中主要从累计变形和变形速率构建基坑变形预警体系,即将预警判据划分为两类,极限位移判据和变形速率判据。

1.2.1 极限位移判据的构建

一般来说,基坑破坏时存在极限变形值,且由于地质条件等差异,不同监测点处的极限变形值也随之不同。因此,通过极限变形值来构建预警判据是可行的。结合极限变形值和现有变形值,构建出评价指标Fr计算公式为

Fr=St/Sc,

(1)

式中:St——现有变形值;

Sc——极限变形值。

文中Fr值介于0～1之间,其值越大,危险性越高,且欲求得评价指标Fr,需先求得极限变形值Sc;结合鞠兴华等[6]的研究成果,提出利用下式求解实现Sc,计算公式为

y=ae-b/x,

(2)

式中:y——拟合值;

a、b——常数;

x——时间变量。

当x值趋近于无穷大时,y趋近于极大值a,因此,将其作为极限变形值Sc。

1.2.2 变形速率判据的构建

结合实例实际,变形速率的预警值为2 mm/d,在变形速率判据的构建过程中,提出以变形预测实现基坑变形的外推预测,并利用其外推预测的变形速率均值作为判据指标。根据王飞[7]研究成果,基坑变形数据都会含有一定的误差信息,即变形监测值并不一定是基坑真实变形量,可将基坑变形监测值划分为真实分量和随机分量。局部均值分解(Local mean decomposition,LMD)已被广泛应用于数据分解处理。依据LMD原理,其分解过程为

(3)

式中:x(t)——变形监测值;

q——分解层数;

Fq(t)——真实分量信号;

u(t)——随机分量信号。

为有效评价LMD的分解效果,提出利用信噪比进行评价,其计算公式为

(4)

式中:Ps——变形监测数据的功率;

Pn——变形监测数据过滤后的功率。

依据信噪比原理,其值越大说明分解效果越优。由于已将变形监测数据分解为真实分量和随机分量,那么后续也需对两分量进行针对性的预测模型构建。

由于相关向量机(Relevance vector machine,RVM)的非线性预测能力较强[8-10],因此,以其为基础构建基坑变形真实分量的预测模型,结合RVM的基本原理,其训练函数为

(5)

式中:ti——变形预测值;

N——训练样本数;

wi——权重向量;

K(x,xi)——核函数;

w0——偏差向量;

zi——噪声向量。

依据RVM使用经验,其权值向量是模型随机产生,客观性欠缺,考虑到生物地理学优化算法(Biogeography based optimization,BBO)具有较强的寻优能力,因此,提出以其开展RVM的权值向量优化,优化流程为:(1)初始化生物群的初始栖息地,计算每个栖息地的适应度向量。(2)若栖息地适应度值不满足期望要求,则进行栖息地的迁移、变异,直至满足期望要求。(3)当满足期望要求后,输出最优解即可完成RVM的参数寻优。

将基坑变形真实分量的最终预测模型确定为BBO-RVM模型。值得指出的是,BBO-RVM模型虽具较优的预测能力,但其预测结果也会存在一定的预测误差,将其叠加至随机分量中,再利用Arima模型进行弱化预测,其训练函数为

(6)

式中:zt——新随机分量的预测值;

φm、θj——回归参数;

p、q——回归阶次;

at——白噪声。

通过BBO-RVM-Arima模型实现基坑变形预测,以其外推预测的变形速率均值开展在变形速率条件下的预警分级。

1.2.3 预警分级标准

结合工程实际,将基坑预警等级划分为四级,具体标准如下:Ⅰ级-绿色。极限位移判据的标准为Fr≤0.7,变形速率判据的标准为s≤0.8 mm/d,其应对措施为沉降变形正常,按照既有监测方案执行即可。Ⅱ级-黄色。极限位移判据的标准为0.70.9,变形速率判据的标准为s>2 mm/d,其应对措施为沉降变形已很大,不仅增加监测频率及响应防灾预案,还应立即提供,采取必要工程措施。最终预警等级按两类判据的最不利原则确定。

2 实例分析

2.1 工程概况

某地铁车站基坑近似沿南北展布,平面具长方形形态如图2所示。起止里程为CK6+945.6 m～ CK7+130.6 m,长度为185 m,宽度为19.7 m,标准段开挖深度为10.5 m,端头井开挖深度为13.2 m,具深大基坑特征;该车站采用双层岛式站台结构,明挖顺做开挖,开挖方量约5.8万 m3。

图2 基坑平面形态示意

结合勘察成果,开挖区范围内主要分布有5类地层,自上而下将其地层特征表述为:①填土层。主要分布于浅表层,分布范围较广,岩性主要为黏性土,局部夹杂少量碎石或建筑垃圾,结构较为松散,厚度主要介于0.6～1.7 m。②黏土层。灰黄色～暗绿色,可塑状,局部存在硬塑,含有铁锰质斑点,干强度、韧性均较高,分布厚度2.3～4.2 m,平均厚度约3.6 m。③粉质黏土层。灰黄色,软塑～可塑状,局部夹青灰色条纹,具光泽特征,干强度、韧性一般,下部粉粒含量相对略高,且局部夹少量薄层粉土,分布厚度2.2～4.8 m,平均厚度约3.7 m。④粉土夹粉质黏土层。灰色,软塑～可塑状,局部存在流塑,水平层理较发育,干强度一般,韧性较低,局部夹有薄层粉砂或粉土,分布厚度1.2～4.0 m,平均厚度约2.4 m。⑤粉质黏土夹黏土层。灰绿色～灰黄色,可塑状,含有铁锰质斑点,干强度、韧性均一般,局部分布黏土,且下部夹有薄层粉土,分布厚度一般大于18 m。各类土层分布特征如图3所示。

图3 基坑开挖范围内的土层分布

为保证基坑开挖安全,需对其进行支护设计,其外围主体采用地下连续墙结构,墙厚80 cm。在其内部施作了四道横撑,其中,横撑1为钢筋混凝土支撑,尺寸为0.5 m×0.6 m;横撑2～横撑4为φ609钢支撑的钢支撑。

2.2 土体试验性能分析

利用抗剪试验探寻基坑周边土体的试验性能,黏聚力与内摩擦角试验统计如图4和5所示。由图4可知,在基坑开挖范围内,主要是②黏土层、③粉质黏土层及④粉土夹粉质黏土层,因此,在该节分析过程中,主要以此三类地层进行试验分析。

图4 基坑土体黏聚力的试验结果

在试验过程中,按照1.1节中的试验方案进行,对三类土层现场取样进行抗剪强度试验,结果为:②黏土层的黏聚力为48.65 kPa,内摩擦角为14.23°。③粉质黏土层的黏聚力为33.15 kPa,内摩擦角为13.16°。④粉土夹粉质黏土层的黏聚力为11.02 kPa,内摩擦角为27.96°。

由图4可见,在土体黏聚力试验结果中,三类土体的黏聚力总体变化特征为:随孔隙比增加,结构土、重塑土的黏聚力均具减小特征,只是减小幅度存在差异,且在相应孔隙比条件下,结构土的黏聚力均较大程度上大于重塑土的黏聚力。

黏土层:当土体的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土较结构土的黏聚力减小幅度百分比由56.35%→42.25%→46.37%→41.76%。粉质黏土层:当土体的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土较结构土的黏聚力减小幅度百分比由32.51%→40.36%→35.22%→36.18%。粉土夹粉质黏土层:当土体的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土较结构土的黏聚力减小幅度百分比由25.65%→22.43%→20.44%→23.12%。

由图5可见,在土体内摩擦角试验结果中,三类土体的内摩擦角有与其黏聚力变化相近的特征。

图5 基坑土体内摩擦角的试验结果

黏土层:当土体的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土较结构土的内摩擦角减小幅度百分比由26.14%→34.06%→30.54%→31.49%。粉质黏土层:当土体的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土较结构土的内摩擦角减小幅度百分比由18.65%→21.45%→19.34%→22.04%。粉土夹粉质黏土层:当土体的孔隙比由0.6→0.8→1.0→1.2,重塑土较结构土的内摩擦角减小幅度百分比由20.11%→15.68%→17.46%→18.68%。

综上,结构土与重塑土的抗剪指标变化特征对比,得出两者虽随孔隙比增加而减小,但相比而言,在对应地层条件下,黏聚力的减小幅度相对更大。

2.3 基坑变形预警分析

在基坑变形监测过程中,地表沉降监测是必测项目,代表性较大,监测点布置如图2所示,共计有24个监测点,各监测点的累计沉降值见表1。由表1可知,在基坑不同位置处的沉降变形具有一定差异,结合图3中监测点的分布位置可知,在基坑长边中部位置处的沉降值相对更大,究其原因,应是与基坑长边处的支护结构刚度相对更小有关。

表1 基坑沉降变形结果

在基坑沉降变形监测成果中,沉降值变化范围为11.93～19.08 mm,平均值为15.59 mm,说明基坑沉降变形特征显著。限于篇幅,难以对所有监测点均进行变形预测分析,沉降变形值越大,其危险性越高,因此,选取沉降变形最大的4个监测点进行后续预警分析,利用DB-07、DB-09、DB-21及DB-23监测点进行后续预警分析。

利用1.2节思路,通过极限位移判据和变形速率判据开展基坑变形预警分析。经统计得到极限位移判据条件下的预警结果如表2所示。由表2可知,4个监测点的极限位移预警结果存在一定差异,其中,4个监测点的拟合度值介于0.943～0.960,具有较优的拟合效果,所得预警系数Fr介于0.71～0.83,即DB-09及DB-21监测点的预警等级为Ⅱ级,其余两个监测点的预警等级为Ⅲ级。

表2 极限位移判据条件下的预警结果

进一步开展变形速率判据条件下的预警分析,按照变形速率判据,先利用LMD开展其数据分解处理,且为充分验证LMD的分解效果,引入小波去噪及Kalman滤波进行同样的分解处理,得到三类模型的分解结果如表3所示。

表3 三类分解模型的结果

由表3可知,小波去噪的SNR值为31.05,Kalman滤波的SNR值为29.15,LMD的SNR值为37.12,三者对比得出LMD具有相对更优的分解效果,也验证了将其作为文中分解模型的合理性。

通过LMD已将基坑变形数据分解为了真实分量和随机分量,且由于该文利用BBO-RVM-Arima模型开展基坑变形预测,其过程具逐步组合特征,因此,以DB-07监测点开展不同阶段的预测结果分析;在其计算过程中,先开展其真实分量的预测分析,得其优化前后的真实分量预测结果如表4所示。

表4 DB-07监测点的真实分量预测结果

由表4可知,在DB-07监测点的真实分量预测结果中,BBO-RVM模型相较RVM模型具有相对更小的相对误差,说明通过BBO算法的优化处理,能有效提高预测精度。

据Arima模型的补充预测,得到DB-07监测点的最终预测结果,如表5所示。在DB-07监测点的最终预测结果中,相对误差介于1.87%～2.03%,平均相对误差为1.95%,具有较优的预测精度,且相较真实分量的预测精度有所提高,验证了Arima模型的有效性,也说明BBO-RVM-Arima模型对基坑变形的预测效果较优,利用其预测基坑外推变形速率是可行的。

表5 DB-07监测点的最终预测结果

进一步对其他监测点进行同样预测及外推预测,结果如表6所示。由表6可知,4个监测点的预测结果为:DB-07监测点的e值介于1.87%～2.03%,平均相对误差为1.95%。DB-09监测点的W值介于1.89%～2.06%,平均相对误差为1.96%。DB-21监测点的e值介于1.90%～1.96%,平均相对误差为1.93%。DB-23监测点的e值介于1.93%～2.02%,平均相对误差为1.97%。因此,各监测点的预测精度较高,侧面也说明其后续外推预测结果的可信度较高。

表6 各监测点的最终预测结果

由外推预测结果可知,4个监测点的后续变形仍会增加,但增加速率较小,其中,DB-07监测点外推预测的变形速率均值为0.67 mm/d,预警等级属Ⅰ级;DB-09监测点外推预测的变形速率均值为0.94 mm/d,预警等级属Ⅱ级;DB-21监测点外推预测的变形速率均值为0.99 mm/d,预警等级属Ⅱ级;DB-23监测点外推预测的变形速率均值为0.77 mm/d,预警等级属Ⅰ级。

最后,结合极限位移判据和变形速率判据的预警结果,开展基坑变形的最终预警分析,结果如表7所示。由表7可知,4个监测点在不同判据条件下的预警等级存在一定差异,按不利原则,最终确定DB-07、DB-23监测点的预警等级为Ⅲ级,DB-09、DB-21监测点的预警等级为Ⅱ级。