银川市复杂环境下深基坑稳定性安全评价研究.pdf

地基与基础建 筑 技 术 开 发172 Foundation and BasementBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月银川市复杂环境下深基坑稳定性安全评价研究李学娟（宁夏建筑科技与产业化发展中心，银川 750001）摘要 为解决复杂环境下深基坑工程的稳定性安全评价难题，以银川市宁夏水利研发大厦1号科研大厦深基坑工程为研究对象，在分析基坑工程地质和设计条件的基础上，结合基坑工程围护结构内力和变形、地表位移的实际监测数据，运用遗传算法预测深基坑工程在施工过程中的整体稳定性安全系数和抗倾覆稳定系数。关键词 深基坑工程；复杂环境；稳定性；安全评价 中图分类号TU 473.2 文献标志码B 文章编号1001-523X（2023）08-0172-03STUDY ON STABILITY AND SAFETY EVALUATION OF DEEP FOUNDATION PIT UNDER COMPLEX ENVIRONMENT IN YINCHUAN CITYLi Xue-juan AbstractIn order to solve the problem of stability and safety evaluation of deep foundation pit engineering under complex environment,this paper takes the deep foundation pit engineering of Ningxia Water Conservancy Research and Development Building No.1 Research Building as the research object,based on the analysis of foundation pit engineering geology and design conditions,combined with the actual monitoring data of the internal force,deformation and surface displacement of the foundation pit engineering enclosure.The genetic algorithm is used to predict the overall stability safety factor and anti-overturning stability factor of deep foundation pit engineering in the construction process.Keywordsdeep foundation pit engineering;complex environment;stability;safety evaluation深基坑工程的出现极大地改善了城区的土地利用格局，在有限的土资源条件下可以获得更大的开发利用和交通活动空间，深基坑工程也面临着“深、大、难”的趋势12。基坑周边的环境错综复杂，基坑地层力学性质具有随机性和空间各向异性，加之基坑结构设计不合理、施工方法不科学和不完善等原因，基坑面临失稳的风险日益加剧，基坑事故也频见报道。为了在复杂的影响因素条件下，评估深基坑工程开挖时的稳定性，达到提高基坑工程围护结构安全和降低周边环境影响的目的，研究深基坑工程的稳定性安全评价具有十分重要的意义3。1 工程概况宁夏水利研发大厦1号科研大厦工程主体结构为钢筋混凝土框剪结构，地上13层，地下2层，建筑高度52.2 m。场地设计地坪标高0.000为1109.79 m，原始地貌高程测量平均为1109.46 m，根据结构图筏形底相对高程为11.5 m，基坑开挖深度经计算为11.17 m，基坑支护周长约300 m。基坑东侧分布着诸多市政地下管线（通信、交通信号、路灯、雪亮工程监控、消防管道、给水管道、排水管道），基坑南侧有国电管廊，距离国电地下管廊仅有1.3 m，基坑东南段国电管廊工作间距建筑物外墙不足1.2 m，对基础施工和基坑工程有较大影响，施工前需要人工开挖探坑，探明管线具体位置和走向，必要时采取加固保护措施和迁移措施。基坑西侧和北侧方向周边开阔，没有障碍物，满足放坡要求。周边环境较为复杂，基坑支护结构安全等级西侧和北侧为二级，基坑支护结构安全等级东侧和南侧为一级。2 场区工程地质条件场区位于银川平原的中部，银川平原第四系土层厚约1 600 m，厚度巨大，层位稳定，土质密实且均匀，基底沿贺兰山走向分布次生断裂带，至今尚未发现活动痕迹，未造成对建筑物的直接威胁，该区域区域工程地质条件是稳定的，是良好建筑物拟建场地。场区基坑各岩土层基本物理指标试验结果见表1。3 基坑工程设计基本条件基坑支护北侧、西侧设计为10.6坡比放坡土钉收稿日期：20230304作者简介：李学娟（1970），女，宁夏中宁人，高级工程师，主要研究方向为深基坑稳定性安全评价及事故预防。地基与基础建 筑 技 术 开 发 173Foundation and BasementBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月表1 场区基坑各岩土层的基本物理指标试验结果土层指标平均值最小值最大值标准差f变异系数样本数n2素填土含水量w/%20.515.224.72.770.148天然重度/kNm-317.917.318.400.450.038干重度d/kNm-31.491.451.510.020.018饱和度Sr/%6851809.140.148天然孔隙比e00.8200.7920.8370.0230.038粉质粘土含水量w/%24.223.425.10.500.028天然重度/kNm-319.218.819.600.310.028干重度d/kNm-31.541.521.580.020.018饱和度Sr/%8781934.000.058天然孔隙比e00.7620.7250.7930.0240.038液性指数0.490.440.540.030.0781粉土含水量w/%24.923.126.31.270.056天然重度/kNm-319.318.919.700.290.026干重度d/kNm-31.551.531.570.020.016饱和度Sr/%9082974.950.056天然孔隙比e00.7450.7220.7680.0220.0362粉质粘土含水量w/%24.624.624.61天然重度/kNm-319.319.319.301干重度d/kNm-31.551.551.551饱和度Sr/%8989891天然孔隙比e00.7560.7560.7561液性指数0.410.410.411墙支护形式。土钉钢筋采用HRB400级钢筋，直径为22 mm，注浆土钉、锚杆钻孔直径为120 mm，梅花形布置间距1500 mm；土钉与水平面夹角为10；注浆材料选用42.5R普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5，其强度等级为20 MPa。坡面面层内挂成品钢板网（网目50孔90孔，厚3.0 mm），土钉钉头设2 14L300十形筋，与土钉连接（焊接），面层喷射100厚C20细石混凝土进行防护，坡面上设置泄水孔，泄水孔（L1 000 mm 50PVC），水平间距5 000 mm，竖向间距3 000 mm。基坑支护南侧、东侧设计采用灌注排桩+预应力锚索，灌注桩桩径为800 mm，其中B、D、E段采用支护桩+锚索支护结构，桩间距为1.6 m，桩长为19 m，预应力锚索设一排18 000 mm（Lf=6.5 m）1600预应力锚索，锚索成孔孔径为150 mm，倾角为25度，锚索注浆体强度为M25。C段为悬臂桩桩间距为1.0 m桩长为22 m。桩身混凝土强度等级为C35，保护层厚度为50 mm。地下水位平均标高为1 104.610 m，则地下水位相对标高为4.850 m，降水工程设计采用混凝土管井降水，井深30.0 m，井间距12.0 m，大口径管井600 mm，除基坑东侧5口井外其余井均设计在基坑内，基坑降水要求为：按不小于基坑底面下1.0 m设计，即水位降至相对标高13.650 m以下。4 基于遗传算法的基坑稳定性安全评价4.1 遗传算法的计算原理遗传算法是一种模仿自然界生物种群进化的数学计算方法，其基本思想是求目标函数（适应度函数）的极值问题，并可以用数学模型进行表达，如公式（1）所示。遗传算法通过个体的基因编码突变和种群基因染色体的交换组合，考虑自然界优胜劣汰的生存法则，逐步迭代寻求问题的全局最优解。遗传算法的数学求解过程包括了基因编码，生成初始种群，群体中个体的解码，计算各个个体的适应度函数、判断是否满足自然选择，不满足时根据适应度函数选择父本个体，基因交叉与变异生成子个体和新种群，重复判断是否满足自然选择，直到满足条件终止判断4。RUR（1）式中：x为n维向量空间组成的决策向量，x=x1，x2，xnT；f（x）为待求解的目标函数，R为自然数，U为基本空间。适应度函数是量化个体在种群中的生存能力，是执行优胜劣汰生存法则的重要载体，且规定其函数值为非负值，其适应度值增大方向，表明为目标函数朝着最优解接近的方向。由于目标函数的可能是正值，可能是负值，也可能是复数，为了保证目标函数与适应度函数的映射关系，得到非负的适应度值，需要建立两者的数学映射关系。对于求解目标函数的最小值，可以引入一个合适的输入值Cmax，建立目标函数与适应度函数的数学映射关系如公式（2）所示。，（2）式中：g（x）为适应度函数；Cmax为目前为止遗传迭代求解的目标函数极大值。同样地，对于求解目标函数的最大值，可以引入一个合适的输入值Cmin，建立目标函数与适应度函数的数学映射关系如公式（3）所示。，（3）式中：Cmin为目前为止遗传迭代求解的目标函数地基与基础建 筑 技 术 开 发174 Foundation and BasementBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月极小值。遗传算法交叉与变异过程如图1所示，深基坑工程稳定性安全评价的遗传算法实现过程如图2所示。?1 100 011 1000 111 010 1010 111 010 0011 011 011 011?54.538.343.734.613241324?1 100 010 1010 110 011 1001 100 011 1000 110 010 001?1 100 010 0010 111 011 100?图1 遗传算法的交叉与变异过程?YES?NO?图2 深基坑工程稳定性安全评价的遗传算法实现过程4.2 基于遗传算法的基坑稳定性安全评价结果分析将基坑工程的桩顶水平位移、边坡坡顶竖向位移、地表沉降、深层水平位移和桩基弯矩的实际监测结果作为遗传算法的训练样本，运用MATLAB语言程序执行图2和图3计算步骤，得到深基坑工程稳定性安全评价的寻优过程如图4所示。1.0 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5 06001 200 1 800 2 400 3 000 3 600 4 200?/?图4 深基坑工程最优稳定性系数寻优过程从图4中可以看出，随着遗传迭代的增加，整体稳定性安全系数和抗倾覆稳定性系数均不断减小。基于遗传算法的深基坑工程稳定性安全系数具有高效计算性能，在迭代50代时，整体稳定性安全系数和抗倾覆稳定性系数即可达到稳定收敛值，耗费时间为1.73 s，基坑整体稳定性安全系数的收敛值为1.45，大于规范中1.35的要求，基坑抗倾覆稳定性系数的收敛值为1.33，大于规范中1.25的要求。综合分析表明，经过遗传算法预测得到的基坑稳定性处于安全状态。5 结束语以银川市宁夏水利研发大厦1号科研大厦深基坑工程为研究对象，在分析基坑工程地质和设计条件的基础上，结合基坑工程围护结构内力和变形、地表位移的实际监测数据，运用遗传算法预测深基坑工程在施工过程中的整体稳定性安全系数和抗倾覆稳定系数，得到以下几个结论。对于复杂环境下的基坑工程，将基坑工程的桩顶水平位移、边坡坡顶竖向位移、地表沉降、深层水平位移和桩基弯矩的实际监测结果作为遗传算法的训练样本，运用MATLAB语言程序即可执行计算。参考文献1 董建军,谢郑权,杨嫡,等.锚杆锚固段拉脱失效对基坑安全稳定性的影响研究J.安全与环境学报,2022,22(1):97102.2 翟越,汪铁楠,屈璐,等.基于IFS动态加权的地下综合体深基坑施工风险评价J.安全与环境学报,2021,21(4):13891396.3 有维宝,王建波,刘芳梦,等.基于多级物元分析的地铁车站深基坑施工风险评价J.数学的实践与认识,2021,51(16):111120.4 商兆涛,姚家李,夏琴,等.基于强度折减理论的深基坑稳定性分析J.合肥工业大学学报(自然科学版),2022,45(9):12091215.