摘要：采用正交分析法将搅拌桩复合土钉支护下的基坑变形稳定性影响因素进行了敏感性排序，分别选取了基坑开挖深度，基坑边界到周围建筑物的水平距离，开挖土体弹性模量，粘聚力和内摩擦角5个影响因素，并对每种影响因素设置了4种水平，得出结论：影响基坑变形稳定性条件因素的差异性导致影响程度各异，其中基坑开挖深度对变形稳定性影响因素最大，建筑物距基坑开挖边界距离对变形稳定性的影响因素最小，土体参数方面土体的弹性模量是最大的影响因素。另外，内聚力和内摩擦角是控制土体是否进入破坏状态的关键参数。
关键词：正交分析法 敏感性排序 稳定性分析
淤泥质软土具有含水率高、密度较低、压缩性高、承载力低等特点，在淤泥质软土基坑施工过程中，处理基坑的变形成为工程上必须面对的重点难点问题。支护工程是决定施工过程安全与否的关键，结构的变形稳定性必须引起人们的重视[1]。复合土钉在基坑支护工程中扮演着越来越重要的角色，而影响土钉支护效果的因素众多，为了提高工程支护安全，深入认识复合土钉支护效应的控制因素迫在眉睫。孙海霞等[2]通过正交分析法，确定了对支护桩稳定性影响最大的因素，并得到最优的支护方案。结果表明，对支护桩设计影响最大的因素是桩径，其次是桩长，再次是桩间距.。孙树林等[3]对深开挖进行了多因素多水平的有限元数值模拟，在此基础上进行了支撑刚度、位移柔度数、土体变性及强度参数等5因素的4水平正交试验设计，得出了深开挖中的各个参数对多层支撑深开挖变形的影响程度和各个参数的灵敏度。张亚坤[4]以上海某软土深基坑为研究对象，利用FLAC3D软件进行了9组正交试验，分析基坑开挖过程中隆起量、桩体位移和坑外土体沉降量。徐超[5]结合深基坑重力式挡土墙侧向变形的有限元分析，提出了采用正交试验设计及其统计分析方法研究数值模拟结果对岩土参数敏感性的步骤。
目前，对淤泥质软土基坑搅拌桩复合土钉支护变形稳定性的分析还存在较大空白，鲜有模型全面考虑复合土钉的支护效应。本文利用正交分析法的对搅拌桩复合土钉支护下淤泥质软土基坑的变形稳定性的影响因素进行了分析，以期为类似工程建设提供一定的理论依据。
1 正交试验设计
利用正交试验设计原理对淤泥质软土基坑搅拌桩复合土钉支护进行数值模拟，通过选取影响因素并结合设计参数和控制指标进行正交试验设计。
1.1设计参数
选择5种参数条件即为：基坑开挖深度h，开挖基坑的边界到基坑周边建筑物的水平距离H，所开挖土层的弹性模量E，粘聚力
、内摩擦角
。同时选取了四个水平进行试验：①基坑的开挖深度h，选取4、8、12、16m四个水平。在开挖基坑的过程中，因为开挖土体的扰动必然会引起埋入土体一些设备如管道、管线的变形，故把基坑开挖深度当作一种探究参数条件进行分析。②基坑开挖边缘与周围建构筑物的水平距离H，作为严重影响基坑开挖的因素之一，选取3、6、9、12m四个层次。③土体力学参数也是作为探究分析的条件，主要研究土的弹性模量E、粘聚力с、内摩擦角
三种参数，其中，弹性模量取6、9、12、15MPa，粘聚力取5、15、35、55kPa，内摩擦角取10°、15°、27°、45°
1.2控制指标
根据正交试验设计原理，控制指标选为：①地面下沉S地沉，反映在基坑开挖时周围地表变化影响规律；②水平位移S水位，反映基坑开挖时基坑侧壁土体水平方向变形趋势；③土体最大剪应力S剪；④土钉轴力N轴，反映基坑围护结构上所承受的土压力发生改变，也就影响到基坑稳定性；⑤周围建筑物基础不均匀沉降S建沉。对上述所选取的5项控制指标进行模拟分析，根据正交试验所选取的5种不同影响因素以及对每种影响因素设置了4种水平，确定采用L16（45）正交表进行数值模拟试验。
2正交试验结果分析
对每个控制指标结果用极差分析法进行计算分析。将计算结果绘制成曲线图的形式，如图3所示。
（a）指标1
（b）指标2
（c）指标3
（d）指标4
（e）指标5
图3 控制指标均值与因素水平的变化曲线
由图3可知，不同影响因素对各指标会产生不同程度的影响，由图3（a）指标1开挖基坑周边地表沉降量最大值S地沉可知，h>E>H>C>φ；由指标2开挖基坑周围地层最大水平位移量S水位可知，h>E>φ>H>C；在指标3开挖基坑周围建筑物基础不均匀沉降量S建沉中，H>C>E>φ>h；在指标4周围土体最大剪应力S剪中，h>C>E>H>φ；在指标5土钉的最大轴力N轴中，h>φ>C>E>H。不难发现，开挖深度h对基坑的变形稳定性扰动最大，在5个控制指标中属于首要影响因素。当基坑开挖深度加大时，发现5个控制指标均呈现增大的态势。另外，对5个控制指标的影响相对较小的是建筑物距基坑开挖边界距离H。这主要与基坑所选择的施工方法以及支护结构有关。当建筑物距基坑开挖边界距离H较小时，基坑开挖后建筑物作用在坑边的荷载使其边坡失稳下滑力进一步加大，易引起边坡的破坏；分析数值模拟可得，基础与基坑边界在0~h范围内时，建筑物整体发生背离基坑方向的倾斜。当基坑开挖宽度为8m，深度为12m时，建筑物的最大倾斜率为0.209%，说明当基坑周边条件允许，且开挖深度不大时，基坑采用放坡开挖，支护利用土钉支护，则减少和把控建筑物的不均匀沉降。在基坑开挖的范围内，各项控制指标均受土层的弹性模量E的影响且分析受各项影响因素的控制指标的影响程度大小的不同，可发现土层弹性模量对控制指标影响程度最大。此外，实际工程中在对基坑工程进行支护设计时，弹性模量也是土体各物理力学指标里需要着重考虑的主要设计参数，弹性模量在进行支护结构设计和分析开挖产生的基坑变形中具有重要的主导作用；基坑开挖范围内土层的C和φ对各个控制指标的影响。C和φ的取值在模拟计算中对土体的破坏状态的判断具有关键作用。根据影响因素对控制指标4最大剪应力S剪的影响可以看出，C和φ是除开挖深度h之外对土压力影响较大的因素，所占比例分别为25.8%和13%，并且墙后土体土压力值在基坑开挖深度h一定时，随C和φ值的增大而逐渐减小。另外当假定开挖深度为不变值时，随着主动土压力最大值的增大，支护结构的变形以及最大弯矩值也相续出现增大的趋势，这也就使城市深基坑设计标准出现了变化，由以往的支护结构受力为标准逐步改变成以现在的周边地层变形为标准。
3 结 论
1）基坑变形稳定性控制指标受各因子影响程度大小不同，利用正交试验确立了各因子参数对基坑变形稳定性的敏感性大小。其中，基坑开挖深
度是首要影响因子，数值模拟结果表明，伴随开挖深度的加大，基坑内各项控制指标存在增长趋势，在基坑坡脚处则产生对周边地层最大水平位移。
2）开挖基坑的边界到基坑周边建筑物的水平距离H是影响不大的一个参数条件。这主要是受到基坑支护形式和开挖方式的影响。但开挖基坑的边界到基坑周边建筑物的水平距离H很小的条件下，下滑力将会增加，导致边坡失稳的可能性也会进一步增大，从而降低了稳定性。
3）土体的参数方面土体的弹性模量是影响程度最大的一个影响因素，粘聚力和内摩擦角是控制土体是否进入破坏状态的关键参数，当基坑开挖深度h不变时，墙后土体最大剪应力S剪随土层的内摩擦角的增大而变小。
参考文献：
[1]吴燕开，胡晓士，胡 锐，等.基坑底强夯对侧壁稳定性影响的数值模拟研究[J]，中国科技论文在线.2017，12（13）：1537-1542.
[2]孙海霞，李冬敏，孔志鹏.基于ABAQUS和正交试验法的基坑支护桩优化[J].沈阳工业大学学报，2016，7（4）：457-460.
[3]孙树林，吴绍明，裴洪军.多层支撑深基坑变形数值模拟正交试验设计研究[J].岩土力学，2005，11（26）：1771-1774.
[4]张亚坤.FLAC3D正交试验在基坑工程中的应用[J].水力发电，2017，43（5）：43-47
[5]徐超，叶观宝.应用正交试验设计进行数值模型参数的敏感性分析[J].水文地质工程地质，2004，01（24）：95-97.（in Chinese）
论文作者:王浩,连莲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/27
标签：基坑论文; 正交论文; 指标论文; 因素论文; 弹性模量论文; 稳定性论文; 参数论文; 《基层建设》2019年第16期论文;