正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在樁錨支護(hù)深基坑變形數(shù)值模擬中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 基坑水平變形 有限元數(shù)值模擬 樁錨支護(hù) 

　　1 引言 

　　20世紀(jì)90年代后，我國(guó)土木工程建設(shè)得到了飛速發(fā)展，建筑物越來(lái)越高，地下建筑設(shè)施越來(lái)越多，地下停車庫(kù)、地下商店、地下鐵道車站、地下人防工程等大量建造，基坑開(kāi)挖深度超過(guò)10m的隨處可見(jiàn)，并且工程條件更加復(fù)雜，土體情況多樣，基坑周圍建筑物密集并有交錯(cuò)的管道分布，這些因素導(dǎo)致基坑工程的難度大大提升。然而對(duì)于基坑工程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)受到很多方面因素的影響，從諸多因素中找到某個(gè)或者少量的某幾個(gè)對(duì)基坑支護(hù)影響明顯的因素可以更好的指導(dǎo)基坑工程，從而使得工作人員可以抓主要矛盾，提高效率，降低成本。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是用于多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)分析方法，它是從全面試驗(yàn)中挑選出部分具有代表的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些代表點(diǎn)具有均勻和整齊的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是基于方差分析模型的部分因子設(shè)計(jì)方法，水平較少的情況下具有很高的效率，經(jīng)常用來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)籌安排，以便盡快找出試驗(yàn)中各參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。 

　　在樁錨聯(lián)合支護(hù)中，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)支護(hù)效果影響的因素有超載、面層厚度、圍護(hù)樁直徑、圍護(hù)樁嵌固深度、錨桿長(zhǎng)度、錨桿角度、錨固力等。本文依托于鐘鼓樓北京時(shí)間博物館基坑工程，分析研究了多層樁錨支護(hù)深基坑的上述變形影響因素，并利用MIDAS GTS有限元軟件數(shù)值模擬深開(kāi)挖變形，對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，找出了各因素敏感程度，得出了超載等因素對(duì)基坑變形起控制作用，并就重要的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了討論，希望能夠給基坑工程的變形控制提供指導(dǎo)性的意見(jiàn)。 

　　2 正交試驗(yàn)方法 

　　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用“正交表”進(jìn)行科學(xué)地安排與分析多因素試驗(yàn)的方法，是一種高效、快速、靈活的多因素、單效應(yīng)變量試驗(yàn)方法。其主要優(yōu)點(diǎn)是能在很多試驗(yàn)方案中挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)方案，并且通過(guò)這少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)方案，同時(shí)還可以作進(jìn)一步的分析，得到比試驗(yàn)結(jié)果本身給出的還要多的有關(guān)各因素的信息。同常規(guī)方法相比，可大大減少試驗(yàn)次數(shù)和設(shè)計(jì)分析的繁雜，所獲取的因素水平組合亦能達(dá)到較佳水平，因此己被廣泛應(yīng)用。例如，作一個(gè)三因素三水平的實(shí)驗(yàn)，按全面實(shí)驗(yàn)要求，須進(jìn)行33= 27種組合的實(shí)驗(yàn)，且尚未考慮每一組合的重復(fù)數(shù)。若按 L9（33）正交表安排實(shí)驗(yàn)，只需做9次，按L18（37）正交表進(jìn)行18次實(shí)驗(yàn)，顯然大大減少了工作量。正交設(shè)計(jì)已有幾十年歷史，60年代末期在我國(guó)開(kāi)始普及使用，70年代達(dá)到高潮，許多高校已將試驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)占主要地位）列入教學(xué)計(jì)劃之中。長(zhǎng)期實(shí)踐證明，由于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便易學(xué)、科學(xué)高效、效果顯著等特點(diǎn)，其已成為研究人員普遍使用的幾種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一。 

　　3 算例分析 

　　3.1 工程概況 

　　工程位于北京市東城區(qū)交道口街道鼓樓東大街及地安門大街交匯處的東南角，后鐘鼓樓北京時(shí)間博物館基坑實(shí)際開(kāi)挖深度15.30m，基坑支護(hù)采用樁錨聯(lián)合支護(hù)體系，圍護(hù)樁冠梁頂部設(shè)置組合柱磚墻。圍護(hù)樁直徑800mm，樁間距1500mm，樁身材料為C25砼。共設(shè)置4道預(yù)應(yīng)力錨桿，設(shè)計(jì)拉力值分別為300kN，350kN，400kN，400kN。 

　　根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地土自上而下依次為：（1）素填土；（2）細(xì)砂；（3）粘土；（4）粉土；（5）粘土；（6）細(xì)砂；（7）圓礫；（8）細(xì)砂。表1列出了場(chǎng)地土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，包括厚度、重度、彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角。 

　　3.2 基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬 

　　利用 MIDAS GTS所建立的樁錨支護(hù)模型如圖1所示，數(shù)值模擬基坑水平位移云圖如圖2所示。按照分布開(kāi)挖進(jìn)行施工工況模擬，并將結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比，基坑最大水平位移與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。 

　　數(shù)值模擬基坑最大水平位移值為24.64mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)基坑頂部最大水平位移值為21.22mm，兩者相差3.42mm，模擬與監(jiān)測(cè)在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中得到的水平位移變化趨勢(shì)也是相似的，所以數(shù)值模型可以用來(lái)進(jìn)行正交試驗(yàn)研究。 

　　4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 

　　本文研究的是多因素問(wèn)題，基坑開(kāi)挖引起的多種變形效應(yīng)受到許多因素的影響。現(xiàn)選取影響支護(hù)效果的因素超載、圍護(hù)樁直徑、圍護(hù)樁嵌固深度、錨桿長(zhǎng)度、錨桿傾角、錨桿位置、錨固力等進(jìn)行分析。 

　　4.1 單變量法 

　　先運(yùn)用單變量法，僅改變一種因素，其他因素不變，看其對(duì)支護(hù)效果的影響，找出較為重要的影響參數(shù)，再整理進(jìn)行正交試驗(yàn)敏感性分析，提高正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的效率。通過(guò)數(shù)值模擬得出超載、圍護(hù)樁直徑、圍護(hù)樁嵌固深度、錨桿位置、錨固力對(duì)最大水平位移的影響較大，而錨固長(zhǎng)度在18～26m變化過(guò)程中，基坑最大水平位移變化為23.77～25.08mm，僅變化了1.31mm，錨固角度在12～18�變惶中Ｓ最大私位移變唬�.92～24.93mm，僅變化了1.0mm。正是由于錨桿的作用機(jī)理，導(dǎo)致錨桿長(zhǎng)度與錨桿角度只需達(dá)到穩(wěn)定土體即可滿足其在支護(hù)過(guò)程中提供錨固力的作用，所以錨桿長(zhǎng)度在整個(gè)支護(hù)過(guò)程中作用有限。錨桿角度與錨桿長(zhǎng)度對(duì)基坑最大水平位移的影響的數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖4與圖5所示。 　　4.2 正交試驗(yàn)?zāi)�擬 

　　從上節(jié)的試驗(yàn)可以看出，錨桿角度與錨桿長(zhǎng)度只需滿足其基本要求即可，多余的增加數(shù)值并不會(huì)帶來(lái)支護(hù)效果的改善，因此，在正交試驗(yàn)分析中，兩者不予以考慮。所以在正交試驗(yàn)中因素為5個(gè)：嵌固深度、錨桿位置、預(yù)應(yīng)力、樁直徑和超載，采取4水平的試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為基坑最大水平位移，因素水平如表2。 

　　按照上述選取的5因素4水平數(shù)據(jù)建立正交表，根據(jù)正交性需選擇L16（45）正交試驗(yàn)表格來(lái)研究，每次試驗(yàn)將該試驗(yàn)所選用的參數(shù)進(jìn)行組合建模，確定每次有限元模型后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將得出的基坑最大水平位移填入試驗(yàn)結(jié)果中，正交表設(shè)計(jì)與計(jì)算結(jié)果如表3。 

　　5 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析 

　　以基坑最大水平位移為目標(biāo)值，對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行極差分析，R值的大小表示目標(biāo)值受該因素影響的敏感度，分析結(jié)果見(jiàn)表4。 

　　極差R值的大小表示目標(biāo)值受該因素影響的敏感度，從表中可以看出超載對(duì)于基坑最大水平位移影響敏感度最大，為3.762，正由于這個(gè)原因，有些工程在設(shè)計(jì)或施工過(guò)程中沒(méi)有控制基坑頂部超載，導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，對(duì)于基坑頂部超載的限定應(yīng)慎重計(jì)算，并在施工過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行。其他影響因素敏感性大小依次為錨桿位置、嵌固深度、樁徑、錨固力。最后三個(gè)參數(shù)為樁錨支護(hù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，敏感度相差不大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)統(tǒng)一考慮，以確保滿足支護(hù)要求。 

　　6 結(jié)論 

　　樁錨支護(hù)敏感性分析中，首先針對(duì)超載、圍護(hù)樁直徑、圍護(hù)樁嵌固深度、錨桿長(zhǎng)度、錨桿角度、錨桿位置、錨固力幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行了單變量試驗(yàn)，研究其對(duì)基坑水平位移的影響。超載、錨桿位置及嵌固深度對(duì)基坑整體水平位移影響較大，但嵌固深度超過(guò)一定值對(duì)基坑水平位移的限制作用很小。錨固力對(duì)基坑水平位移的限制作用較明顯，并能有效減小樁頂水平位移，降低樁身彎曲程度。圍護(hù)樁直徑對(duì)基坑下部水平位移影響很大，并且當(dāng)樁直徑過(guò)小時(shí)，樁體剛度降低，導(dǎo)致樁身彎曲撓度過(guò)大，容易產(chǎn)生破壞。錨桿角度與錨桿長(zhǎng)度由于其作用機(jī)理的原因，參數(shù)的增加對(duì)基坑水平位移影響很小，所以在正交試驗(yàn)中不予以考慮。 

　　正交試驗(yàn)采用5因素4水平的16組試驗(yàn)，在試驗(yàn)中得出基坑水平位移對(duì)個(gè)因素的敏感程度，對(duì)于樁錨支護(hù)中各參數(shù)的影響進(jìn)行了定量分析，得出顯著性比較高的是超載，顯著性一般的為錨桿位置。這些因素即為樁錨支護(hù)中對(duì)支護(hù)效果影響較大的因素，應(yīng)給以足夠重視，以保證基坑支護(hù)工程的順利進(jìn)行。嵌固深度、樁徑、錨固力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響不明顯，增加這三個(gè)參數(shù)雖然減小了變形但過(guò)多的增加了工程成本。通過(guò)本文所做的研究發(fā)現(xiàn)將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法引用到數(shù)值模擬結(jié)果分析中是很有效的，且增加了分析效率，并能對(duì)實(shí)際工程提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1] 李曉芳.深基坑支護(hù)施工技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].天津大學(xué)，2008. 

　　[2] Shen C k，BangS，Romstad KM，etc.Field measurement of an earth support system[J].Geotech.Eng.Division ASCE，1981，107（12）：1625-1642. 

　　[3] 杜嘉林，王斌，黃盛男.土體參數(shù)對(duì)基坑變形影響的正交試驗(yàn)研究[J].路基工程，2011（4）：69-71. 

　　[4] 方開(kāi)泰，馬長(zhǎng)興.正交設(shè)計(jì)與均勻設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001. 

　　[5] 劉小楠.深基坑土釘墻與樁錨聯(lián)合支護(hù)敏感性分析與數(shù)值模擬[D].北京科技大學(xué)，2012. 

　　[6] 張旭輝.錨管樁復(fù)合土釘支護(hù)穩(wěn)定性研究[D].浙江大學(xué)，2002. 

　　[7] 孫樹(shù)林，吳紹明，裴洪軍.多層支撐深基坑變形數(shù)值模擬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].巖土力學(xué)，2005，26（11）：1771-1774.