基于CPTU的软土空间变异性及基坑稳健性设计

基于CPTU的软土空间变异性及基坑稳健性设计

张陶郝藏刘晓飞丁旺达唐国强李泽华邓向振

中建八局第三建设有限公司

摘要：现今我国经济处于快速发展阶段，城市建设也在不断发展，出现了越来越多的地下工程，尤其是在一些沿海地区，在开展深基坑工程施工时，需要在软土中施工，对于基坑工程开展的安全性提出较高的要求。天然的沉积土是在长时间的发展中形成的，岩土的相关工程参数存在空间变异性特点，主要表现为不同的位置，获取到的土工参数测试值呈现出离散性与不确定性的特点。

关键词：CPTU；软土空间；变异性；基坑稳健性

前言：

随着地下工程数量的不断增加，在具体的施工中面对较大施工风险，尤其是在沿海、沿江地区，处于较为脆弱敏感的地质环境下，增加了施工的难度系数。在软土地区的基坑施工中，需要较大开挖范围，工程涉及面广泛涉及到的影响因素众多，对于基坑施工的设计安全性有着较高的要求，这也就成为岩土工程研究的重点所在。

一、内撑式地下连续墙软土基坑稳健性设计方法

在开展软土基坑稳健性设计的过程中，其系统功能的设计对绝不可控输入参数产生的变异性影响问题，可以借助调整易控设计参与的方法，最大程度上降低对系统功能相应中不可控设计参数变异性的敏感性。不仅如此，还需要对设计方案的应用成本加以考虑，从而保障设计方案的功能响应变化处于最小变化下，并且设计完成的方案需要成本较低等多种要求。

在使用内撑式地下连续墙支护结构形式时，在软土基坑的结构设计中，主要包含的是地下连续墙的实际插入深度，支护结构需要的最低点，以及支护结构使用中需要的内力和变形计算等多种内容。

在整体工作开展的过程中，土体自身的参数变异性特点，必然会对整个支护结构的功能发挥产生较大的变异性特点，在设计中对不排水抗剪强度的空间变异性加以考量，需要在方案的设计中，使用稳健性的数据指标，实现对土体参数的不确定性敏感性加以表达。保障整体的设计操作能够在满足相关条件的情况下，采取多种不同目标优化的设计方法，最大程度上实现该方案设计的最大稳健性与最低的造价成本。

（一）参数设计

针对于软土的施工来讲，大多数饱和正常固结土，其中的不排水抗剪强度往往会展现出比较强烈的空间变异性特点，同时包含了不同深度的发展变化趋势与各个异性的实际波动范围，在进行参数设定与计算的过程中，会选择使用二阶的平稳随机场模型，实现对不排水抗剪强度空间变异性便的模拟，但是缺乏一定的合理性，在本研究中则采取的是非平稳的对数正泰随机场调教模拟结果，根据CPTU测试得出的数据资料，对不排水抗剪强度的空间变异分布规律进行有效的模拟。

（二）系统响应

在本研究中，对软土基坑坑隆起的安全系数表达设计方案，对于软土基坑中的稳定性和位移产生的综合效果加以分析，在考虑不排水抗剪强度空间变异性与对基坑隆起稳定性产生的影响时，整体呈现出的是深度趋势的一种各向变异性变化，在基坑隆起稳定性功能的监测中，无法将其应用在表达土体参数与设计参数的显式函数中，在分析相关系统功能所相应的变异性中，只能够将挡土墙的支护结构最低点与最终插入的实际深度，检测得到的相关参数应用在设计的空间中，从而完成各项离散的操作，在此过程中需要使用到蒙特卡洛模拟的方法，实现对整个离散变量模型的优化设计[1]。

（三）设计方案成本

根据以往开展地下连续墙造价控制工作的经验可知，在开展地下连续墙造价的工作中，需要将工作开展的重点放在以下内容，连续墙成槽、钢筋笼网片制作、吊装以及安放等环节中。在进行地下连续墙的施工中，需要有着较高的造价，对整体建设工程项目的经济投资产生一定的影响，尤其是在超神的地下连续墙施工中，对整体建设项目造成极大的影响，在具体的项目施工中，强化造价控制已经成为工作开展的重点内容[2]。在进行地下连续墙施工的过程中，要根据相关的施工条件开展各项施工，对于影响到地下连续墙造价的一些因素，要重点加以分析，最大程度上完善对造价工程的控制。

（四）设计方案的多目标优化

在进行内撑软土的基坑稳健性设计中，主要的目的就是找寻到一个最优的设计，经过彼此简单的调整，形成一个容易受到控制的参数，这样形成的最终系统响应，在面对无法简单控制的随机因子时，并不具备敏感性的特点，也就是设计方案的应用具有较大的稳健性特点[3]。在方案取得一定的稳健性之后，还要尽可能的降低方案设计中使用的造价问题，从而最大程度上满足各种安全性的需求。

根据软土基坑的稳健性设计可以将其转换成为多个优化目标，研究中将软土基坑所具有的安全性，全部视为约束性条件，此时需要对软土基坑的稳健性设计，实现双目标的优化，保障在应用安全约束的前提条件之下，通过对一组相关参数的应用，经过相关的计算得出最大化的设计稳健性与最小化的设计方案成本。

但是需要我们明白的是，在理想的论述情况下，理论最优设计方案与可行最优设计方案是具备相通性的，而在实际的工程施工中，理论上最优的设计方案与可行最优的方案，并无法正常的开展实施，也不是实际工程施工中可以采用的理论最优设计方案，只有存在可行最优的设计方案，保障整个工程的顺利开展，提升工作开展效率。

二、软土基坑稳健性优化过程分析

（一）设计方案的安全性和稳健性的关系

在本次研究开展的过程中，针对于稳健性加以设计时，要保障在满足约束条件的背景下，完成对相关设计方案的系统响应以及设计方案成本之间的平衡性[4]。在开展具体的设计中，使用到的设计方案系统响应与设计方案所具有的安全性，并没有形成直接的相关性，具备较高的安全系数与低失效概率的因素，并不会导致出现比较小的设计方案形成系统化的相应变化。

（二）设计方案的安全性与成本关系

根据相关研究数据结果显示，在设计方案的应用过程中，成本的应用会对整个安全系数产生比较强的影响，相对而言，产生的可靠性影响范围是比较低的。结合上述相关结果与实际工作开展相结合，具备一定的符合性特点，在提升设计方案应用安全性与可靠性的过程中，也会逐渐的增加整个方案设计需要的成本问题[5]。通过使用成本最低的设计方案，以此降低方案在实际应用中的安全系数和可靠性，但是在同样的安全系数应用背景下，对应不同的设计方案具备的可靠性也是各不相同的，这不仅与土体自身的相关参数空间变异性有着相关的特性，同时也与设计过程中使用到的参数有着密切关系。

（三）设计方案的安全系数与实效概率关系

经过相关研究我们发现，非支配解的分布情况，并没有形成规律性特点，也就是说安全系数与实效概率的同时存在，并不一定可以呈现出彼此之间相对应的关系，此时将安全系数单独的作为一种控制设计的应用方案，使用到的约束条件并不合适，需要综合的加以考虑整体设计方案应用的安全系数与实效概率，将其作为所有设计方案的应用约束性条件。

结语：

在本文的研究中，立足于CPTU原位测试数据应用的基础之上，有效识别海相软土的均质土体单元，对其相关参数与空间变异性特征加以研究分析，最终提出非平稳对数正态分布随机场的条件模拟方法，对具有深度研究趋势与各向异性的土体参数空间分布规律加以研究分析。

参考文献：

[1]罗曦,蒋鑫,张免,付用国等. 斜坡软土地基路堑边坡稳定性数值模拟[J]. 交通科技,2022,(06):20-24.

[2]曹爱武,吴家耀,褚卫江. 土体参数不确定性对软土隧洞掌子面稳定影响分析[J]. 岩土工程技术,2021,35(02):103-106.

[3]刘先林,骆俊晖,米德才. 广西花岗岩软土地基沉降预测及承载力评价[J]. 中外公路,2020,40(04):25-28.

[4]叶朝良,孟德强,王海强. 东北五常地区淤泥质软土指标相关性分析[J]. 河北水利电力学院学报,2020,30(01):1-6.

[5]郑俊杰,乔雅晴,章荣军. 被动加固区参数变异性对软土深基坑变形行为的影响[J]. 土木与环境工程学报(中英文),2019,41(06):1-8.