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

　　1 引言 

　　20世紀(jì)90年代后，我國土木工程建設(shè)得到了飛速發(fā)展，建筑物越來越高，地下建筑設(shè)施越來越多，地下停車庫、地下商店、地下鐵道車站、地下人防工程等大量建造，基坑開挖深度超過10m的隨處可見，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。然而對于基坑工程的準(zhǔn)確預(yù)測受到很多方面因素的影響，從諸多因素中找到某個或者少量的某幾個對基坑支護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。正交試驗設(shè)計是用于多因素試驗的一種科學(xué)分析方法，它是從全面試驗中挑選出部分具有代表的點進行試驗，這些代表點具有均勻和整齊的特點。正交試驗設(shè)計是基于方差分析模型的部分因子設(shè)計方法，水平較少的情況下具有很高的效率，經(jīng)常用來對試驗進行統(tǒng)籌安排，以便盡快找出試驗中各參數(shù)對試驗結(jié)果的影響程度。 

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

　　2 正交試驗方法 

　　正交試驗設(shè)計是利用“正交表”進行科學(xué)地安排與分析多因素試驗的方法，是一種高效、快速、靈活的多因素、單效應(yīng)變量試驗方法。其主要優(yōu)點是能在很多試驗方案中挑選出代表性強的少數(shù)幾個試驗方案，并且通過這少數(shù)試驗方案的試驗結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)方案，同時還可以作進一步的分析，得到比試驗結(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，可大大減少試驗次數(shù)和設(shè)計分析的繁雜，所獲取的因素水平組合亦能達到較佳水平，因此己被廣泛應(yīng)用。例如，作一個三因素三水平的實驗，按全面實驗要求，須進行33= 27種組合的實驗，且尚未考慮每一組合的重復(fù)數(shù)。若按 L9（33）正交表安排實驗，只需做9次，按L18（37）正交表進行18次實驗，顯然大大減少了工作量。正交設(shè)計已有幾十年歷史，60年代末期在我國開始普及使用，70年代達到高潮，許多高校已將試驗設(shè)計（正交設(shè)計和均勻設(shè)計占主要地位）列入教學(xué)計劃之中。長期實踐證明，由于正交試驗設(shè)計的簡便易學(xué)、科學(xué)高效、效果顯著等特點，其已成為研究人員普遍使用的幾種試驗設(shè)計方法之一。 

　　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，后鐘鼓樓北京時間博物館基坑實際開挖深度15.30m，基坑支護采用樁錨聯(lián)合支護體系，圍護樁冠梁頂部設(shè)置組合柱磚墻。圍護樁直徑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)計拉力值分別為300kN，350kN，400kN，400kN。 

　　根據(jù)巖土工程勘察報告，場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 基坑開挖數(shù)值模擬 

　　利用 MIDAS GTS所建立的樁錨支護模型如圖1所示，數(shù)值模擬基坑水平位移云圖如圖2所示。按照分布開挖進行施工工況模擬，并將結(jié)果與實際監(jiān)測對比，基坑最大水平位移與實測值對比如圖3所示。 

　　數(shù)值模擬基坑最大水平位移值為24.64mm，實際監(jiān)測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)測在整個開挖過程中得到的水平位移變化趨勢也是相似的，所以數(shù)值模型可以用來進行正交試驗研究。 

　　4 正交試驗設(shè)計 

　　本文研究的是多因素問題，基坑開挖引起的多種變形效應(yīng)受到許多因素的影響�，F(xiàn)選取影響支護效果的因素超載、圍護樁直徑、圍護樁嵌固深度、錨桿長度、錨桿傾角、錨桿位置、錨固力等進行分析。 

　　4.1 單變量法 

　　先運用單變量法，僅改變一種因素，其他因素不變，看其對支護效果的影響，找出較為重要的影響參數(shù)，再整理進行正交試驗敏感性分析，提高正交試驗設(shè)計的效率。通過數(shù)值模擬得出超載、圍護樁直徑、圍護樁嵌固深度、錨桿位置、錨固力對最大水平位移的影響較大，而錨固長度在18～26m變化過程中，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理，導(dǎo)致錨桿長度與錨桿角度只需達到穩(wěn)定土體即可滿足其在支護過程中提供錨固力的作用，所以錨桿長度在整個支護過程中作用有限。錨桿角度與錨桿長度對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?zāi)�擬 

　　從上節(jié)的試驗可以看出，錨桿角度與錨桿長度只需滿足其基本要求即可，多余的增加數(shù)值并不會帶來支護效果的改善，因此，在正交試驗分析中，兩者不予以考慮。所以在正交試驗中因素為5個：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，試驗?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）正交試驗表格來研究，每次試驗將該試驗所選用的參數(shù)進行組合建模，確定每次有限元模型后進行數(shù)值計算，將得出的基坑最大水平位移填入試驗結(jié)果中，正交表設(shè)計與計算結(jié)果如表3。 

　　5 正交試驗結(jié)果極差分析 

　　以基坑最大水平位移為目標(biāo)值，對正交試驗進行極差分析，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于基坑最大水平位移影響敏感度最大，為3.762，正由于這個原因，有些工程在設(shè)計或施工過程中沒有控制基坑頂部超載，導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此，在基坑支護設(shè)計中，對于基坑頂部超載的限定應(yīng)慎重計算，并在施工過程中嚴(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。最后三個參數(shù)為樁錨支護的結(jié)構(gòu)參數(shù)，敏感度相差不大，在設(shè)計中應(yīng)統(tǒng)一考慮，以確保滿足支護要求。 

　　6 結(jié)論 

　　樁錨支護敏感性分析中，首先針對超載、圍護樁直徑、圍護樁嵌固深度、錨桿長度、錨桿角度、錨桿位置、錨固力幾個參數(shù)進行了單變量試驗，研究其對基坑水平位移的影響。超載、錨桿位置及嵌固深度對基坑整體水平位移影響較大，但嵌固深度超過一定值對基坑水平位移的限制作用很小。錨固力對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。圍護樁直徑對基坑下部水平位移影響很大，并且當(dāng)樁直徑過小時，樁體剛度降低，導(dǎo)致樁身彎曲撓度過大，容易產(chǎn)生破壞。錨桿角度與錨桿長度由于其作用機理的原因，參數(shù)的增加對基坑水平位移影響很小，所以在正交試驗中不予以考慮。 

　　正交試驗采用5因素4水平的16組試驗，在試驗中得出基坑水平位移對個因素的敏感程度，對于樁錨支護中各參數(shù)的影響進行了定量分析，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中對支護效果影響較大的因素，應(yīng)給以足夠重視，以保證基坑支護工程的順利進行。嵌固深度、樁徑、錨固力對支護結(jié)構(gòu)變形影響不明顯，增加這三個參數(shù)雖然減小了變形但過多的增加了工程成本。通過本文所做的研究發(fā)現(xiàn)將正交設(shè)計試驗方法引用到數(shù)值模擬結(jié)果分析中是很有效的，且增加了分析效率，并能對實際工程提供指導(dǎo)性意見。 

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