某地铁深基坑岩土关键力学参数优化

摘要：深基坑工程中岩土力学参数取值的合理与否将直接影响工程的安全及造价。根据对已施工完成的某地铁深基坑的监测数据，各项监测数据均远小于设计值，存在设计优化空间。本文以该地铁工程某大学站深基坑工程为研究对象，结合地勘成果、现场量测数据，采用有限元反分析方法，开展了不同地层岩土力学参数的优化分析，并提出了岩土关键力学参数的优化值。

关键词：深基坑；围护桩；卸荷模量

中图分类号： TL372 文献标识码： A

哈尔滨地区地貌按其形态特征可分为岗阜状高平原地区和河漫滩地区，其轨道交通工程在岗埠状高平原区的地铁车站基坑围护结构采用了直径为800mm～1000mm的钻孔灌注桩，内支撑为钢管支撑（壁厚12mm～16mm，直径609mm），根据已施工完成的围护结构实际施工情况及施工监测数据显示，地表沉降、桩身位移、支撑轴力等都远小于设计值，存在设计优化余地。本文以该地铁工程某大学站深基坑工程为研究对象，结合地勘成果、现场量测数据、有限元反分析等，开展不同地层岩土力学参数的优化分析，提出岩土参数推荐值。

1 工程地质条件

该大学站沿南北走向布置于学府路下，为地下二层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。车站主体结构尺寸为：长190.0m，宽19.0m（净），顶板覆土3.1m（中心里程处），车站基坑开挖深度约16.0m；车站两端的区间均采用浅埋暗挖法施工。

根据地质勘察报告，本工点地层主要由粉质粘土、砂类土组成，自上而下依次为：杂填土①，黄褐色粉质粘土②，黄褐色粉质粘土②-1（局部），黄～黄褐色粉质粘土③，黄~黄褐色粉质粘土③-1（局部），黄～黄褐色粉质粘土④，黄~黄褐色粉质粘土④-4，黄色粉砂⑤（局部），黄色中砂⑥。

图1 车站典型断面地质及支护设计

车站主体基坑采用Φ800＠1300mm钻孔灌注桩，桩间采用150mm厚C20钢筋网喷混凝土挡土，沿基坑竖向布3道Φ609mm钢管内支撑，钢支撑水平向间距约4.0m。灌注桩间挡土采用挂网喷射混凝土，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，截面b×h=0.8m×0.8m，第一道支撑撑在冠梁上，其余均撑在钢围檩上，钢围檩均采用2根工45C组合型钢。

车站典型断面地质及支护设计如图1所示。

2 有限元反演分析

2.1 反演参数及反演目标

对基坑开挖变形影响较大的岩土参数包括土体的模量、强度指标和静止侧压力系数，其中模量起控制作用，作为关键反演参数。模量与土的应力状态和应力路径相关，加载模量与卸荷模量不相同，基坑属于卸荷问题，应使用卸荷模量。

基坑现场监测有多种项目（如位移、内力等），反演目标所对应的监测项目应该具有较高精度，且对工程安全具有控制性作用，因此一般取基坑围护结构的变形监测值及地面沉降作为反演目标。

2.2 计算模型及岩土参数

选取图1所示的车站典型断面地质及支护设计作为计算模型，采用平面应变有限元方法模拟该基坑的施工过程，计算软件采用岩土工程专业程序Plaxis。

根据该基坑的几何对称性，取断面的一半建立模型。模型水平方向长度为80m，竖直方向60m，基坑开挖深度为15.78m，开挖半宽度为9.5m，该模型尺寸可以满足消除计算边界对计算结果的影响的要求。

模型按实际情况分层设置土层，土层包括：杂填土①，粉质粘土②，黄～黄褐色粉质粘土③，黄～黄褐色粉质粘土④，黄~黄褐色粉质粘土④-4，黄色中砂⑥。土体采用15节点三角形单元离散，该单元具有很高的精度，在少量单元的情况下也能获取较好的计算结果，共划分单元506个，节点4259个。围护桩等效为连续墙，采用梁单元模拟，基坑顶部混凝土挡墙采用梁单元模拟，水平支撑采用弹簧单元模拟。模型底边界约束水平和竖直方向位移，左右侧边界约束水平位移，顶部边界自由。由此建立的有限元模型如图2所示。

图2 平面有限元网格

模型以水平向右为x轴正向，竖直向上为y轴正向，如无特别说明，计算结果中位移单位为m，应力单位为kPa，且以受拉为正。

土体的本构选用硬化土模型，该模型可以较好地考虑土体应力状态和应力路径对土体刚度的影响，兼有Duncan-Chang模型解决变形问题和Mohr-Coulomb模型解决强度问题的优点，是适合于基坑开挖分析的高级土体本构模型。有关土体的相关计算参数如表1所示。

表1 土层计算参数

参数 ①杂填土 ②粉质粘土 ③粉质粘土 ④粉质粘土 ④-4粉质粘土 ⑥中砂

重度γ(kN/m3) 18 18.5 18.8 19.1 18.9 17.2

粘聚力c(kPa) 10 42.5 80 60 62 12

内摩擦角φ (o) 10 19 26.1 7.6 21.3 30.1

膨胀角Ψ (o) 0 0 0 0 0 0

割线模量(MPa) 8 8.98 12.68 10.42 11.68 29.98

压缩模量(MPa) 4 4.49 6.34 5.21 5.84 14.99

幂指数m 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.5

卸荷模量(MPa) 变量 变量 变量 变量 变量 变量

卸载泊松比μ 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.15

参考压力pref(kPa) 100 100 100 100 100 100

静止侧压力系数K0 0.55 0.54 0.41 0.48 0.48 0.45

界面折减系数Rinter 0.67 0.67 0.67 0.67 0.67 0.70

围护桩按抗弯刚度等效原则，将其等效为连续墙，采用梁单元进行模拟，其抗弯刚度EI=4.64×105kNm2/m，抗压刚度EA=1.16×107kN/m。基坑顶部混凝土挡墙采用梁单元模拟，抗弯刚度EI=6.75×104kNm2/m，抗压刚度EA=9.00×106kN/m。基坑内设三道钢支撑，采用弹簧单元模拟，第一道支撑的弹簧刚度为118.42MN/m2，第二、三道支撑的弹簧刚度为137.63MN/m2。围护结构与土体的相互作用采用Plaxis中的接触面单元模拟，该接触单元为Goodman单元，切线方向服从Mohr-Coulomb破坏准则。由于接触面的强度参数一般要低于与其相连的土体的强度参数，软件中考虑用一个折减系数Rinter来描述接触面强度与所在土层的粘聚力和内摩擦角之间的关系，各土层的界面折减系数如表1所示。

2.3参数优化方案及工况

土体的卸荷模量远大于其加载模量，一般卸荷模量和加载模量的比值在3~10左右，有的甚至更大，故本次有限元分析中，分别取/=3、6、10、12，其中固定取为2倍，计算不同参数组合情况下的基坑开挖变形结果，并将该结果同实测结果进行对比分析，从而确定出最优的变形参数。根据以上分析，确定4组参数优化方案：

（1）参数方案1：/=3；

（2）参数方案2：/=6；

（3）参数方案3：/=10；

（4）参数方案4：/=12。

施工过程模拟按实际施工次序考虑，主要包括以下计算荷载步：

（1）模拟土体在自重作用和周围建筑作用下的应力场；

（2）开挖至1.5m深度，并设置挡墙，1倍开挖深度范围内地面超载20kPa；

（3）施工围护桩；

（4）开挖至2.8m深度；

（5）施工第一道支撑，并施加预应力200kN；

（6）开挖至8.2m深度；

（7）施工第二道支撑，并施加预应力750kN；

（8）开挖至14.1m深度；

（9）施工第三道支撑，并施加预应力770kN；

（10）开挖至基底15.78m深度。

3 计算结果及参数优化分析

本文有限元计算的目的是对岩土参数进行优化分析，即通过计算值和实测值的对比分析，不断反馈修正，从而确定出最为适宜的岩土参数。因此，为了便于比较分析，从有限元计算结果中提取了不同参数方案情况下围护结构的侧向位移值和地表的沉降值，绘制围护结构侧移沿桩深的分布规律曲线图（见图3），以及地表沉降曲线图（见图4）。图3和图4也分别给出了围护结构侧移和地表沉降的实测值。

图3 围护桩侧移计算值与实测值的对比图4 地表沉降计算值与实测值对比

有限元分析结果表明，对于参数方案1（/=3），围护桩的最大侧移为15.19mm，最大基坑回弹为112.48mm；对于参数方案2（/=6），围护桩的最大侧移为11.97mm，最大基坑回弹为55.90mm；对于参数方案3（/=10），围护桩的最大侧移为10.58mm，最大基坑回弹为35.14mm；对于参数方案4（/=12），围护桩的最大侧移为10mm，最大基坑回弹为27.89mm。可见，随着土体卸荷模量的增大，围护桩的侧移量和基坑回弹量均在减小，尤其是基坑回弹量受到的影响最大，回弹量的减小比例与卸荷模量的增加比例基本呈线性关系。围护桩的最大侧移位置发生在桩深10m~12m处，且随着卸荷模量的增大，最大侧移位置逐渐上移。从地表沉降的计算结果可以看出，当卸荷模量较小时，地表大范围发生了隆起变形，这与实际情况不一致，这应该是由过大的基坑回弹推挤周围土层向上运动所致，从而影响了沉降沟的形成，而随着卸荷模量的增大，这一情况得到改善，地表竖向变形逐渐以沉降为主，形成了在实际工程中常见的沉降沟。

由图3可知，参数方案3和方案4的侧移曲线计算值与实测值较为吻合，实测最大侧移位置发生在桩深9m左右，略高于方案3和方案4的10m位置，实测的桩顶水平位移要大于计算值，这估计由实际的加撑时间和预应力加载情况与计算工况的差异所致，总的看来，方案3和方案4计算值与实测情况基本一致，其中方案3的围护桩侧移量值与实测值更为吻合。

从图4可以看出，基坑开挖到底时地表、地下管线的实测沉降基本被参数方案3计算得到的地表沉降曲线所包含。综合考虑围护桩侧移、地表沉降的计算值与实测值的对比分析结果，可以认为参数方案3（/=10）比较符合实际情况。

4 结语

基于该大学站地铁深基坑现场测试结果，采用有限元反分析方法对土层参数进行了优化分析，可以认为，基坑土体模量取值存在较大的优化空间，基坑开挖变形分析宜取土体卸荷模量进行计算，土体卸荷模量与加载模量的比值约为10。