深圳填海場地基坑設計參數(shù)反分析研究

馮永乾，郭亞磊，馬 馳

(1.深圳市建筑工務署，廣東 深圳 518000；2.中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，廣東 深圳 518000)

深圳填海場地常出現(xiàn)淤泥等軟弱地層且填料來源復雜、性質(zhì)差異大，在合理選取各土層的土工參數(shù)時存在許多實際困難。綜合考慮各種因素的影響，參數(shù)反分析法是較有效的研究手段[1-5]。

1976年約翰內(nèi)斯堡的巖土工程勘測會議上以現(xiàn)場量測位移為基礎的位移反分析方法被首次提出，此后該方法發(fā)展很快。王春波等[6]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)利用基于FLAC正分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡反分析方法，對工程中的關鍵土層進行參數(shù)分析。張俊峰等7]通過建立有限元模型，根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)使用單純形法對其土體參數(shù)進行反分析，并預測基坑開挖最終引起的隧道隆起。宋建學等[8]在不同開挖工況下按一定周期實測支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，根據(jù)靜力平衡條件反演出基坑開挖面以上不同土層的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m值，用m值計算后續(xù)工段變形更接近實測變形。

本文以深港西部通道深基坑工程為例，根據(jù)支撐內(nèi)力和支護樁位移實測值反演地基土層的土體彈性模量、地基系數(shù)的比例系數(shù)和綜合等效內(nèi)摩擦角，可為后續(xù)工程設計提供參考。

1 工程概況

深港西部通道基坑標準段寬度31.1 m，深度10.0～13.0 m?；铀?jīng)地段主要在深圳市后海填海區(qū)，場地地質(zhì)條件復雜，主要表現(xiàn)為有深厚的填土層、強透水的礫砂層，局部還有淤泥等軟土層。

該基坑工程采用樁撐支護結(jié)構(gòu)，其中圍護結(jié)構(gòu)采用全套管咬合樁，樁徑1.0 m，間距0.8 m，配筋樁和素混凝土樁間隔布置。支撐采用2道D609鋼管支撐，第1道布置在樁頂冠梁處，第2道布置在第1道支撐之下約6.0 m處?；訕藴识沃ёo結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 基坑標準段支護結(jié)構(gòu)剖面示意

2 巖土層彈性模量反分析

選用有限差分法進行彈性模量反分析，以分析圍護結(jié)構(gòu)位移作為目標，分步模擬實際施工情況，反分析各巖土層的彈性模量。分步開挖模擬反分析過程見圖2。

圖2 分步開挖模擬反分析過程

選用位移監(jiān)測數(shù)據(jù)比較完整、地質(zhì)條件具有代表性的3個斷面作為分析斷面，所選的分析斷面情況見表1。

表1 分析斷面情況

采用通用軟件FLAC進行數(shù)值模擬。模型樁后計算寬度為50 m，樁前計算寬度為10 m，地下水位位于地面以下2.0 m。土體選用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，樁體采用彈性模型，反算所得的彈性模量見表2。由表2可知勘察推薦彈性模量與反算所得彈性模量存在差異。

表2 反算所得的彈性模量

3 水平向基床系數(shù)反分析

以反算的彈性模量為依據(jù)，推算基坑支護結(jié)構(gòu)嵌固端各個巖土層水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m值。

樁(墻)+支撐(錨拉)型支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形計算一般采用彈性支點法，嵌固端的樁(墻)抗力與位移和所處位置的基床系數(shù)有關[9-10],即

σ=kx

(1)

式中:σ為嵌固端的樁(墻)抗力；k為土的水平向基床系數(shù)(或簡稱基床系數(shù))；x為嵌固端的樁(墻)位移。

假定k隨深度成正比例增長，則

k=mz

(2)

式中，z為深度。

根據(jù)彈性力學布辛涅斯克解，推導出m與彈性模量E0之間的關系式為

(3)

式中：v為泊松比；ω為與長寬比有關的形狀參數(shù)，當樁(墻)為正方形時ω=1.12。

根據(jù)式(3)，可以利用地基土彈性模量、土層所處的深度等反算3個斷面的m值。在計算時，土層的深度取該土層的中點深度，自基坑底起算。

各土層推算m值與TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》[11]中的推薦值對比見表3?？芍豪脤崪y數(shù)據(jù)反算取得的m值與規(guī)范推薦值一致。

表3 不同土層地基的m推薦值與反算值對比

4 等效內(nèi)摩擦角反分析

以基坑開挖到基坑底面標高時為分析狀態(tài)，利用監(jiān)測支撐軸力，反分析土體的綜合等效內(nèi)摩擦角φ0，計算簡圖見圖3，圖中Ea為主動側(cè)土壓力;Ep為被動側(cè)土壓力;Lac，Lad,Lab分別為N1,N2,Ea到Ep作用點的距離。當基坑開挖到底時，假定土體在被動側(cè)土體全部進入塑性狀態(tài)，即土壓力為被動土壓力。

圖3 計算簡圖

根據(jù)靜力學平衡條件，在支撐軸力已知的條件下，可以得到

(4)

式中:Y為支撐所受到的力;N1為第1道支撐軸力；N2為第2道支撐軸力。

(5)

式中:Ma為主動側(cè)土壓力作用點的彎矩；Mb為被動側(cè)土壓力作用點的彎矩。

采用等效摩擦角時朗肯被動土壓力強度的計算式為

pp=γHtan2(45°+φ0/2)

(6)

式中:pp為最大被動土壓力;γ為土層的加權重度；H為計算被動側(cè)土層的厚度;φ0為等效內(nèi)摩擦角。

Ep=(1/2)ppH

(7)

將式(6)代入式(7)，得到φ0的表達式為

(8)

反分析計算得到的3個斷面填土層的綜合摩擦角，見表4，可知：深港西部通道填海區(qū)雜填土層的等效內(nèi)摩擦角約為21°～23°。

表4 3個斷面等效內(nèi)摩擦角計算數(shù)據(jù)和結(jié)果

5 計算結(jié)果分析

各地基主要土層的土工參數(shù)反分析結(jié)果見表5。

表5 各巖土參數(shù)反分析結(jié)果

由表5可知：

1)填海區(qū)的雜填土層彈性模量約為4.3 MPa，與勘察推薦值4.0 MPa接近；雜填土層的綜合摩擦角約為21°～23°，相比勘察標貫試驗結(jié)果數(shù)據(jù)換算的等效摩擦角(約為35°)要小得多。

2)粗(礫)砂層反算彈性模量48.5 MPa大于推薦值36.0 MPa；水平反力系數(shù)的比例系數(shù)計算值23.7 MN/m4與規(guī)范推薦值20～30 MN/m4一致。

3)礫質(zhì)亞黏土反算彈性模量65.8 MPa大于推薦值42.0 MPa，水平反力系數(shù)的比例系數(shù)計算值15.7 MN/m4與規(guī)范推薦值10～20 MN/m4一致。

6 結(jié)論

本文結(jié)合建在填海區(qū)的深港西部通道工程，采用反分析的方法，推算出基坑設計的主要土工參數(shù)，包括各地基土層的土體變形模量E、地基系數(shù)的比例系數(shù)m和綜合等效內(nèi)摩擦角φ0。主要得到下列結(jié)論：

1)反分析方法原理簡單，計算快捷，結(jié)果精確，適用于某一地區(qū)群式地下工程。以典型工程反演參數(shù)，可以更好地應用于后續(xù)基坑工程變形預測分析。

2)反演的土工參數(shù)符合深圳填海地區(qū)的地基土體條件，豐富了當?shù)氐墓こ倘≈到?jīng)驗，可為以后的工程設計提供參考。