深圳填海场地基坑设计参数反分析研究

冯永乾，郭亚磊，马 驰

(1.深圳市建筑工务署，广东 深圳 518000；2.中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，广东 深圳 518000)

深圳填海场地常出现淤泥等软弱地层且填料来源复杂、性质差异大，在合理选取各土层的土工参数时存在许多实际困难。综合考虑各种因素的影响，参数反分析法是较有效的研究手段[1-5]。

1976年约翰内斯堡的岩土工程勘测会议上以现场量测位移为基础的位移反分析方法被首次提出，此后该方法发展很快。王春波等[6]根据现场实测数据利用基于FLAC正分析的BP神经网络反分析方法，对工程中的关键土层进行参数分析。张俊峰等7]通过建立有限元模型，根据变形监测数据使用单纯形法对其土体参数进行反分析，并预测基坑开挖最终引起的隧道隆起。宋建学等[8]在不同开挖工况下按一定周期实测支护结构内力和变形，根据静力平衡条件反演出基坑开挖面以上不同土层的水平反力系数的比例系数m值，用m值计算后续工段变形更接近实测变形。

本文以深港西部通道深基坑工程为例，根据支撑内力和支护桩位移实测值反演地基土层的土体弹性模量、地基系数的比例系数和综合等效内摩擦角，可为后续工程设计提供参考。

1 工程概况

深港西部通道基坑标准段宽度31.1 m，深度10.0～13.0 m。基坑所经地段主要在深圳市后海填海区，场地地质条件复杂，主要表现为有深厚的填土层、强透水的砾砂层，局部还有淤泥等软土层。

该基坑工程采用桩撑支护结构，其中围护结构采用全套管咬合桩，桩径1.0 m，间距0.8 m，配筋桩和素混凝土桩间隔布置。支撑采用2道D609钢管支撑，第1道布置在桩顶冠梁处，第2道布置在第1道支撑之下约6.0 m处。基坑标准段支护结构剖面如图1所示。

图1 基坑标准段支护结构剖面示意

2 岩土层弹性模量反分析

选用有限差分法进行弹性模量反分析，以分析围护结构位移作为目标，分步模拟实际施工情况，反分析各岩土层的弹性模量。分步开挖模拟反分析过程见图2。

图2 分步开挖模拟反分析过程

选用位移监测数据比较完整、地质条件具有代表性的3个断面作为分析断面，所选的分析断面情况见表1。

表1 分析断面情况

采用通用软件FLAC进行数值模拟。模型桩后计算宽度为50 m，桩前计算宽度为10 m，地下水位位于地面以下2.0 m。土体选用摩尔-库伦弹塑性本构模型，桩体采用弹性模型，反算所得的弹性模量见表2。由表2可知勘察推荐弹性模量与反算所得弹性模量存在差异。

表2 反算所得的弹性模量

3 水平向基床系数反分析

以反算的弹性模量为依据，推算基坑支护结构嵌固端各个岩土层水平反力系数的比例系数m值。

桩(墙)+支撑(锚拉)型支护结构的内力变形计算一般采用弹性支点法，嵌固端的桩(墙)抗力与位移和所处位置的基床系数有关[9-10],即

σ=kx

(1)

式中:σ为嵌固端的桩(墙)抗力；k为土的水平向基床系数(或简称基床系数)；x为嵌固端的桩(墙)位移。

假定k随深度成正比例增长，则

k=mz

(2)

式中，z为深度。

根据弹性力学布辛涅斯克解，推导出m与弹性模量E0之间的关系式为

(3)

式中：v为泊松比；ω为与长宽比有关的形状参数，当桩(墙)为正方形时ω=1.12。

根据式(3)，可以利用地基土弹性模量、土层所处的深度等反算3个断面的m值。在计算时，土层的深度取该土层的中点深度，自基坑底起算。

各土层推算m值与TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》[11]中的推荐值对比见表3。可知：利用实测数据反算取得的m值与规范推荐值一致。

表3 不同土层地基的m推荐值与反算值对比

4 等效内摩擦角反分析

以基坑开挖到基坑底面标高时为分析状态，利用监测支撑轴力，反分析土体的综合等效内摩擦角φ0，计算简图见图3，图中Ea为主动侧土压力;Ep为被动侧土压力;Lac，Lad,Lab分别为N1,N2,Ea到Ep作用点的距离。当基坑开挖到底时，假定土体在被动侧土体全部进入塑性状态，即土压力为被动土压力。

图3 计算简图

根据静力学平衡条件，在支撑轴力已知的条件下，可以得到

(4)

式中:Y为支撑所受到的力;N1为第1道支撑轴力；N2为第2道支撑轴力。

(5)

式中:Ma为主动侧土压力作用点的弯矩；Mb为被动侧土压力作用点的弯矩。

采用等效摩擦角时朗肯被动土压力强度的计算式为

pp=γHtan2(45°+φ0/2)

(6)

式中:pp为最大被动土压力;γ为土层的加权重度；H为计算被动侧土层的厚度;φ0为等效内摩擦角。

Ep=(1/2)ppH

(7)

将式(6)代入式(7)，得到φ0的表达式为

(8)

反分析计算得到的3个断面填土层的综合摩擦角，见表4，可知：深港西部通道填海区杂填土层的等效内摩擦角约为21°～23°。

表4 3个断面等效内摩擦角计算数据和结果

5 计算结果分析

各地基主要土层的土工参数反分析结果见表5。

表5 各岩土参数反分析结果

由表5可知：

1)填海区的杂填土层弹性模量约为4.3 MPa，与勘察推荐值4.0 MPa接近；杂填土层的综合摩擦角约为21°～23°，相比勘察标贯试验结果数据换算的等效摩擦角(约为35°)要小得多。

2)粗(砾)砂层反算弹性模量48.5 MPa大于推荐值36.0 MPa；水平反力系数的比例系数计算值23.7 MN/m4与规范推荐值20～30 MN/m4一致。

3)砾质亚黏土反算弹性模量65.8 MPa大于推荐值42.0 MPa，水平反力系数的比例系数计算值15.7 MN/m4与规范推荐值10～20 MN/m4一致。

6 结论

本文结合建在填海区的深港西部通道工程，采用反分析的方法，推算出基坑设计的主要土工参数，包括各地基土层的土体变形模量E、地基系数的比例系数m和综合等效内摩擦角φ0。主要得到下列结论：

1)反分析方法原理简单，计算快捷，结果精确，适用于某一地区群式地下工程。以典型工程反演参数，可以更好地应用于后续基坑工程变形预测分析。

2)反演的土工参数符合深圳填海地区的地基土体条件，丰富了当地的工程取值经验，可为以后的工程设计提供参考。