邱海容　許建聰　薛輝豪

(1.泉州市住宅建設開發(fā)有限公司　福建泉州　362000；2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室　上海　200092；3.同濟大學地下建筑與工程系　上海　200092)

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地層參數(shù)對基坑沉降的敏感度分析

邱海容1許建聰2, 3薛輝豪2

(1.泉州市住宅建設開發(fā)有限公司福建泉州362000；2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室上海200092；3.同濟大學地下建筑與工程系上海200092)

對于基坑工程的反演分析而言，只有通過敏感度分析，才能合理確定待反演的參數(shù)。在具體工程實例的基礎上，使用Plaxis軟件進行數(shù)值模擬計算，基坑沉降計算結果與實際監(jiān)測值較為吻合。通過折減參數(shù)觀察沉降結果的變化方法，針對各不同土層內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量以及泊松比對基坑沉降的敏感度進行了測試，結果表明地層的彈性模量變化對基坑沉降最為敏感，其次為內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力與泊松比的敏感度最低，這與工程經(jīng)驗相符合。使用的敏感度分析方法簡單快捷，有利于實際的工程應用。

基坑沉降；敏感度；Plaxis

0　引言

地下工程開挖過程中，巖土體性態(tài)、水土壓力和支護結構的受力狀態(tài)都在不斷變化，采用確定不變的力學參數(shù)分析不斷變化的體系的力學狀態(tài)，顯然不可能得到預想的效果。軟件提供的反分析方法以現(xiàn)場位移或內(nèi)力增量量測值等為依據(jù)，借助優(yōu)化反分析方法確定地層性態(tài)參數(shù)值，并將可使以這些參數(shù)值為輸入量算得的測點位移計算值與實測值相比誤差為最小的量作為優(yōu)化反分析解，爾后將其用作預測計算分析的依據(jù)。

位移反分析方法可分為逆算反演分析法和正算反演分析法兩類。前者為正分析的逆過程，計算過程簡單，但須先建立求逆公式和編制相應的程序，適用性差。在基坑工程中，往往遇到復雜的地層組成，需要反演的地層參數(shù)繁多；施工常常采用分步開挖、分步支護的方式，其位移、結構內(nèi)力及巖土層應力等隨著施工階段的變化呈現(xiàn)出一種動態(tài)響應過程；若采用逆算反演分析法，不便于工地現(xiàn)場的快速運算。而使用簡化分析的正算反演分析的方法，應用上更加快捷，而又不失工程要求的精度。

對于處于復雜地質條件下的基坑工程，不同地層的參數(shù)變化，對基坑支護沉降都會造成大小不一的影響。因此，對于工程現(xiàn)場來說，快速分析地層參數(shù)對基坑沉降的敏感度，確定最敏感參數(shù)，將該參數(shù)作為反演分析的主要反演參數(shù)，對于后續(xù)的基坑支護沉降預測是十分重要的。

1　地層參數(shù)對基坑沉降敏感度分析原理

根據(jù)不確定因素每次變動數(shù)目的多少，敏感度分析可以分為單因素敏感度分析和多因素敏感度分析。在基坑工程的數(shù)值模擬計算中，可以設基坑支護沉降

u=f(ω1,ω2,…，ωn)

(1)

式中ω1,ω2,…，ωn為輸入的參變量。為工程應用簡便起見，以單因素敏感度分析方法進行敏感度分析，即一次改變一個地層參數(shù)，保持其它因素均不發(fā)生變化，觀察其對基坑支護沉降的影響。

正算反演分析的方法，采用了逼近和迭代優(yōu)化試算的方法，將待定參數(shù)的反演分析問題轉化為正演計算目標函數(shù)的尋優(yōu)問題[1]?；谠摲椒?，在地層參數(shù)對基坑沉降敏感度問題上，通過逐個對不同的土層參數(shù)進行幅度相同的折減，并進行正演計算得基坑支護理論沉降值，對比該沉降值與未折減前的基坑支護沉降值，依據(jù)式(2)可得基坑支護沉降對不同地層參數(shù)的敏感度。

敏感度=(沉降變化值/原始沉降值)/折減系數(shù)

(2)

在基坑支護設計中，常用的地層強度參數(shù)有土層的內(nèi)聚力c值，內(nèi)摩擦角φ值以及彈性模量E值。通過上述的方法，可以得到不同地層的強度參數(shù)對基坑沉降的敏感度，找出這些地層參數(shù)中最敏感的參數(shù)。

2　工程實例計算

本文結合某市東海街道經(jīng)濟適用房及廉租房3#地下室基坑，進行地層參數(shù)對基坑沉降的敏感度分析。

2.1工程概況

基坑位于該市東海街道處，基坑平面為近似矩形的不規(guī)則形狀，南北長約200m，東西長近150m，基坑開挖深度為8～12m，同時場地北邊5～10m處有居民樓群，其他三面均開闊無高層建筑及建筑群?；又ёo型式采用噴錨支護。根據(jù)勘察報告，基坑范圍內(nèi)工程地質土層為素填土層，粘性土層，全風化花崗巖層及中風化花崗巖層。

2.2Plaxis計算軟件介紹

PLAXIS 2D/3D程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強大的通用巖土有限元計算軟件，現(xiàn)在已廣泛應用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析中。其中，PLAXIS 2D軟件在模擬計算基坑開挖工程方面具有較好的適用性，其計算結果可用于對實際工程結果的預測[2]。

2.3計算參數(shù)選取及模型建立

本算例中，所有土層均采用M-C本構模型。各土層的參數(shù)結合現(xiàn)場勘測報告及相關工程經(jīng)驗確定，如表1所示。根據(jù)工程設計資料及相關規(guī)范，取噴錨支護計算參數(shù)如表2所示。

表1　土層計算參數(shù)選取

表2　噴錨支護計算參數(shù)選取

計算模型為二維平面模型，基坑設計剖面圖如圖1所示。

根據(jù)實地勘測資料，以及現(xiàn)實工程經(jīng)驗，對建立的有限元模型中的地層分布作了簡化，最終建立Plaxis幾何模型如圖2所示。

同時，為了比較真實、準確地反映基坑實際開挖步驟對基坑支護沉降的影響，在Plaxis軟件中設置了八步分步開挖步。即開挖至第一排錨桿埋深——噴錨支護施作——開挖至第二排錨桿——噴錨支護施作，依次類推直至開挖至基坑設計深度。

2.4計算結果分析

在Plaxis Output模塊中對計算進行處理。基坑整體的變形情況如圖3所示，圖中變形大小為實際變形的50倍。

圖中點A所示位置即為基坑坑頂沉降監(jiān)測點。Plaxis計算結果給出的點A處豎向位移沉降最大值為13.26mm，根據(jù)基坑現(xiàn)場監(jiān)測資料，實際基坑沉降為14.50mm。數(shù)值模擬結果略微偏小，這可能是由于未考慮地下水滲流對基坑沉降造成的影響。可以看出，該模型的計算結果是可靠的。

2.5敏感度分析

接下來分別對素填土層、粉質粘土層、全風化花崗巖層參數(shù)進行敏感度分析。以素填土層為例進行說明。

素填土處于基坑模擬土層中的最上部，即圖2中的藍色部分，對其進行敏感度測試將會分別折減素填土土層的主要輸入?yún)?shù)內(nèi)聚力c值、內(nèi)摩擦角φ值、彈性模量E值以及泊松比ν。敏感度數(shù)值的計算為先將某一參數(shù)折減10%，并用Plaxis軟件模擬計算得到單一參數(shù)折減后的基坑支護沉降數(shù)值，之后可依靠公

式(2)進行計算得到地層參數(shù)敏感度。

將計算結果整理后如表3所示。

表3　地層參數(shù)對基坑沉降敏感度分析結果

3　敏感度測試結果分析

由表3得知，該基坑的地層參數(shù)中，全風化花崗巖層、粉質粘土層及素填土層的彈性模量對基坑沉降最為敏感。這與工程經(jīng)驗是相符的。而三個不同地層的彈性模量，敏感度也有區(qū)別。其余的參數(shù)中，各地層的內(nèi)摩擦角變化也對基坑坑頂?shù)某两涤休^大影響。泊松比及內(nèi)聚力變化對基坑沉降的影響則較為接近。

4　結語

對于基坑工程的反演分析而言，只有通過敏感度分析，才能合理確定待反演的參數(shù)。本文在具體工程實例的基礎上，結合Plaxis軟件，針對不同地層參數(shù)對基坑沉降的敏感度進行了測試，結果表明地層的彈性模量變化對基坑沉降最為敏感，其次為內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力與泊松比的敏感度最低。這與工程經(jīng)驗相符合。研究使用的敏感度分析方法簡單快捷，有利于實際的工程應用。

[1]孫鈞,戚玉亮.隧道圍巖穩(wěn)定性正算反演分析研究——以廈門海底隧道穿越風化深槽施工安全監(jiān)控為例[J].巖土力學,2010(08)2353-2360.

[2]劉小麗,馬悅,郭冠群,等.PLAXIS2D模擬計算基坑開挖工程的適用性分析[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2012(04):19-25.

The sensitivity analysis of stratum parameters to foundation pit settlement

QIUHairong1XUJiancong2, 3XUEHuihao2

(1. House Building and Developing Limited Company of Quanzhou, Quanzhou 362000;2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092；3. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092)

For back analysis of foundation engineering, the stratum parameter sensitivity analysis is the only way to ascertain proper parameters that are to be back analyzed.Based on an engineering example, use Plaxis2D to simulate the excavation of foundation pit and the result of foundation pit settlement calculation was consistent with actual measurement.Conduct sensitivity analysis of cohesion, internal friction angle, modulus of elasticity and poisson ratio by reducing parameters.The result shows that the sensitivity of stratum modulus of elasticity to foundation pit settlement is largest and internal friction angle is next.Sensitivity of cohesion and passion ratio are lowest.It conforms the engineering experience.The method to analyze the sensitivity is easy and convenient so that it apply to the practical engineering well.

Foundation pit settlement; Sensitivity; Plaxis

邱海容(1967.03-)，男，高級工程師。

E-mail:13805974492@163.com

2016-02-01

TU435

A

1004-6135(2016)06-0041-03