何建鋒，郭小帥，杜朋召

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），河南 鄭州 450003）

隨著地下空間利用越來越多，基坑支護(hù)費(fèi)用占總投資的比重逐漸增大。已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有的基坑工程開挖期間，變形一般小于規(guī)范允許值，支撐軸力小于設(shè)計(jì)值，一些工點(diǎn)即使有較大的超挖，其變形也較小，這說明目前基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采用的力學(xué)參數(shù)有較大的安全儲備。

鄭州位于河南省西部黃土丘陵與東部黃河沖積平原的交接地帶，為華北平原的一部分，地勢由西南向東北傾斜。黃河沖積平原區(qū)上部30 m范圍內(nèi)分布有較多砂層。而砂土易擾動，難以取到原狀樣品進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，其力學(xué)參數(shù)大多依據(jù)原位測試經(jīng)驗(yàn)公式確定，不同地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)方法有一定差別，因而對土層特別是砂層的力學(xué)參數(shù)確定方法進(jìn)行探討是很有必要的，合適的力學(xué)參數(shù)能在確保安全的前提下產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文通過對鄭州地區(qū)某基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，以監(jiān)測到的支撐軸力為反演目標(biāo)，結(jié)合開挖工況通過直接反分析和正交計(jì)算，得到鄭州地區(qū)黃河沖積平原區(qū)典型砂層的力學(xué)指標(biāo)，以指導(dǎo)鄭州地區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)工作［1］。

1 現(xiàn)狀

砂土易擾動，目前鄭州市勘察實(shí)踐中對砂土一般只進(jìn)行原位測試。DBJ 41/138—2014河南省建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范［2］5.5.6條 “對砂土和碎石土，可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)或水下休止角試驗(yàn)代替抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)” 。水下休止角試驗(yàn)獲得的是擾動后的土樣指標(biāo)，因而對于砂土，原位測試能較好的反映土的真實(shí)狀態(tài)和性質(zhì)。目前常用的原位測試手段主要是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)。

根據(jù)DBJ 41/138—2014河南省建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范和JGJ 340—2015建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范［3］，砂土的密實(shí)度可分為松散、稍密、中密、密實(shí)，如表1所示。

表1 砂土密實(shí)度判別

根據(jù)TB 10018—2018鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程［4］，砂類土的內(nèi)摩擦角可根據(jù)表2取值。

表2 砂類土的內(nèi)摩擦角

依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（中國建筑工業(yè)出版社第五版）［5］，國內(nèi)外砂土N與φ的關(guān)系式見表3，用N值推算砂土剪切角見表4。

表3 國外砂土N與φ的關(guān)系式

表4 國外用N值推算砂土的剪切角φ（°）

2 反分析

2.1 基本原則

1）反分析以支撐軸力為主，參考圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，選擇支撐總軸力較大的斷面進(jìn)行反分析。

2）確定分析斷面后，對該斷面各層支撐的監(jiān)測軸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別計(jì)算最大值、大值平均值和標(biāo)準(zhǔn)值。反分析時(shí)取最大值/分項(xiàng)系數(shù)、大值平均值和標(biāo)準(zhǔn)值三個(gè)數(shù)值中的最大值作為計(jì)算目標(biāo)。分項(xiàng)系數(shù)取恒荷載的分項(xiàng)系數(shù)1.2。

3）土層的重度、厚度等邊界條件依據(jù)勘察報(bào)告，圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁長、樁徑（墻厚）、樁間距、支撐水平間距、豎向間距、支撐剛度等邊界條件以設(shè)計(jì)計(jì)算書和施工圖為準(zhǔn)，地下水位取監(jiān)測水位。

2.2 工作流程

以基坑開挖期間支撐軸力為目標(biāo)，在地層概化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基坑開挖支護(hù)模型，選用合理的支護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用基于彈性地基梁理論的直接法，對各土層的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行逐層反演，反演所得結(jié)果作為已知量用于下層參數(shù)反演，逐層遞歸直到完成基坑開挖面以上全部土層的力學(xué)參數(shù)，以此獲得該工程區(qū)接近真實(shí)的土層力學(xué)參數(shù)。

1）分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇支撐總軸力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較大的監(jiān)測斷面為分析對象，一般位于基坑中部。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙輸入基本信息，如樁長、樁徑、樁間距等信息。

3）根據(jù)勘察報(bào)告和支撐數(shù)優(yōu)化地層，必要時(shí)簡化合并相近土層，輸入土層信息，如層厚、重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、m值等，依據(jù)監(jiān)測資料輸入實(shí)際水位。

4）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和監(jiān)測資料輸入支錨信息和開挖工況，如水平間距、豎向間距、預(yù)加荷載、支撐剛度等。

5）進(jìn)行初步計(jì)算，獲得各工況下的變形和內(nèi)力等信息，將初步計(jì)算各道支撐軸力、總軸力與監(jiān)測的軸力進(jìn)行對比，前期可采用較大幅度的調(diào)整獲取各土層力學(xué)參數(shù)基準(zhǔn)值。

6）根據(jù)實(shí)際的地層、水位和周邊荷載情況，結(jié)合開挖工況，設(shè)定土層的主要設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍，然后對c，φ進(jìn)行正交設(shè)計(jì)和組合，再進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為與支撐內(nèi)力最相符的力學(xué)參數(shù)組合為該土層的力學(xué)參數(shù)。

7）進(jìn)入下一個(gè)工況，重復(fù)均勻正交設(shè)計(jì)計(jì)算等步驟，直到確定基坑開挖面以上所有土層的力學(xué)參數(shù)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

豐慶路站為鄭州軌道交通4號線工程的第4個(gè)車站，位于鄭州市三全路與園田路交叉口，沿三全路東西向布置。場地主要為城市道路，車站總長度120 m，車站形式為地下2層島式站臺車站，施工方法擬采用明挖法。

3.2 地質(zhì)條件

擬建豐慶路站位于鄭州市三全路與園田路交叉口，沿三全路東西向設(shè)置，場地主要為城市道路，地形較平坦，局部略有起伏，地面高程約90.5 m～92.0 m，地貌單元屬黃河泛濫沖洪積平原。

地層主要為人工填土及第四系全新統(tǒng)（Q4）粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂，第四系上更新統(tǒng)（Q3）粉質(zhì)黏土、粉土等土層。

①1雜填土（Qml4）：城市道路上表層主要為柏油路面，厚約40 cm；下部主要為灰土墊層、人工堆填粉土，層厚0.8 m～4.5 m。

②31黏質(zhì)粉土：褐黃色，稍濕，稍密。含銹斑，有砂感，干強(qiáng)度低，韌性低，搖振反應(yīng)低。層厚0.9 m～3.2 m。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值5.9擊。

②32黏質(zhì)粉土（Q4al）：褐黃色，稍濕，稍密。含銹斑，有砂感，干強(qiáng)度低，韌性低，搖振反應(yīng)低。層厚1.3 m～4.0 m。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值8.1擊。

②33黏質(zhì)粉土褐黃色，稍濕，稍密。含白色鈣質(zhì)條紋，銹色斑點(diǎn)，有砂感。層厚1.5 m～6.0 m。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值9.3擊。

②34黏質(zhì)粉土：灰褐色，濕，中密。干強(qiáng)度及韌性低，搖振反應(yīng)中。層厚0.6 m～7.5 m。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值14.4擊。

②41粉砂灰褐色、褐黃色，飽和，中密。主要礦物成分以長石、石英，含少量云母，級配均勻。層厚1.7 m～7.5 m。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)平均值26.3擊。

②51細(xì)砂褐黃色，飽和，密實(shí)。主要礦物成分以長石、石英，含少量云母，級配均勻。層厚5.5 m～10.4 m。實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)平均值41.7擊。

勘察期間，穩(wěn)定地下潛水水位埋深介于11.8 m～3.9 m。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

車站基坑長475.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬為19.97 m、標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約為17.58 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑采用φ1 000＠1 300 mm鉆孔鉆灌樁+φ850＠600 mm三軸攪拌樁止水支護(hù)形式。設(shè)置三道φ609×16 mm鋼支撐。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

支撐總軸力最大的斷面各層軸力見圖1。

圖1 ZCL-9監(jiān)測斷面支撐軸力變化曲線圖

3.5 開挖工況

1）2018年2月1日，基坑開挖3.82 m，在2.32 m架設(shè)第一道609×16鋼支撐，水平間距6.0 m，預(yù)加力175 kN，支撐剛度630 MN/m。

2）2018年3月18日，基坑開挖至13.02 m，在8.02 m架設(shè)第二道609×16鋼支撐，水平間距3.0 m，預(yù)加力550 kN，支撐剛度630 MN/m。

3）2018年3月21日，基坑開挖至16.52 m，在14.52 m架設(shè)第三道609×16支撐，水平間距3.0 m，預(yù)加力163 kN，支撐剛度630 MN/m，后開挖至基底。三道支撐總軸力最大約為2 285 kN。

4）根據(jù)實(shí)際開挖工況分層模擬ZCL-9監(jiān)測斷面支撐軸力。將土層物理力學(xué)性質(zhì)接近的②31層黏質(zhì)粉土、②32層黏質(zhì)粉土和②33層黏質(zhì)粉土合并。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，支撐軸力一般不隨下層支撐的增加而有明顯變化，這較符合全量彈性法的假定，本次反演分析采用全量彈性法。

3.6 正交分析

支護(hù)斷面圖見圖2。

圖2 支護(hù)斷面圖

工況3：開挖至13.02 m（架設(shè)第二道支撐前），擬合目標(biāo)軸力為1 010.6 kN。具體計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 工況3正交分析計(jì)算結(jié)果

工況5：開挖至16.52 m（架設(shè)第三道支撐前），擬合目標(biāo)軸力分別為1 010.6 kN，743.3 kN。具體計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 工況5正交分析計(jì)算結(jié)果

工況7：開挖至17.58 m（基底），三道支撐全部完成，擬合目標(biāo)軸力分別為1 010.6 kN，743.3 kN，403.4 kN。具體計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 工況7正交分析計(jì)算結(jié)果

砂層力學(xué)參數(shù)對照表見表8。

表8 砂層力學(xué)參數(shù)對照表

力學(xué)指標(biāo)對比圖見圖3。

圖3 力學(xué)指標(biāo)對比圖

4 結(jié)論與建議

1）采用直接反分析法，以監(jiān)測的支撐軸力為目標(biāo)，通過正交參數(shù)直接反分析計(jì)算，獲得了鄭州黃河沖積平原區(qū)中砂層的力學(xué)指標(biāo)。

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，支撐軸力一般不隨下層支撐的增加而有明顯變化，這較符合全量彈性法的假定，基坑設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以采用全量彈性法。

3）將反分析結(jié)果與不同理論的原位測試結(jié)果進(jìn)行了對比，對比結(jié)果說明對于中密～密實(shí)狀粉細(xì)砂，反分析結(jié)果略高于原位測試判別結(jié)果。實(shí)踐中可利用原位測試，結(jié)合砂土的狀態(tài)確定砂土的力學(xué)指標(biāo)。

4）利用真實(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用反分析方法可以獲取土層真實(shí)的力學(xué)指標(biāo)，希望有更多的工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)出鄭州地區(qū)典型砂層的力學(xué)指標(biāo)合理取值范圍。