地層參數(shù)對(duì)基坑沉降的敏感度分析

邱海容　許建聰　薛輝豪

(1.泉州市住宅建設(shè)開發(fā)有限公司　福建泉州　362000；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　上?！?00092；3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系　上?！?00092)

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地層參數(shù)對(duì)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(shè)開發(fā)有限公司福建泉州362000；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海200092；3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系上海200092)

對(duì)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(shí)例的基礎(chǔ)上，使用Plaxis軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，基坑沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值較為吻合。通過折減參數(shù)觀察沉降結(jié)果的變化方法，針對(duì)各不同土層內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量以及泊松比對(duì)基坑沉降的敏感度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明地層的彈性模量變化對(duì)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(yàn)相符合。使用的敏感度分析方法簡(jiǎn)單快捷，有利于實(shí)際的工程應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)都在不斷變化，采用確定不變的力學(xué)參數(shù)分析不斷變化的體系的力學(xué)狀態(tài)，顯然不可能得到預(yù)想的效果。軟件提供的反分析方法以現(xiàn)場(chǎng)位移或內(nèi)力增量量測(cè)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(cè)點(diǎn)位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(yù)測(cè)計(jì)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(jì)算過程簡(jiǎn)單，但須先建立求逆公式和編制相應(yīng)的程序，適用性差。在基坑工程中，往往遇到復(fù)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(hù)的方式，其位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及巖土層應(yīng)力等隨著施工階段的變化呈現(xiàn)出一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程；若采用逆算反演分析法，不便于工地現(xiàn)場(chǎng)的快速運(yùn)算。而使用簡(jiǎn)化分析的正算反演分析的方法，應(yīng)用上更加快捷，而又不失工程要求的精度。

對(duì)于處于復(fù)雜地質(zhì)條件下的基坑工程，不同地層的參數(shù)變化，對(duì)基坑支護(hù)沉降都會(huì)造成大小不一的影響。因此，對(duì)于工程現(xiàn)場(chǎng)來說，快速分析地層參數(shù)對(duì)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(duì)于后續(xù)的基坑支護(hù)沉降預(yù)測(cè)是十分重要的。

1　地層參數(shù)對(duì)基坑沉降敏感度分析原理

根據(jù)不確定因素每次變動(dòng)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(jì)算中，可以設(shè)基坑支護(hù)沉降

u=f(ω1,ω2,…，ωn)

(1)

式中ω1,ω2,…，ωn為輸入的參變量。為工程應(yīng)用簡(jiǎn)便起見，以單因素敏感度分析方法進(jìn)行敏感度分析，即一次改變一個(gè)地層參數(shù)，保持其它因素均不發(fā)生變化，觀察其對(duì)基坑支護(hù)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(zhuǎn)化為正演計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的尋優(yōu)問題[1]?；谠摲椒?，在地層參數(shù)對(duì)基坑沉降敏感度問題上，通過逐個(gè)對(duì)不同的土層參數(shù)進(jìn)行幅度相同的折減，并進(jìn)行正演計(jì)算得基坑支護(hù)理論沉降值，對(duì)比該沉降值與未折減前的基坑支護(hù)沉降值，依據(jù)式(2)可得基坑支護(hù)沉降對(duì)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(hù)設(shè)計(jì)中，常用的地層強(qiáng)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(qiáng)度參數(shù)對(duì)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(shí)例計(jì)算

本文結(jié)合某市東海街道經(jīng)濟(jì)適用房及廉租房3#地下室基坑，進(jìn)行地層參數(shù)對(duì)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(zhǎng)約200m，東西長(zhǎng)近150m，基坑開挖深度為8～12m，同時(shí)場(chǎng)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。基坑支護(hù)型式采用噴錨支護(hù)。根據(jù)勘察報(bào)告，基坑范圍內(nèi)工程地質(zhì)土層為素填土層，粘性土層，全風(fēng)化花崗巖層及中風(fēng)化花崗巖層。

2.2Plaxis計(jì)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(qiáng)大的通用巖土有限元計(jì)算軟件，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中。其中，PLAXIS 2D軟件在模擬計(jì)算基坑開挖工程方面具有較好的適用性，其計(jì)算結(jié)果可用于對(duì)實(shí)際工程結(jié)果的預(yù)測(cè)[2]。

2.3計(jì)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(gòu)模型。各土層的參數(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)報(bào)告及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定，如表1所示。根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料及相關(guān)規(guī)范，取噴錨支護(hù)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1　土層計(jì)算參數(shù)選取

表2　噴錨支護(hù)計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算模型為二維平面模型，基坑設(shè)計(jì)剖面圖如圖1所示。

根據(jù)實(shí)地勘測(cè)資料，以及現(xiàn)實(shí)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)建立的有限元模型中的地層分布作了簡(jiǎn)化，最終建立Plaxis幾何模型如圖2所示。

同時(shí)，為了比較真實(shí)、準(zhǔn)確地反映基坑實(shí)際開挖步驟對(duì)基坑支護(hù)沉降的影響，在Plaxis軟件中設(shè)置了八步分步開挖步。即開挖至第一排錨桿埋深——噴錨支護(hù)施作——開挖至第二排錨桿——噴錨支護(hù)施作，依次類推直至開挖至基坑設(shè)計(jì)深度。

2.4計(jì)算結(jié)果分析

在Plaxis Output模塊中對(duì)計(jì)算進(jìn)行處理?；诱w的變形情況如圖3所示，圖中變形大小為實(shí)際變形的50倍。

圖中點(diǎn)A所示位置即為基坑坑頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。Plaxis計(jì)算結(jié)果給出的點(diǎn)A處豎向位移沉降最大值為13.26mm，根據(jù)基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，實(shí)際基坑沉降為14.50mm。數(shù)值模擬結(jié)果略微偏小，這可能是由于未考慮地下水滲流對(duì)基坑沉降造成的影響?？梢钥闯?，該模型的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

2.5敏感度分析

接下來分別對(duì)素填土層、粉質(zhì)粘土層、全風(fēng)化花崗巖層參數(shù)進(jìn)行敏感度分析。以素填土層為例進(jìn)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(lán)色部分，對(duì)其進(jìn)行敏感度測(cè)試將會(huì)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(jì)算為先將某一參數(shù)折減10%，并用Plaxis軟件模擬計(jì)算得到單一參數(shù)折減后的基坑支護(hù)沉降數(shù)值，之后可依靠公

式(2)進(jìn)行計(jì)算得到地層參數(shù)敏感度。

將計(jì)算結(jié)果整理后如表3所示。

表3　地層參數(shù)對(duì)基坑沉降敏感度分析結(jié)果

3　敏感度測(cè)試結(jié)果分析

由表3得知，該基坑的地層參數(shù)中，全風(fēng)化花崗巖層、粉質(zhì)粘土層及素填土層的彈性模量對(duì)基坑沉降最為敏感。這與工程經(jīng)驗(yàn)是相符的。而三個(gè)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(duì)基坑坑頂?shù)某两涤休^大影響。泊松比及內(nèi)聚力變化對(duì)基坑沉降的影響則較為接近。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)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(shí)例的基礎(chǔ)上，結(jié)合Plaxis軟件，針對(duì)不同地層參數(shù)對(duì)基坑沉降的敏感度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明地層的彈性模量變化對(duì)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(yàn)相符合。研究使用的敏感度分析方法簡(jiǎn)單快捷，有利于實(shí)際的工程應(yīng)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(fēng)化深槽施工安全監(jiān)控為例[J].巖土力學(xué),2010(08)2353-2360.

[2]劉小麗,馬悅,郭冠群,等.PLAXIS2D模擬計(jì)算基坑開挖工程的適用性分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(jí)工程師。

E-mail:13805974492@163.com

2016-02-01

TU435

A

1004-6135(2016)06-0041-03