濟(jì)南地區(qū)MMC參數(shù)選取對(duì)既有地鐵隧道影響性研究

董元濱 隋偉 陳政友 楊明昕 翟文娟

摘要 文章結(jié)合濟(jì)南地區(qū)多項(xiàng)鄰近地鐵的基坑工程，采用修正莫爾庫倫（MMC）模型模擬土質(zhì)地層、土巖二元復(fù)合地層基坑在施工過程中對(duì)既有地鐵隧道的影響。運(yùn)用位移反演分析技術(shù)，針對(duì)修正莫爾庫倫（MMC）本構(gòu)關(guān)系中開挖卸荷影響較大的參數(shù)Eurref、Eoedref、E50ref進(jìn)行研究。通過多個(gè)項(xiàng)目模型的多次調(diào)試，建立Eurref、Eoedref、E50ref參數(shù)取值數(shù)據(jù)庫。并與現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，使數(shù)值模擬計(jì)算的地鐵隧道變形值接近監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值。分析結(jié)果表明，對(duì)于粉質(zhì)黏土地層按照Eurref∶Eoedref∶E50ref=7∶1∶1取值，對(duì)于全風(fēng)化巖層按照Eurref∶Eoedref∶E50ref=4∶1∶1取值，模擬計(jì)算結(jié)果接近工程監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值?？蔀楹罄m(xù)濟(jì)南地區(qū)數(shù)值模擬工作參數(shù)取值提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 MMC模型；位移反演分析；參數(shù)選??；基坑；地鐵隧道

中圖分類號(hào) U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0016-03

0 引言

修正莫爾庫倫模型是由莫爾庫倫模型本構(gòu)發(fā)展而來的本構(gòu)模型，適用于各種類型地基土材料[1]。該模型剪切屈服面與莫爾庫倫模型屈服面相同，壓縮面為橢圓形的帽子本構(gòu)，在剪切方向和壓縮方向采用了雙硬化模型，可用于模擬具有冪率關(guān)系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型[2]。

在數(shù)值模擬計(jì)算中，修正莫爾庫倫模型Eoedref、Eurref一般取值為E50ref一定的倍數(shù)。李連祥[3]等基于HHS模型數(shù)值分析認(rèn)為黏性土可取Eurref∶Eoedref∶E50ref=8∶1∶1；砂土、卵石可取Eurref：Eoedref∶E50ref=3.5∶1∶1。

1 土層工程案例

1.1 工程概況

濟(jì)南某房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目基坑，東西長96.4 m，南北寬約54.95 m，開挖深度9.7 m，距離軌道交通2號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)邊線11.26～13.07 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

建設(shè)場地以第四系全系統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、黏土為主。第四系最大厚度約38 m，主要地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.3 支護(hù)形式及施工工況

臨近地鐵隧道一側(cè)基坑采用φ800@1 100 mm排樁加兩道內(nèi)支撐支護(hù)，第一道混凝土支撐截面尺寸為800 mm×800 mm，第二道鋼支撐為φ800 mm（t=16 mm）。地下水位于坑底之下，模擬過程不考慮降水施工。

1.4 數(shù)值模型

該案例選取有限元軟件Midas GTS作為計(jì)算平臺(tái)。土體采用三維實(shí)體單元建模；鋼支撐和混凝土支撐采用梁單元建模；隧道管片采用板單元建模；圍護(hù)樁利用等剛度原理轉(zhuǎn)換為603 mm厚地下連續(xù)墻，采用板單元建模。各單元根據(jù)實(shí)際情況分別賦予材料及截面屬性，土體建模X方向245 m，Y方向215 m，Z方向38 m。模型底部采用固定支座，模型四周采用滑動(dòng)支座。

1.5 模型參數(shù)位移反分析

修正莫爾庫倫模型的計(jì)算參數(shù)較多，但絕大多數(shù)均可通過常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)獲取。該文選取對(duì)于開挖卸荷影響較大的剛度參數(shù)E50ref、Eoedref、Eurref作為反演參數(shù)。鑒于工程案例結(jié)構(gòu)體系所處地層均位于粉質(zhì)黏土地層，假定各粉質(zhì)黏土地層E50ref、Eoedref、Eurref三個(gè)剛度系數(shù)之間比例系數(shù)相等?；谟嘘P(guān)學(xué)者的研究成果，假定各地層Eoedref取值等于本地層E50ref；各地層Eurref為相應(yīng)地層E50ref的同一倍數(shù)關(guān)系，此倍數(shù)關(guān)系計(jì)算精度滿足基坑相鄰隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算需求即可。分別假定濟(jì)南地區(qū)粉質(zhì)黏土地層Eurref取4～10倍E50ref計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑相鄰隧道結(jié)構(gòu)變形值。采用最小二乘法比對(duì)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值與Eurref取4～10倍E50ref時(shí)各工況下的位移值。各地層剛度參數(shù)理想值如表2所示。

1.6 位移結(jié)果統(tǒng)計(jì)

隧道結(jié)構(gòu)水平變形量、沉降量如圖1、圖2所示。對(duì)于粉質(zhì)黏土地層，當(dāng)Eurref、Eoedref、E50ref比例關(guān)系從4∶1∶1增加到10∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平變形值從2.07 mm增加至4.32 mm。當(dāng)Eurref、Eoedref、E50ref=7∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平變形值為2.57 mm，監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值為2.73 mm，兩者最接近。比例關(guān)系從4∶1∶1增加到10∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬地鐵隧道沉降值從1.34 mm增加至2.71 mm。當(dāng)Eurref∶Eoedref∶E50ref=7∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬地鐵隧道沉降值為1.61 mm，監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值為1.71 mm，兩者最接近。當(dāng)Eurref∶Eoedref∶E50ref=7∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好。

2 土巖二元復(fù)合地層工程案例

2.1 工程概況

濟(jì)南某TOD項(xiàng)目，距3號(hào)線區(qū)間左線隧道最小凈距25.08 m，基坑開挖深度約15.1 m，隧道覆土13.53 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

建設(shè)場地以第四系全系統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化閃長巖為主，主要地層物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

2.3 支護(hù)形式及施工工況

臨近地鐵隧道一側(cè)采用樁錨支護(hù)形式，灌注樁樁徑800 mm，樁間距1.5 m，一樁一錨。豎直方向共設(shè)4道錨索。

2.4 數(shù)值模型

該案例錨索采用植入式桁架單元，其余單元同上文案例一致。

2.5 模型參數(shù)位移反分析

基于上述案例分析，粉質(zhì)黏土地層剛度參數(shù)可取值為Eurref∶Eoedref∶E50ref=7∶1∶1。對(duì)于巖石地層剛度參數(shù)的選取可參照學(xué)者已有研究成果，假定濟(jì)南地區(qū)巖石地層Eurref取3～5倍E50ref計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)變形值。采用最小二乘法比對(duì)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值與Eurref取3～5倍E50ref時(shí)各工況下的位移值。各地層剛度參數(shù)理想值如表4所示。

2.6 位移結(jié)果統(tǒng)計(jì)

隧道結(jié)構(gòu)水平變形量、沉降量如圖3、圖4所示。對(duì)于全風(fēng)化地層，當(dāng)Eurref∶Eoedref∶E50ref比例關(guān)系從3∶1∶1增加到5∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平變形值從1.97 mm增加至2.63 mm。當(dāng)Eurref∶Eoedref∶E50ref=4∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬隧道結(jié)構(gòu)水平變形值為2.38 mm，監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值為2.32 mm，兩者最接近。比例關(guān)系從3∶1∶1增加到5∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬地鐵隧道沉降值從1.59 mm增加至2.19 mm。當(dāng)Eurref∶Eoedref∶E50ref=4∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬地鐵隧道沉降值為1.67 mm，監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值為1.76 mm，兩者最接近。當(dāng)Eurref∶Eoedref∶E50ref=4∶1∶1時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好。

3 結(jié)論

通過土層、土巖二元復(fù)合地層工程案例監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演分析可知：當(dāng)運(yùn)用Midas GTS有限元軟件選用修正莫爾庫倫（MMC）模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，對(duì)于粉質(zhì)黏土地層按照Eurref∶Eoedref∶E50ref=7∶1∶1進(jìn)行取值，對(duì)于全風(fēng)化巖層按照Eurref∶Eoedref∶E50ref=4∶1∶1進(jìn)行取值，模擬計(jì)算結(jié)果接近工程實(shí)際。該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于研究濟(jì)南地區(qū)典型地層基坑接近地鐵結(jié)構(gòu)施工具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]徐中華， 王衛(wèi)東. 敏感環(huán)境下基坑數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型的選擇[J]. 巖土力學(xué)， 2010（1）： 258-264+326.

[2]胡建林， 孫利成， 崔宏環(huán)， 等. 修正莫爾庫倫模型下的深基坑變形數(shù)值分析[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2021（2）： 134-140.

[3]李連祥， 劉嘉典， 李克金， 等. 濟(jì)南典型地層HSS參數(shù)選取及適用性研究[J]. 巖土力學(xué)， 2019（10）： 4021-4029.