鄭州地區基坑工程砂土力學指標確定方法探討

何建鋒，郭小帥，杜朋召

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003）

隨著地下空間利用越來越多，基坑支護費用占總投資的比重逐漸增大。已有的監測數據顯示，現有的基坑工程開挖期間，變形一般小于規范允許值，支撐軸力小于設計值，一些工點即使有較大的超挖，其變形也較小，這說明目前基坑支護設計采用的力學參數有較大的安全儲備。

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。黃河沖積平原區上部30 m范圍內分布有較多砂層。而砂土易擾動，難以取到原狀樣品進行力學試驗，其力學參數大多依據原位測試經驗公式確定，不同地區的經驗方法有一定差別，因而對土層特別是砂層的力學參數確定方法進行探討是很有必要的，合適的力學參數能在確保安全的前提下產生較好的經濟效益。

本文通過對鄭州地區某基坑監測數據的分析，以監測到的支撐軸力為反演目標，結合開挖工況通過直接反分析和正交計算，得到鄭州地區黃河沖積平原區典型砂層的力學指標，以指導鄭州地區基坑支護設計工作［1］。

1 現狀

砂土易擾動，目前鄭州市勘察實踐中對砂土一般只進行原位測試。DBJ 41/138—2014河南省建筑地基基礎勘察設計規范［2］5.5.6條 “對砂土和碎石土，可采用標準貫入試驗或水下休止角試驗代替抗剪強度試驗” 。水下休止角試驗獲得的是擾動后的土樣指標，因而對于砂土，原位測試能較好的反映土的真實狀態和性質。目前常用的原位測試手段主要是標準貫入試驗和靜力觸探試驗。

根據DBJ 41/138—2014河南省建筑地基基礎勘察設計規范和JGJ 340—2015建筑地基檢測技術規范［3］，砂土的密實度可分為松散、稍密、中密、密實，如表1所示。

表1 砂土密實度判別

根據TB 10018—2018鐵路工程地質原位測試規程［4］，砂類土的內摩擦角可根據表2取值。

表2 砂類土的內摩擦角

依據《工程地質手冊》（中國建筑工業出版社第五版）［5］，國內外砂土N與φ的關系式見表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，參考圍護結構水平位移，選擇支撐總軸力較大的斷面進行反分析。

2）確定分析斷面后，對該斷面各層支撐的監測軸力進行統計分析，分別計算最大值、大值平均值和標準值。反分析時取最大值/分項系數、大值平均值和標準值三個數值中的最大值作為計算目標。分項系數取恒荷載的分項系數1.2。

3）土層的重度、厚度等邊界條件依據勘察報告，圍護結構樁長、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計計算書和施工圖為準，地下水位取監測水位。

2.2 工作流程

以基坑開挖期間支撐軸力為目標，在地層概化的基礎上，構建基坑開挖支護模型，選用合理的支護監測數據，采用基于彈性地基梁理論的直接法，對各土層的力學指標進行逐層反演，反演所得結果作為已知量用于下層參數反演，逐層遞歸直到完成基坑開挖面以上全部土層的力學參數，以此獲得該工程區接近真實的土層力學參數。

1）分析監測數據，選擇支撐總軸力、圍護結構水平位移較大的監測斷面為分析對象，一般位于基坑中部。

2）根據設計圖紙輸入基本信息，如樁長、樁徑、樁間距等信息。

3）根據勘察報告和支撐數優化地層，必要時簡化合并相近土層，輸入土層信息，如層厚、重度、黏聚力、內摩擦角、m值等，依據監測資料輸入實際水位。

4）根據設計圖紙和監測資料輸入支錨信息和開挖工況，如水平間距、豎向間距、預加荷載、支撐剛度等。

5）進行初步計算，獲得各工況下的變形和內力等信息，將初步計算各道支撐軸力、總軸力與監測的軸力進行對比，前期可采用較大幅度的調整獲取各土層力學參數基準值。

6）根據實際的地層、水位和周邊荷載情況，結合開挖工況，設定土層的主要設計參數變化范圍，然后對c，φ進行正交設計和組合，再進行計算，認為與支撐內力最相符的力學參數組合為該土層的力學參數。

7）進入下一個工況，重復均勻正交設計計算等步驟，直到確定基坑開挖面以上所有土層的力學參數。

3 工程實例

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（Q4）粉質黏土、粉土、粉細砂，第四系上更新統（Q3）粉質黏土、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黏質粉土：褐黃色，稍濕，稍密。含銹斑，有砂感，干強度低，韌性低，搖振反應低。層厚0.9 m～3.2 m。實測標貫擊數標準值5.9擊。

②32黏質粉土（Q4al）：褐黃色，稍濕，稍密。含銹斑，有砂感，干強度低，韌性低，搖振反應低。層厚1.3 m～4.0 m。實測標貫擊數標準值8.1擊。

②33黏質粉土褐黃色，稍濕，稍密。含白色鈣質條紋，銹色斑點，有砂感。層厚1.5 m～6.0 m。實測標貫擊數標準值9.3擊。

②34黏質粉土：灰褐色，濕，中密。干強度及韌性低，搖振反應中。層厚0.6 m～7.5 m。實測標貫擊數標準值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。實測標貫擊數平均值26.3擊。

②51細砂褐黃色，飽和，密實。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。實測標貫擊數平均值41.7擊。

勘察期間，穩定地下潛水水位埋深介于11.8 m～3.9 m。

3.3 圍護結構

車站基坑長475.1 m，標準段基坑寬為19.97 m、標準段基坑深約為17.58 m，標準段基坑采用φ1 000＠1 300 mm鉆孔鉆灌樁+φ850＠600 mm三軸攪拌樁止水支護形式。設置三道φ609×16 mm鋼支撐。

3.4 監測數據

支撐總軸力最大的斷面各層軸力見圖1。

圖1 ZCL-9監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架設第一道609×16鋼支撐，水平間距6.0 m，預加力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架設第二道609×16鋼支撐，水平間距3.0 m，預加力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架設第三道609×16支撐，水平間距3.0 m，預加力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）根據實際開挖工況分層模擬ZCL-9監測斷面支撐軸力。將土層物理力學性質接近的②31層黏質粉土、②32層黏質粉土和②33層黏質粉土合并。

監測數據顯示，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

支護斷面圖見圖2。

圖2 支護斷面圖

工況3：開挖至13.02 m（架設第二道支撐前），擬合目標軸力為1 010.6 kN。具體計算結果見表5。

表5 工況3正交分析計算結果

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

表6 工況5正交分析計算結果

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

表7 工況7正交分析計算結果

砂層力學參數對照表見表8。

表8 砂層力學參數對照表

力學指標對比圖見圖3。

圖3 力學指標對比圖

4 結論與建議

1）采用直接反分析法，以監測的支撐軸力為目標，通過正交參數直接反分析計算，獲得了鄭州黃河沖積平原區中砂層的力學指標。

2）監測數據顯示，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，基坑設計計算時可以采用全量彈性法。

3）將反分析結果與不同理論的原位測試結果進行了對比，對比結果說明對于中密～密實狀粉細砂，反分析結果略高于原位測試判別結果。實踐中可利用原位測試，結合砂土的狀態確定砂土的力學指標。

4）利用真實的監測數據，采用反分析方法可以獲取土層真實的力學指標，希望有更多的工程實例進行驗證，總結出鄭州地區典型砂層的力學指標合理取值范圍。