地层参数对基坑沉降的敏感度分析

邱海容　许建聪　薛辉豪

(1.泉州市住宅建设开发有限公司　福建泉州　362000；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室　上海　200092；3.同济大学地下建筑与工程系　上海　200092)



地层参数对基坑沉降的敏感度分析

邱海容1许建聪2, 3薛辉豪2

(1.泉州市住宅建设开发有限公司福建泉州362000；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092；3.同济大学地下建筑与工程系上海200092)

对于基坑工程的反演分析而言，只有通过敏感度分析，才能合理确定待反演的参数。在具体工程实例的基础上，使用Plaxis软件进行数值模拟计算，基坑沉降计算结果与实际监测值较为吻合。通过折减参数观察沉降结果的变化方法，针对各不同土层内聚力、内摩擦角、弹性模量以及泊松比对基坑沉降的敏感度进行了测试，结果表明地层的弹性模量变化对基坑沉降最为敏感，其次为内摩擦角，内聚力与泊松比的敏感度最低，这与工程经验相符合。使用的敏感度分析方法简单快捷，有利于实际的工程应用。

基坑沉降；敏感度；Plaxis

0　引言

地下工程开挖过程中，岩土体性态、水土压力和支护结构的受力状态都在不断变化，采用确定不变的力学参数分析不断变化的体系的力学状态，显然不可能得到预想的效果。软件提供的反分析方法以现场位移或内力增量量测值等为依据，借助优化反分析方法确定地层性态参数值，并将可使以这些参数值为输入量算得的测点位移计算值与实测值相比误差为最小的量作为优化反分析解，尔后将其用作预测计算分析的依据。

位移反分析方法可分为逆算反演分析法和正算反演分析法两类。前者为正分析的逆过程，计算过程简单，但须先建立求逆公式和编制相应的程序，适用性差。在基坑工程中，往往遇到复杂的地层组成，需要反演的地层参数繁多；施工常常采用分步开挖、分步支护的方式，其位移、结构内力及岩土层应力等随着施工阶段的变化呈现出一种动态响应过程；若采用逆算反演分析法，不便于工地现场的快速运算。而使用简化分析的正算反演分析的方法，应用上更加快捷，而又不失工程要求的精度。

对于处于复杂地质条件下的基坑工程，不同地层的参数变化，对基坑支护沉降都会造成大小不一的影响。因此，对于工程现场来说，快速分析地层参数对基坑沉降的敏感度，确定最敏感参数，将该参数作为反演分析的主要反演参数，对于后续的基坑支护沉降预测是十分重要的。

1　地层参数对基坑沉降敏感度分析原理

根据不确定因素每次变动数目的多少，敏感度分析可以分为单因素敏感度分析和多因素敏感度分析。在基坑工程的数值模拟计算中，可以设基坑支护沉降

u=f(ω1,ω2,…，ωn)

(1)

式中ω1,ω2,…，ωn为输入的参变量。为工程应用简便起见，以单因素敏感度分析方法进行敏感度分析，即一次改变一个地层参数，保持其它因素均不发生变化，观察其对基坑支护沉降的影响。

正算反演分析的方法，采用了逼近和迭代优化试算的方法，将待定参数的反演分析问题转化为正演计算目标函数的寻优问题[1]。基于该方法，在地层参数对基坑沉降敏感度问题上，通过逐个对不同的土层参数进行幅度相同的折减，并进行正演计算得基坑支护理论沉降值，对比该沉降值与未折减前的基坑支护沉降值，依据式(2)可得基坑支护沉降对不同地层参数的敏感度。

敏感度=(沉降变化值/原始沉降值)/折减系数

(2)

在基坑支护设计中，常用的地层强度参数有土层的内聚力c值，内摩擦角φ值以及弹性模量E值。通过上述的方法，可以得到不同地层的强度参数对基坑沉降的敏感度，找出这些地层参数中最敏感的参数。

2　工程实例计算

本文结合某市东海街道经济适用房及廉租房3#地下室基坑，进行地层参数对基坑沉降的敏感度分析。

2.1工程概况

基坑位于该市东海街道处，基坑平面为近似矩形的不规则形状，南北长约200m，东西长近150m，基坑开挖深度为8～12m，同时场地北边5～10m处有居民楼群，其他三面均开阔无高层建筑及建筑群。基坑支护型式采用喷锚支护。根据勘察报告，基坑范围内工程地质土层为素填土层，粘性土层，全风化花岗岩层及中风化花岗岩层。

2.2Plaxis计算软件介绍

PLAXIS 2D/3D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中。其中，PLAXIS 2D软件在模拟计算基坑开挖工程方面具有较好的适用性，其计算结果可用于对实际工程结果的预测[2]。

2.3计算参数选取及模型建立

本算例中，所有土层均采用M-C本构模型。各土层的参数结合现场勘测报告及相关工程经验确定，如表1所示。根据工程设计资料及相关规范，取喷锚支护计算参数如表2所示。

表1　土层计算参数选取

表2　喷锚支护计算参数选取

计算模型为二维平面模型，基坑设计剖面图如图1所示。

根据实地勘测资料，以及现实工程经验，对建立的有限元模型中的地层分布作了简化，最终建立Plaxis几何模型如图2所示。

同时，为了比较真实、准确地反映基坑实际开挖步骤对基坑支护沉降的影响，在Plaxis软件中设置了八步分步开挖步。即开挖至第一排锚杆埋深——喷锚支护施作——开挖至第二排锚杆——喷锚支护施作，依次类推直至开挖至基坑设计深度。

2.4计算结果分析

在Plaxis Output模块中对计算进行处理。基坑整体的变形情况如图3所示，图中变形大小为实际变形的50倍。

图中点A所示位置即为基坑坑顶沉降监测点。Plaxis计算结果给出的点A处竖向位移沉降最大值为13.26mm，根据基坑现场监测资料，实际基坑沉降为14.50mm。数值模拟结果略微偏小，这可能是由于未考虑地下水渗流对基坑沉降造成的影响。可以看出，该模型的计算结果是可靠的。

2.5敏感度分析

接下来分别对素填土层、粉质粘土层、全风化花岗岩层参数进行敏感度分析。以素填土层为例进行说明。

素填土处于基坑模拟土层中的最上部，即图2中的蓝色部分，对其进行敏感度测试将会分别折减素填土土层的主要输入参数内聚力c值、内摩擦角φ值、弹性模量E值以及泊松比ν。敏感度数值的计算为先将某一参数折减10%，并用Plaxis软件模拟计算得到单一参数折减后的基坑支护沉降数值，之后可依靠公

式(2)进行计算得到地层参数敏感度。

将计算结果整理后如表3所示。

表3　地层参数对基坑沉降敏感度分析结果

3　敏感度测试结果分析

由表3得知，该基坑的地层参数中，全风化花岗岩层、粉质粘土层及素填土层的弹性模量对基坑沉降最为敏感。这与工程经验是相符的。而三个不同地层的弹性模量，敏感度也有区别。其余的参数中，各地层的内摩擦角变化也对基坑坑顶的沉降有较大影响。泊松比及内聚力变化对基坑沉降的影响则较为接近。

4　结语

对于基坑工程的反演分析而言，只有通过敏感度分析，才能合理确定待反演的参数。本文在具体工程实例的基础上，结合Plaxis软件，针对不同地层参数对基坑沉降的敏感度进行了测试，结果表明地层的弹性模量变化对基坑沉降最为敏感，其次为内摩擦角，内聚力与泊松比的敏感度最低。这与工程经验相符合。研究使用的敏感度分析方法简单快捷，有利于实际的工程应用。

[1]孙钧,戚玉亮.隧道围岩稳定性正算反演分析研究——以厦门海底隧道穿越风化深槽施工安全监控为例[J].岩土力学,2010(08)2353-2360.

[2]刘小丽,马悦,郭冠群,等.PLAXIS2D模拟计算基坑开挖工程的适用性分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版),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，高级工程师。

E-mail:13805974492@163.com

2016-02-01

TU435

A

1004-6135(2016)06-0041-03