郑州地区基坑工程砂土力学指标确定方法探讨

何建锋，郭小帅，杜朋召

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003）

随着地下空间利用越来越多，基坑支护费用占总投资的比重逐渐增大。已有的监测数据显示，现有的基坑工程开挖期间，变形一般小于规范允许值，支撑轴力小于设计值，一些工点即使有较大的超挖，其变形也较小，这说明目前基坑支护设计采用的力学参数有较大的安全储备。

郑州位于河南省西部黄土丘陵与东部黄河冲积平原的交接地带，为华北平原的一部分，地势由西南向东北倾斜。黄河冲积平原区上部30 m范围内分布有较多砂层。而砂土易扰动，难以取到原状样品进行力学试验，其力学参数大多依据原位测试经验公式确定，不同地区的经验方法有一定差别，因而对土层特别是砂层的力学参数确定方法进行探讨是很有必要的，合适的力学参数能在确保安全的前提下产生较好的经济效益。

本文通过对郑州地区某基坑监测数据的分析，以监测到的支撑轴力为反演目标，结合开挖工况通过直接反分析和正交计算，得到郑州地区黄河冲积平原区典型砂层的力学指标，以指导郑州地区基坑支护设计工作［1］。

1 现状

砂土易扰动，目前郑州市勘察实践中对砂土一般只进行原位测试。DBJ 41/138—2014河南省建筑地基基础勘察设计规范［2］5.5.6条 “对砂土和碎石土，可采用标准贯入试验或水下休止角试验代替抗剪强度试验” 。水下休止角试验获得的是扰动后的土样指标，因而对于砂土，原位测试能较好的反映土的真实状态和性质。目前常用的原位测试手段主要是标准贯入试验和静力触探试验。

根据DBJ 41/138—2014河南省建筑地基基础勘察设计规范和JGJ 340—2015建筑地基检测技术规范［3］，砂土的密实度可分为松散、稍密、中密、密实，如表1所示。

表1 砂土密实度判别

根据TB 10018—2018铁路工程地质原位测试规程［4］，砂类土的内摩擦角可根据表2取值。

表2 砂类土的内摩擦角

依据《工程地质手册》（中国建筑工业出版社第五版）［5］，国内外砂土N与φ的关系式见表3，用N值推算砂土剪切角见表4。

表3 国外砂土N与φ的关系式

表4 国外用N值推算砂土的剪切角φ（°）

2 反分析

2.1 基本原则

1）反分析以支撑轴力为主，参考围护结构水平位移，选择支撑总轴力较大的断面进行反分析。

2）确定分析断面后，对该断面各层支撑的监测轴力进行统计分析，分别计算最大值、大值平均值和标准值。反分析时取最大值/分项系数、大值平均值和标准值三个数值中的最大值作为计算目标。分项系数取恒荷载的分项系数1.2。

3）土层的重度、厚度等边界条件依据勘察报告，围护结构桩长、桩径（墙厚）、桩间距、支撑水平间距、竖向间距、支撑刚度等边界条件以设计计算书和施工图为准，地下水位取监测水位。

2.2 工作流程

以基坑开挖期间支撑轴力为目标，在地层概化的基础上，构建基坑开挖支护模型，选用合理的支护监测数据，采用基于弹性地基梁理论的直接法，对各土层的力学指标进行逐层反演，反演所得结果作为已知量用于下层参数反演，逐层递归直到完成基坑开挖面以上全部土层的力学参数，以此获得该工程区接近真实的土层力学参数。

1）分析监测数据，选择支撑总轴力、围护结构水平位移较大的监测断面为分析对象，一般位于基坑中部。

2）根据设计图纸输入基本信息，如桩长、桩径、桩间距等信息。

3）根据勘察报告和支撑数优化地层，必要时简化合并相近土层，输入土层信息，如层厚、重度、黏聚力、内摩擦角、m值等，依据监测资料输入实际水位。

4）根据设计图纸和监测资料输入支锚信息和开挖工况，如水平间距、竖向间距、预加荷载、支撑刚度等。

5）进行初步计算，获得各工况下的变形和内力等信息，将初步计算各道支撑轴力、总轴力与监测的轴力进行对比，前期可采用较大幅度的调整获取各土层力学参数基准值。

6）根据实际的地层、水位和周边荷载情况，结合开挖工况，设定土层的主要设计参数变化范围，然后对c，φ进行正交设计和组合，再进行计算，认为与支撑内力最相符的力学参数组合为该土层的力学参数。

7）进入下一个工况，重复均匀正交设计计算等步骤，直到确定基坑开挖面以上所有土层的力学参数。

3 工程实例

3.1 工程概况

丰庆路站为郑州轨道交通4号线工程的第4个车站，位于郑州市三全路与园田路交叉口，沿三全路东西向布置。场地主要为城市道路，车站总长度120 m，车站形式为地下2层岛式站台车站，施工方法拟采用明挖法。

3.2 地质条件

拟建丰庆路站位于郑州市三全路与园田路交叉口，沿三全路东西向设置，场地主要为城市道路，地形较平坦，局部略有起伏，地面高程约90.5 m～92.0 m，地貌单元属黄河泛滥冲洪积平原。

地层主要为人工填土及第四系全新统（Q4）粉质黏土、粉土、粉细砂，第四系上更新统（Q3）粉质黏土、粉土等土层。

①1杂填土（Qml4）：城市道路上表层主要为柏油路面，厚约40 cm；下部主要为灰土垫层、人工堆填粉土，层厚0.8 m～4.5 m。

②31黏质粉土：褐黄色，稍湿，稍密。含锈斑，有砂感，干强度低，韧性低，摇振反应低。层厚0.9 m～3.2 m。实测标贯击数标准值5.9击。

②32黏质粉土（Q4al）：褐黄色，稍湿，稍密。含锈斑，有砂感，干强度低，韧性低，摇振反应低。层厚1.3 m～4.0 m。实测标贯击数标准值8.1击。

②33黏质粉土褐黄色，稍湿，稍密。含白色钙质条纹，锈色斑点，有砂感。层厚1.5 m～6.0 m。实测标贯击数标准值9.3击。

②34黏质粉土：灰褐色，湿，中密。干强度及韧性低，摇振反应中。层厚0.6 m～7.5 m。实测标贯击数标准值14.4击。

②41粉砂灰褐色、褐黄色，饱和，中密。主要矿物成分以长石、石英，含少量云母，级配均匀。层厚1.7 m～7.5 m。实测标贯击数平均值26.3击。

②51细砂褐黄色，饱和，密实。主要矿物成分以长石、石英，含少量云母，级配均匀。层厚5.5 m～10.4 m。实测标贯击数平均值41.7击。

勘察期间，稳定地下潜水水位埋深介于11.8 m～3.9 m。

3.3 围护结构

车站基坑长475.1 m，标准段基坑宽为19.97 m、标准段基坑深约为17.58 m，标准段基坑采用φ1 000＠1 300 mm钻孔钻灌桩+φ850＠600 mm三轴搅拌桩止水支护形式。设置三道φ609×16 mm钢支撑。

3.4 监测数据

支撑总轴力最大的断面各层轴力见图1。

图1 ZCL-9监测断面支撑轴力变化曲线图

3.5 开挖工况

1）2018年2月1日，基坑开挖3.82 m，在2.32 m架设第一道609×16钢支撑，水平间距6.0 m，预加力175 kN，支撑刚度630 MN/m。

2）2018年3月18日，基坑开挖至13.02 m，在8.02 m架设第二道609×16钢支撑，水平间距3.0 m，预加力550 kN，支撑刚度630 MN/m。

3）2018年3月21日，基坑开挖至16.52 m，在14.52 m架设第三道609×16支撑，水平间距3.0 m，预加力163 kN，支撑刚度630 MN/m，后开挖至基底。三道支撑总轴力最大约为2 285 kN。

4）根据实际开挖工况分层模拟ZCL-9监测断面支撑轴力。将土层物理力学性质接近的②31层黏质粉土、②32层黏质粉土和②33层黏质粉土合并。

监测数据显示，支撑轴力一般不随下层支撑的增加而有明显变化，这较符合全量弹性法的假定，本次反演分析采用全量弹性法。

3.6 正交分析

支护断面图见图2。

图2 支护断面图

工况3：开挖至13.02 m（架设第二道支撑前），拟合目标轴力为1 010.6 kN。具体计算结果见表5。

表5 工况3正交分析计算结果

工况5：开挖至16.52 m（架设第三道支撑前），拟合目标轴力分别为1 010.6 kN，743.3 kN。具体计算结果见表6。

表6 工况5正交分析计算结果

工况7：开挖至17.58 m（基底），三道支撑全部完成，拟合目标轴力分别为1 010.6 kN，743.3 kN，403.4 kN。具体计算结果见表7。

表7 工况7正交分析计算结果

砂层力学参数对照表见表8。

表8 砂层力学参数对照表

力学指标对比图见图3。

图3 力学指标对比图

4 结论与建议

1）采用直接反分析法，以监测的支撑轴力为目标，通过正交参数直接反分析计算，获得了郑州黄河冲积平原区中砂层的力学指标。

2）监测数据显示，支撑轴力一般不随下层支撑的增加而有明显变化，这较符合全量弹性法的假定，基坑设计计算时可以采用全量弹性法。

3）将反分析结果与不同理论的原位测试结果进行了对比，对比结果说明对于中密～密实状粉细砂，反分析结果略高于原位测试判别结果。实践中可利用原位测试，结合砂土的状态确定砂土的力学指标。

4）利用真实的监测数据，采用反分析方法可以获取土层真实的力学指标，希望有更多的工程实例进行验证，总结出郑州地区典型砂层的力学指标合理取值范围。