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软土基坑中水平抗力系数的比例系数反演分析 许福周532023 No.41 引言软土地区的基坑支护桩体在水平荷载作用下会发生较为复杂的桩-土相互作用。目前，常用的基坑支护结构设计方法，有等值梁法、弹性地基梁法和有限元法1-2。因此，在工程设计施工过程中，水平抗力系数的比例系数 m 值是否准确，对设计结果具有直接的影响，且关系到支护结构的变形和受力分析。土层水平抗力系数的比例系数 m 值的影响因素较多，无法在室内试验取得。目前，确定主要通过以下几种途径：通过单桩水平载荷试验获得。通过查阅相关的规程或者指南所给出的 m 值的取值范围获得。依据建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）3提供了如下的经验计算方法获得。由于采用水平静载试验来获得 m 值时，所需要的成本较高，且需要较长的时间来进行现场试验；而相关的规范所给出的 m 值取值范围较大4。同时，结合大量的工程案列，得出即使是同一种土层，其所得出的 m 值也有所区别，上部荷载、桩的形态等都会对 m 值有影响5。所以，通过反演分析获得基坑土层m 值，利用施工或竣工后现场监测数据（如位移，内力等）来反推基坑土层 m 值是获得更接近于真实值的一条有效途径，为下一工况的施工或施工环境相似的工程提供了重要的参考价值。近年来许多学者开始利用反演分析法来获取基坑土层 m 值，宋建学等6基于基坑工程支撑内力和支护桩位移实测值，采用静力平衡方法来反演土体 m值；曹净等7基于水平位移的实际监测数据，得到一个涵盖土体重度、开挖深度和抗剪强度等因素等效 m值计算公式，该公式既能够缩小了 m 的趋势区间，还能根据基坑开挖深度对 m 值进行动态修正；许成康8基于北京某地铁基坑建立了 Midas/GTS 模型，并利用 BP 神经网络算法建立相关反演模型，对基坑土层水平抗力系数的比例系数 m 值进行了反演优化研究，发现了各工况施工和 m 值变化关系；胡睿9基于平面杆系结构的弹性支点法和样条函数，分别通过正分析和反分析计算，得到了等效 m 值的计算公式。徐中华等10基于上海某基坑工程地下围护墙的实测变形数据，并利用有限元软件 ABAQUS 以及反分析软件 UCODE 对该基坑地基土层的 m 值进行反分析；陆勇等11结合现场施工时各类工况下的实际监测的位移数据，分别采用单纯形法和光顺样条法对 m 值以及地下连续墙弯矩进行分析，得出设计值和预测值软土基坑中水平抗力系数的比例系数反演分析许福周（广东省铁路规划设计研究院有限公司 广州 510030）【摘 要】以原位试验和室内试验结果为基础，结合现场监测数据，并通过 PLAXIS 3D 有限元建模软件对基坑支护结构进行建模分析，对 SMW 工法桩基坑支护结构的变形特性及水平抗力系数的比例系数 m 值进行反演分析，最终得到符合该地区实际情况的土层水平抗力系数的比例系数 m 值。【关键词】软土 基坑 水平抗力系数 m 值 有限元 反演分析Back analysis of proportional coeffi cient of horizontal resistance coeffi cient in soft soil foundation pitXU Fuzhou（Guangdong Provincial Railway Planning and Design Institute Co.,Ltd,Guangzhou 510030)Abstract:Based on the results of in-situ test and laboratory test results,combined with field monitoring data,modeling and analysis of foundation pit supporting structure by PLAXIS 3D finite element modeling software,the deformation characteristics and the proportional coefficient m value of horizontal resistance coefficient of pile foundation pit support structure by SMW method are back analyzed,finally,the proportional coefficient m value of soil layer level resistance coefficient conforming to the actual situation in this area is obtained.Key word:Soft soil;foundation pit;horizontal resistance coefficient;m value;finite element;back analysis 铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）54之间的关系。综上所述，上述研究主要采用根据不同工程的现场监测数据进行并结合不同的分析方法对土层水平反力系数的比例系数 m 值进行反演分析，得到了更加符合当地工程实际的 m 值，但是由于地基的 m 值具有较强的地域局限性，因此，需要结合该基坑工程的现场监测数据对南沙地区地基 m 值进行反演分析，得到更适合该地区地基 m 值，为后续的基坑设计提供相应的理论指导。2 软土工程特性以广州市南沙区某软土基坑为例进行研究，场地位于珠江三角洲中部，原始地貌单元主要为珠江三角洲冲积、海积平原，地势平坦、开阔。沉积有较厚的第四系海陆交互相沉积层（Q4mc）淤泥、淤泥质土，层位分布不均，软土呈流塑软塑状，具有高含水量，低强度、高压缩性、高流变性、低渗透性等特点，并含有较多贝壳碎片、腐殖质等，工程性质较差，当进行基坑施工时，会发生失稳等危害，同时也会引起地面沉降等。根据场区钻孔揭露，场区地层分布有：填土层厚约 0.5 2.5m，淤泥层厚约 1.0 18.5m，淤泥质土厚约 1.5 16.5m，软可塑粉质黏土 0.5 8.5m，砂层厚约 2.0 12.0m，强风化泥质粉砂岩厚约0.5 3.2m，中风化泥质粉砂岩未揭穿。场地分布的软土主要物理力学参数指标见表 1。表 1 主要物理力学指标表土层项 目含水率湿密度孔隙比 液性指数 压缩模量固结快剪直接快剪有机质oeILEs1-2黏聚力 内摩擦角黏聚力内摩擦角O.M.%g/cm3/MPaC/kPa/C/kPa/%淤泥平均值60.61.641.6021.642.27.17.85.85.22.31淤泥质土平均值54.81.671.4841.122.713.79.711.38.51.513 基坑 SMW 支护结构受力与变形现场监测分析该基坑采用垂直支护方式，支护桩选型采用SMW 工法桩，并在基坑周围布置一系列的监测点。3.1 监测意义在基坑施工过程中，通过对支护结构、施工工况、基坑周围土体以及周围环境条件等进行全面动态监测。首先，通过监测分析，从而掌握支护结构的稳定性、周围土体的变形特征以及施工时周围环境条件的变化等信息，保证基坑开挖过程中的整体稳定性。其次，及时将监测结果反馈，可以为优化设计，信息化施工管理提供依据。同时，大量的监测数据能够为基坑施工设计的发展提供理论依据，完善设计水平，验证设计的准确性。3.2 监测方案本基坑在全程动态监测的过程中以仪器监测为主，现场目测为辅，对桩支护结构的坡顶水平位移、坡顶竖向位移、深层水平位移、地表沉降、锚索轴力、支撑内力、地下水位、裂缝变形和周围管线变形等进行了监测，监测点位分布如图 1 所示。图 1 基坑测点分布图3.3 深层水平位移本次通过选取基坑某一剖面中的相关测点（X35），对施工过程中基坑的深层水平位移等进行监测结果分析，所得到的深层水平位移随时间的变化曲线如图 2 所示。软土基坑中水平抗力系数的比例系数反演分析 许福周552023 No.4图 2 深层水平位移随时间变化曲线综合分析，随着基坑内土方的开挖、预应力锚索和被动区加固的施工，支护结构深层水平位移逐渐增大。支护结构的深层水平位移主要发生在地下 10m范围以上，当埋深大于 10m 时，深层水平位移的变化趋势相对较小。4 基坑有限元模型分析4.1 SMW 工法桩+放坡支护结构稳定性模拟为了较为详细的了解 SMW 工法桩+放坡支护的基坑支护结构的应力应变特性，特选择基坑中的剖面进行建模分析。4.1.1 本构模型参数选择选取建模的土体的平面尺寸为 70m70m，土体厚度为 31.75m。土体采用了考虑小应变刚度的硬化土本构模型 HSS。根据工程地质勘探情况，由于地下土层起伏不大，为模拟方便模拟过程中只根据一个钻孔的土层参数进行数据输入，土层模型示意图如图 3所示。图 3 模型土层示意图4.1.2 数值计算结果分析对模拟计算结果进行分析，并将监测结果与数值计算结果进行对比分析以研究三维空间效应对桩锚支护深基坑变形的影响。图 4 与图 5 分别是 SMW 工法桩施工时三维总位移云图以及基坑底部开挖时的三维总位移云图。可以初步看出基坑在开挖的过程中变形不断增大，但整体的位移值均在规范允许范围内。图 4 SMW 工法施工时 图 5 基坑底部开挖时 总位移 总位移4.2 模拟结果与实测结果对比分析靠近基坑支护结构中部（测点 X35）的 SMW 工法桩体水平位移的实测结果和模拟结果对比图如图 6所示。图 6 深层水平位移对比图从图 5 可看出，随着开挖深度增加桩身水平位移加大，从整体来看，数值模拟所得到 SMW 工法桩体的深层水平位移与现场监测结果变化趋势和数值范围相近，且偏差在较小，说明在深层水平位移模拟方面模型时准确的。且桩身水平位移最大值分别出现在桩顶处和桩身靠上 1/4 处，变形最大位移量模拟值与实测值相比略大。5 水平抗力系数的比例系数 m 值反演分析为了得到更为符合南沙软土特性的水平抗力系数的比例系数 m 值，本次结合室内检测试验所得到的土体黏聚力 c 和内摩擦角 值，收集现场实测的铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）56SMW 桩体支护结构变形值，根据正交试验和有限元分析的方法对土体的水平抗力系数的比例系数 m 值进行反演分析。5.1 反演试验设计通过将不同的土的黏聚力 c 和内摩擦角 值带入有限元计算模拟计算，进而来探究不同抗剪强度参数下的 m 值，并将模拟结果与现场监测结果进行对比分析，得到符合工程实际情况的水平抗力系数的比例系数 m 值。统计不同测点 SMW 工法桩体在基坑底部的实际表 2 南沙软土抗剪强度指标检测数据统计表统计项淤泥淤泥质土样本数样本区间平均值标准差变异系数样本数样本区间平均值标准差变异系数粘聚力 cq/kPa1970.426.36.914.870.66671.1 4213.346.850.51内摩擦角 q/1970.132.54.805.460.87670.625.47.396.420.87位移，见表 3。取其平均值作为支护桩体在基坑底部的位移量来进行反演计算分析。表 3 不同测点处 SMW 工法桩体在基坑底部的水平位移测点号X25X28X31X33X34X35平均值竖向位移 4.5433.469.575.759.255.93通过将土的黏聚力 c 和内摩擦角 值 2 个影响因子，分为 3 种水平，为下浮 20%、平均值、上浮20%进行研究。结合上述试验影响因素及试验水平，淤泥层和淤泥质土层分别要进行 9 次试验。5.2 反演分析选用 SMW 工法桩深层水平位移与不同 m 值对应的模拟数值进行对比分析，将通过数值模拟计算出的围护结构变形最大位移值与监测最大位移值进行对比，数值模拟位移与监测结果位移最相近时，此时通过参数计算出来的水平抗力系数的比例系数 m 值最接近实际的值。基于 Plaxis3D 有限元软件建立的有限元计算模型，从深层水平位移等模型模拟数据与现场监测数据进行对比分析，验证所建立模型的准确性和可靠性。通过分别将 9 种不同的试验方案参数带入公式进行计算，可得到相应的土体 m 值如表 4 所示。最终得到基坑支护结构中部测点（测点 X35）处SMW 工法桩体在淤泥层和淤泥质土层中深层水平位移的变化规律对比图。根据图 7 和图 8 中 9 种不同方案对 SMW 工法桩体深层水平位移的模拟结果与现场监测结果进行对比分析得出：通过有限元模型模拟的 SMW 工法桩桩体深层水平位移随着 m 值的增大而逐渐减小，这一趋势在淤泥层中变化较为明显，而在淤泥质土层当中，水平位移受 m 值的变化影响相对较小。对比淤泥层中不同方案水平位移的模拟值与现场监测值，发现方案 2 方案 5 的模拟结果与现场实测结果较为相近，其对应的 m 值范围为 0.95 1.20。而分析淤泥质土层中不同方案的水平位移的模拟值与现场监测数值可知，除了方案 1 外，其余方案的模拟值均与现场监测结果较为相近，所以淤泥质土的 m 值的取值范围为2.54 4.09。图 7 淤泥层深层水平 图 8 淤泥质土层深层水平 位移对比图 位移对比图表 4 土层试验情况及 m 值结果汇总表试验方案黏聚力c/kPa内摩擦角/坑底桩体位移 vb/mmm 值淤泥淤泥质土110.675.915.930.832.10210.677.395.930.952.54310.678.875.931.153.13413.345.915.931.082.58513.347.395.931.203.02613.348.875.931.393.61716.015.915.931.323.05816.017.395.931.453.49916.018.875.931.644.09软土基坑中水平抗力系数的比例系数反演分析 许福周572023 No.4通过查阅相关文献及规范，总结出不同规范及地区 m 值，见表 5。表 5 不同规范及地区 m 值汇总表规范及地区地基土类别m（MN/m4）建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）淤泥、淤泥质土、饱和湿陷性黄土2.5 6.0上海 基坑工程设计规程（DG/TJ08-61-2010）流塑的黏性土1 2杭州地区流塑的黏性土0.5 1.5珠三角地区淤泥、淤泥质土1.0 4.5南沙地区（本文）流塑状淤泥0.95 1.20南沙地区（本文）淤泥质土2.54 4.09通过对表 5 中的数据进行对比分析可得，行业规范中对于 m 值的规定要大于本文反演分析所得到的南沙地区的 m 值，而上海及杭州等长三角地区的 m值则与本报告所得到的南沙地区的 m 值较为相近，说明本文所得到的 m 值具有较高的可靠性。6 结语本文结合现场 SMW 工法桩的监测数据与利用有限元分析软件 PLAXIS 3D 模拟结果的对比分析，验证了所建模型的合理性与计算分析的可靠性。并对南沙地区软土的水平抗力系数的比例系数 m 值进行反演分析，得到了以下结论：（1）通过对基坑 SMW 工法桩支护结构变形现场监测分析，得到了南沙软土基坑开挖过程中支护结构变形的变化规律。结果表明：深层水平位移的时空效应明显。SMW 工法桩桩体的深层水平位移在 10m深度范围内随土层开挖变化较为明显，而在 10m 范围以下的水平变形则相对较小。因此在实际工程中，应该加强对浅层桩体水平位移的监测及加固，保证支护结构的稳定性。（2）基于所建立了 PLAXIS 3D 基坑开挖变形的三维模型，对基坑开挖过程中桩体变形进行数值计算分析，并将深层水平位移的模拟结果与和监测结果进行对比，结果表明：三维基坑开挖模型是正确的，计算结果能够体现基坑开挖的变形规律，并且验证了时空效应规律的合理性。（3）进行反演分析，得到南沙地区淤泥土的 m值取值范围为 0.95 1.20，淤泥质土的 m 值取值范围为 2.54 4.09，该值与长三角以及珠三角沿海地区软土的m值较为相近，且要小于行业规范的推荐值，对于南沙地区软土设计和施工具有一定的指导作用。参考文献1 姚文娟,吴怀睿,程泽坤,杨武.基于 p-y 曲线法的超长桩非线性数值分析 J.岩土工程学报,2011,33(11):1683-1690.2 S.Narasimha Rao,V.G.S.T.Ramakrishna,M.Babu Rao.Influence of Rigidity on Laterally 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