唐小軍，袁仕貴

（云南省鐵路集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650118）

在公路、鐵路、建筑行業(yè)中，基坑開(kāi)挖與支護(hù)是不可缺少的分部分項(xiàng)工程，而基坑事故屢有發(fā)生，引起了廣大學(xué)者與工程技術(shù)人員的關(guān)注。鄭剛等運(yùn)用有限元方法研究了傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作性能和基坑的穩(wěn)定性。陳云鋼等運(yùn)用有限元軟件Abaqus 建立臨近鐵路側(cè)樁錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，模擬分析鐵路兩側(cè)沉降、樁頂水平位移、樁頂沉降，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。孫超等運(yùn)用Midas GTS 軟件模擬計(jì)算得出的樁頂水平位移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。鄭剛等采用有限差分法，研究了局部超挖對(duì)雙排樁內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性的影響。辛鵬飛等采用FLAC3D 建立基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響的數(shù)值模型，對(duì)基坑開(kāi)挖引起的坑底變形與位移進(jìn)行分析計(jì)算。以上取得了豐富的研究成果，并運(yùn)用于工程實(shí)踐中。本文以某鐵路橋臺(tái)基坑為例，分析基坑開(kāi)挖支護(hù)方案并運(yùn)用Flac 3D 進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析與計(jì)算，以期為工程實(shí)踐提供依據(jù)與參考。

1 工程概況及基坑支護(hù)方案

某新建鐵路雙線大橋橋臺(tái)位于某隧道進(jìn)口的斜坡上，承臺(tái)邊緣距離正在施工的隧道口11m，橋臺(tái)基坑后緣開(kāi)挖深度7.5m。根據(jù)地勘報(bào)告地下水位線在承臺(tái)以下，基坑開(kāi)挖不受地下水影響，地層分別為回填土、全風(fēng)化帶頁(yè)巖，砂巖和強(qiáng)風(fēng)化帶頁(yè)巖、砂巖，無(wú)不良地質(zhì)及特殊巖土。橋臺(tái)處地層巖土物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖土體及支護(hù)樁物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地情況，為確保該橋臺(tái)基坑開(kāi)挖時(shí)不影響其上方施工便道正常通行及隧道洞口的穩(wěn)定，確定該橋臺(tái)基坑開(kāi)挖支護(hù)方案為：基坑開(kāi)挖深度7.5m，基坑采用直徑為1.0m 鉆孔灌注排樁進(jìn)行支護(hù)，防護(hù)樁灌注前下放鋼筋籠，采用C30 混凝土。排樁間凈距1.5m,樁長(zhǎng)12m，如圖1。

圖1 基坑開(kāi)挖支護(hù)示意圖

2 樁基支護(hù)穩(wěn)定性驗(yàn)算

該基坑開(kāi)挖支護(hù)采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法計(jì)算，計(jì)算作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平荷載時(shí)，考慮下列因素：①基坑內(nèi)外土的自重（包括地下水）；②基坑周邊既有和在建的建（構(gòu)）筑物荷載；③基坑周邊施工材料和設(shè)備荷載；④基坑周邊道路車輛荷載；⑤凍脹、溫度變化及其他因素產(chǎn)生的作用。因本工程基坑地下水埋深較深，基坑開(kāi)挖地下水不出露，故只需考慮地下水位以上土層情況。

排樁懸臂式支擋結(jié)構(gòu)的嵌固深度（l）應(yīng)符合式（1），嵌固穩(wěn)定性受力如圖2所示。

圖2 懸臂式結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性驗(yàn)算

式中：K—嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，K分別不應(yīng)小于1.25、1.2、1.15；

E，E分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN)；

a、a分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離（m)。

經(jīng)計(jì)算，

計(jì)算結(jié)果大于安全等級(jí)為1 級(jí)的懸臂式支擋結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)1.25，符合要求。

3 橋臺(tái)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算

3.1 模型構(gòu)建

模型取長(zhǎng)、寬、高分別為80.0m、63.0m、76.0m，根據(jù)地勘資料，模型地層結(jié)構(gòu)劃分從地表至基巖分別為：隧道山體為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、基坑地面以下4 米為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、4 米以下為中風(fēng)化砂巖層，構(gòu)建的三維斜坡開(kāi)挖支護(hù)后的模型如圖3所示。采用位移邊界約束條件，對(duì)模型的四個(gè)側(cè)向邊界固定其法向約束，基坑臨空面為自由邊界；底面邊界固定了 X、Y、Z 三個(gè)方向的約束，不允許產(chǎn)生位移，模型只考慮模型體自重應(yīng)力場(chǎng)作用，分析原位斜坡在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下的位移和應(yīng)力響應(yīng)行為。

圖3 基坑開(kāi)挖支護(hù)模型

3.2 基坑開(kāi)挖應(yīng)力與位移

3．2．1 應(yīng)力分析

基坑開(kāi)挖后最大剪切應(yīng)力如圖4所示，支護(hù)樁基后側(cè)土體應(yīng)力明顯高于周圍土體的應(yīng)力值，這是由于基坑土體開(kāi)挖后支護(hù)樁后側(cè)土體在自重作用下向基坑臨空面產(chǎn)生滑動(dòng)趨勢(shì)，下滑力明顯增加，且由于支護(hù)樁對(duì)土體的支護(hù)使得土體不能往下滑動(dòng)，因而后側(cè)土體出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中區(qū)域，其中剪應(yīng)力最為明顯。

圖4 基坑開(kāi)挖后最大剪應(yīng)力分布圖

3．2．2 位移分析

基坑開(kāi)挖后基坑周圍土體的位移區(qū)域分布如圖5所示，最大位移區(qū)域主要分布在基坑后側(cè)（臨近山體側(cè)），且最大位移值約為7.8mm；左右兩側(cè)坑壁的最大位移值約為3 mm；基坑底部出現(xiàn)的隆起高度約為2mm，因此整個(gè)基坑壁最大位移區(qū)域?yàn)榛雍髠?cè)壁上部土體，但總體來(lái)說(shuō)位移值較小。

圖5 開(kāi)挖后最大位移圖

3.3 支護(hù)樁基受力及變形

3．3．1 應(yīng)力分析

橋臺(tái)基坑支護(hù)樁基的剪切應(yīng)力分布情況如圖6所示，樁基承受的最大剪切應(yīng)力值約為8.03 ⅹ105pa，出現(xiàn)在基坑后壁左起第一根樁基底部及右起第一根樁基中部位置；剪切應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在樁基底部及基坑開(kāi)挖最大深度7.5m 位置附近；而左右側(cè)壁支護(hù)樁中最大剪切應(yīng)力主要集中在最大開(kāi)挖深度區(qū)域且應(yīng)力值遠(yuǎn)小于后壁支護(hù)樁基。

圖6 支護(hù)樁基最大剪切應(yīng)力圖

3．3．2 位移分析

基坑邊坡支護(hù)樁基最大位移情況如圖7所示，樁基的最大位移出現(xiàn)在基坑后側(cè)坑壁支護(hù)樁中左起第二至第四根，最大位移值區(qū)域?yàn)闃痘敳浚渲禐?.76mm；而基坑左右兩側(cè)側(cè)壁邊坡中的位移值較小，且隨著距離后側(cè)坑壁越遠(yuǎn)樁基頂部的位移值越小。表明基坑邊坡土體中后壁邊坡土體位移量最大，兩側(cè)邊坡位移值小。

圖7 支護(hù)樁基最大位移圖

3.4 基坑邊坡穩(wěn)定性分析

橋臺(tái)基坑開(kāi)挖后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行模擬分析，最終計(jì)算獲得的基坑邊坡安全系數(shù)為1.574。根據(jù)文中對(duì)邊坡工程安全等級(jí)的劃分以及對(duì)邊坡安全系數(shù)的定義，可以認(rèn)為本基坑開(kāi)挖后基坑邊坡的安全系數(shù)符合規(guī)范要求。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，隨著折減系數(shù)的不斷增大，邊坡各個(gè)部位必然會(huì)逐步發(fā)生不同程度的塑性變形，因此，如果發(fā)生塑性變形的區(qū)域相互貫通，那么代表整個(gè)邊坡已經(jīng)發(fā)生整體失穩(wěn)。從圖8可以看出基坑邊坡土體塑性變形土體并沒(méi)有形成貫通的大片區(qū)域，因此基坑邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）采用排樁支護(hù)方案的嵌固穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果大于安全等級(jí)為1級(jí)的懸臂式支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)1.25，說(shuō)明該支護(hù)方案是可行的。

（2）橋臺(tái)基坑在鉆孔灌注樁支護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖基坑邊坡土體沒(méi)有出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)，最大位移值較小，剪切應(yīng)力集中區(qū)域不大，因此基坑開(kāi)挖后其邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）支護(hù)樁基最大剪切應(yīng)力值、剪切應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)面積、軸向應(yīng)力值均較小，樁基的最大位移值也符合相關(guān)規(guī)范要求值，表明樁基在基坑開(kāi)挖完成后對(duì)邊坡的支護(hù)作用滿足要求。

（4）采用有強(qiáng)度折減法對(duì)整個(gè)基坑邊坡進(jìn)行安全系數(shù)求解，安全系數(shù)為1.574，滿足要求。