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0前言

地鐵車站基坑的放坡開挖極易對周邊土體產生擾動，導致位于基坑影響范圍內的地表及周邊建（構）筑物產生附加沉降。若附加沉降值過大，將直接影響到建（構）筑物結構及基坑自身的安全。因此，施工前對因車站基坑放坡開挖造成周邊建（構）筑物的附加沉降影響進行分析，對于保證基坑設計的安全性、經濟性和合理性具有十分重要的意義。目前，在實際工程中對于邊坡穩定性的評價通常采用《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）中提供的圓弧滑動簡單條分法。該方法有兩點假設與實際不符。（1）沒有考慮土條兩側的作用力。該假設雖解決了二次靜不定問題，但是造成了穩定安全系數偏小。（2）沒有準確考慮滲流的影響。工程上一般采用簡化方法忽略或粗略地計算地下水滲流的作用，但在實際工程中，基坑周圍的滲流場分布十分復雜，當邊坡中的水頭差較大或采用降水措施時，滲流力的不利作用隨之增大，簡化方法計算結果則脫離實際較遠，有時甚至得出錯誤的計算結果。本文采用荷蘭代爾夫特技術大學研制的巖土軟件PLAXIS模擬滲流條件下放坡開挖過程中的真實形態，采用強度折減法對基坑的安全性進行評估，并且通過模擬的結果提出合理的工程措施方案，以減少放坡開挖對周圍環境的影響。

1工程概況

某地鐵車場北側為湖泊，西側緊靠一條排水明渠，排水明渠底絕對標高為17.7m，排水明渠西側約20.4m為某鐵路正線。場地地貌形態屬于長江沖洪積一級階地到三級階地的過渡地段。勘察鉆探揭露深度范圍內，場地地層自上而下劃分為雜填土層（Qml），地層編號（1-1a）、（1-1b）；第四系全新統沖積層（Q4al），地層編號（3-1）、（3-1a）~（3-1e）；第四系上更新統沖積層（Q3al），地層編號（7-1）~（7-3）、（8-1a）、（8-1）；第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl），地層編號（9-1）、（9-2）；志留系墳頭組泥巖（S2f），地層編號（20a-1）、（20a-2）。地下水主要分為上層滯水和孔隙承壓水。上層滯水主要賦存于（1）層雜填土中，勘察期間測得場地上層滯水靜止水位在地面下1.30~3.70m間，相當于絕對標高18.79~21.87m。孔隙承壓水賦存于車場北部的（8-1）層粉細砂混少量礫卵石之中，水量豐富，具承壓性，與區域地下水有著緊密的聯系。在抽水孔1#中測得（8-1）層中賦存的承壓水埋深5.7m，相當于標高15.65m。車站基坑擬采用1：1.5放坡開挖。基坑剖面圖如圖1。

2材料參數的設置

土體采用摩爾庫倫模型進行模擬，該模型用一階方法近似描述土體彈塑性行為，土體破壞前為線彈性，參數少而意義明確，適合工程應用。摩爾庫倫模型需要輸入的主要參數分別為：彈性模量E、泊松比、內摩擦角、內聚力c、剪帳角；考慮滲流時，還需要輸入滲透系數和確定相應的水利邊界條件。需要說明的是，由于許多巖土材料在加載剛開始就表現出一種非線性行為，所以要特別注意在計算中采用的剛度參數值。如果考慮土體加載問題時，采用50%強度處的割線模量E50是合適的；如果考慮開挖問題中的卸載問題時，采用卸載模量Eur是合適的（表1）

3強度折減法

為了解決用圓弧滑動簡單條分法計算邊坡安全性系數的局限性，本文采用強度折減法進行安全分析。該方法在1975年由Zienkiewice[1]提出，隨著微機的發展和有限元計算技術的提高，強度折減有限元法正成為邊坡穩定分析研究的新趨勢。國內的宋二祥[2]、連鎮營[3]等對其都做了許多相應的研究工作，數值結果都表明強度折減法的合理性。強度折減法對安全系數定義如下：安全系數該方法中，內聚力和內摩擦角的正切值將成正比減小，折減系數由Msf來控制。開始時Msf=1，然后Msf按照設置的數值遞增至計算模型發生破壞，此時的Msf值即為安全系數。

4有限元模擬

該工程基坑北側緊鄰湖泊，西側靠近某鐵路正線。由于地下水位較高，鐵路正線的要求嚴格，故基坑開挖時不能大面積降水，且要保證基坑開挖對鐵路路基變形的影響達到鐵路正常運輸的要求。本文用有限元軟件模擬該工程的目的有兩個：（1）對比實際基坑考慮滲流和不考慮滲流時的穩定性，并提出滲流對該基坑的敏感度；（2）對該工程提出合理的工程措施方案，以減少放坡開挖對鐵路路基變形的影響。PLAXIS是一個專門用于巖土工程變形和穩定性分析的有限元計算程序。通過簡單的輸入過程可以生成復雜的有限元模型，而強大的輸出功能可以提供詳盡的計算結果。為了簡化計算及盡快收斂，本文對模型做了如下處理：采用軸對稱模型；采用15節點三角形單元；對基坑下層土進行網格加密措施。有限元模型見圖2。

4.1滲流對邊坡穩定性的影響分析

水的滲透將對土骨架產生拖拽力即動水壓力，導致土體中的應力和變形發生變化。對于滲流系數較大的土坡，會因此而產生流砂現象，對于滲透系數較小的土坡，它對邊坡的穩定也是不利的。本工程中雜填土和素填土的透水性強，且水量豐富，對基坑開挖產生較大影響。從圖3和圖4中可以看出，不考慮滲流時鐵路路基頂部的最大位移約為14mm，而考慮滲流時鐵路路基頂部的最大位移約為28mm。利用強度折減法對基坑安全性評估（圖6）可以得到，不考慮滲流時基坑安全系數為1.19，考慮滲流時基坑安全系數為1.02。可見本工程中滲流作用對基坑開挖時鐵路路基位移的影響及基坑的安全性是不容忽略的。

4.2基坑開挖對鐵路路基的保護措施

為了減少放坡開挖對鐵路路基變形的影響，根據以往施工經驗并結合實際情況，提出以下兩種措施方案：方案A先對排水明渠底部（施工前將其改移）及坡腳進行旋噴樁加固直徑650@500，然后進行放坡開挖，見圖7；方案B采用懸臂樁支護直徑1000@12000+旋噴樁止水，并對坡腳進行旋噴樁加固直徑650@500，見圖8。圖5可以看出，滑裂面在（3-2d）粉質粘土夾粉土層與（3-2e）粉質粘土夾粉土層的分界線上，由此推斷無論是方案A的攪拌樁還是方案B的懸臂樁都應該穿透（3-2d）粉質粘土夾粉土層，使滑裂面向土層深處發展，從而提高安全系數。由計算結果可以知：采用方案A時，鐵路路基的最大位移約24mm，安全系數1.12；采用方案B時，鐵路路基的最大位移約為13mm，安全系數1.17。顯然方案B效果更好。這是由于樁的抗彎剛度更大，變形更小，限制了土體的位移，很好的起到了隔斷作用。而安全系數變化不明顯是因為兩個方案的工程措施都使得滑裂面向土層深處發展，很好的提高了基坑自身的安全性。從圖11和圖12可以看出，基坑安全性的極限情況僅僅是基坑局部有滑坡，而基坑整體是安全的。因此施工時局部土體也需進行加固。

5結論

本文結合實際工程，利用PLAXIS程序模擬基坑放坡開挖過程，分析滲流條件下的基坑整體穩定性，并通過模擬的結果提出合理的工程措施方案來減少放坡開挖對周圍環境的影響。得到結論如下：

（1）本工程中滲流對基坑開挖時鐵路路基位移的影響及基坑的安全性是不容忽略的。同時采用有限元強度折減法并考慮流固耦合計算得到基坑整體穩定安全系數，其計算假定比較符合工程實際，計算結果合理可信。

（2）雖然對提高基坑自身的穩定性來說，旋噴樁加固+放坡開挖和懸臂樁+坡腳加固的效果相差不大，但是采用剛度更大的懸臂樁+坡腳加固的措施對限制鐵路路基變形的效果更明顯。