中铁十四局集团有限公司 山东 266000
摘要：斜井明挖施工具有简单、快捷、经济、安全的优点，针对基坑旁边的堆载会增大对坑壁的主动土压力，从而导致施工风险加大。本文为了判断堆载对基坑的影响，分别采用结构力学方法和有限元方法进行理论计算。
关键词：斜井明挖 基坑堆载 安全性研究
The Security Research Of Foundation Pit Stack
YUAN Jing-Shun
（China railway shisiju group co.，LTD，Shandong 266000）
Abstract：The construction of the inclined cut has the advantages of simple，fast，economic and security，In view of the stack next to foundation pit will increase active earth pressure on the pit wall，Which leads to more risks in construction.In order to determine pile load on the influence of the foundation pit，Structural mechanics method and finite element method were used respectively in this paper to the theoretical calculation.
Key words：Inclined cut The foundation pit stack Safety studies
1 工程概况
在某工程1号斜井明挖段围护结构施工中，据场地条件，地质条件，基坑开挖深度等因素影响，斜井明挖段所采用采用钻孔灌注桩+内支撑+锚索的围护体系。围护桩采用∅800@1200规格，桩外侧设置双排∅800@
600高压旋喷桩，旋喷桩与灌注桩相切，旋喷桩入不透水层1.0m左右。明挖段的基坑平面布置图如下：
因斜井开挖需要排出渣土，考虑到渣土堆积位置需要严格控制，不造成环境污染，所以本斜井项目的渣土堆放地为明挖基坑段沿线路前进方向的左侧的一块边长为13
m和9.6m的空地上。基坑旁边的堆载会增大对坑壁的主动土压力，为了判断堆载对基坑的影响，分别采用结构力学方法和有限元方法进行理论计算。
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图1 明挖段的基坑平面布置图
2 结构力学方法
2.1 受力分析
本斜井位于绿化带内，根据钻孔孔口标高统计，现有地面标高5.10~5.70m，起伏不大。地层岩性根据场区钻孔揭示地层状况，基坑计算范围内主要地层为素填土，淤泥中粗砂。渣土为暗挖法开挖后的土，为中风化角砾凝灰岩。将锚索的拉力简化成一个集中力，堆载简化成一个线荷载，钢横撑的预加力简化成集中力。
根据地勘报告及相应规范要求，岩土设计参数如表1所示：
表1 岩土设计参数建议值
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墙背竖直，填土面水平，假设墙背光滑，符合朗肯条件，根据表1的各个参数，可计算得第一层填土的土压力强度为：
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第二层填土的土压力强度为：
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第二层底部水压力强度为：
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根据位移条件，列出力法的典型方程：
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根据计算的结果，画出受力简图及内力图如下：
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图2 受力简图（长度单位：mm）
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…
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图3 弯矩图（弯矩单位：kN·m） 图4 剪力图（单位：kN）
2.2 结果分析
根据弯矩图和剪力图可知弯矩最大点和剪力最大点都是固定端处，下面对这里进行强度和变形检算，以及对土岩分界面进行抗倾覆稳定性检算。
2.2.1强度检算
（1）弯曲正应力强度检算
弯曲正应力在弯矩最大截面进行检算。
截面的惯性矩为：
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C25混凝土的弯曲容许拉应力
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，所以符合要求。
（2）剪应力强度检算
剪应力在剪力最大的截面进行检算。
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C25混凝土的弯曲容许剪应力
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，所以符合要求。
（3）压弯应力强度检算
由于锚索与土层呈20°，所以沿竖向的分力对桩墙有压力，并且在该截面以下受有弯矩，所以将该截面一下的桩墙视为压弯构件。
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C25混凝土的弯曲受压容许应力
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，所以符合要求。
2.2.2变形检算
利用单位荷载法计算特定点的位移，通过在需求位移处施加虚拟力状态，与实际位移状态综合考虑，求出与虚拟力方向相同的对应位移。本例只考虑弯矩对实际位移状态的影响，忽略剪力与轴力。
由虚功方程，可得：
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2.3.3抗倾覆检算
该基坑采用钻孔灌注桩作为围护结构，由于桩墙与一般的重力式挡土墙相比，埋置深度较大，而桩体本身的刚性不大，所以实际工程中变形也较大，其变形规律介于刚性挡土墙和柔性支挡结构之间。因此，为了安全起见，可沿用重力式挡土墙的方法验算其抗倾覆、抗滑移稳定性，用圆弧滑动法验算整体稳定性。我们计算的截面是钻孔灌注桩的底面。
（1）主动土压力计算
可见主动土压力总侧压力为：
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主动土压力总侧压力E至土岩分界面的距离x为：
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（2）被动土压力计算
可见被动土压力总侧压力为：
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总侧压力Ep至墙地的距离x为：
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计算图示如图5：
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图5 计算图示
（3）抗倾覆稳定性检算
桩墙绕墙趾的抗倾覆稳定安全系数：
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式中：W—墙体自重（kN）；
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—墙底与土层的粘结力（kPa）；
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—墙底与土层的摩擦角（°）；
M— 外力对墙趾的合弯矩；
Kh—抗倾覆稳定安全系数，根据基坑的坑壁安全等级、结构形式和相应的土工参数进行确定，一般Kq >1.1~1.3。
本例Kq=2.5>1.3，所以本基坑具有抗倾覆稳定性。
2.3.4 抗滑移稳定性计算
桩墙沿墙底抗滑移安全系数由下式确定：
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根据《建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012》第6.1.1条规定，抗滑移稳定安全系数值不应小于1.2，本基坑的抗滑移稳定性是满足要求的。
3 有限元数值模拟解
3.1 数值模型尺寸
首先建立25m×46.7m初始地层，初始地应力平衡之后，施作双层旋喷桩直径0.8m，中心间隔0.6m；施作灌注桩直径0.8m，间隔1.2m。模拟一次开挖基坑7.5m深，施作钢管横撑，间隔6m，预加轴力400KN，施作预应力锚索，间隔2.4m，预加轴力200KN，锚索总长18.5m，锚固段长度为13.5m，倾角为20°。旋喷桩，灌注桩，
钢管横撑及锚索均按每延米长度来等效考虑做相应折减。在基坑一侧考虑13m长的堆载区，堆土高度为1.5m。模型尺寸如图6所示：
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图6 有限元模型尺寸
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图7 有限元模型
3.2 数值模型参数选取
数值模型所用地层及结构参数如结构力学方法中表1所示。
3.3 数值模拟结果
用有限元方法对基坑堆载进行模拟，图8为模拟结果。由图8a可知，基坑的开挖使得两侧的土体都有向基坑内侧移动的趋势，特别是基坑中下部，由于土压力的加大，趋势明显。堆土荷载的存在，使得堆土侧土体的水平位移大于未堆载一侧土体的位移，但由于双层搅拌桩、灌注桩的围护作用，预应力锚索对土体的预压力及钢管横撑的预压及支挡，基坑周围土体水平位移很小，堆土侧土体的最大水平位移接近1mm，未堆土侧土体水平位移约0.7mm。从竖直位移来看，堆载侧土体的竖向位移大于未堆载一侧，堆载侧最大竖直位移接近1.5mm，未堆载侧土体竖向位移仅为0.8mm左右。由图8c可以看出，在堆载区一侧的土体位移较不堆土一侧会更大，但量值上都比较小：未堆载侧土体最大位移约为1mm，堆载侧土体的最大位移在2mm以内，这说明长13m，高1.5m的堆土对土体的位移影响并不大，能在有效的控制范围之内。
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图8a 基坑土体水平位移云图
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图8b 基坑土体竖直位移云图
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图8c 基坑土体总位移云图
4 结语
使用结构力学方法建立基坑堆载简化模型，对基坑灌注桩的强度和变形以及抗倾覆稳定性分别进行验算，验算结果表明：土方堆载作用下基坑灌注桩的强度和变形以及抗倾覆稳定性均满足要求。
使用有限元方法建立基坑模型，分析了在基坑一侧土体堆载的对基坑稳定性的影响，通过对基坑周围土体位移、基坑灌注桩的安全系数计算，可以明确：在基坑一侧堆载对基坑的安全性影响不大。
综述，在基坑一侧堆载长13m，高1.5m的土体对基坑稳定性，在正常施工条件下，渣土堆载是安全的。
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