黄剑，李伟，王秀秀
(1.中交四航局第五工程有限公司，福州 350000；
2.福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002)
随着大量的住宅、地铁、立交桥等工程的建设，出现了大量的基坑工程。为了保证基坑工程的安全，除了做好勘察设计工作外，基坑施工过程中，基坑监测的重要作用也不可忽略。这主要是基坑工程在施工过程中可能会遇见各种不可预见事件，会严重影响基坑安全，而基坑监测能够对基坑本身及周边环境进行有效监测，并依据监测数据的反馈，指导施工工作的顺利开展[1]。
目前，已有大量文献对基坑监测进行了阐述。例如，时绿艳等[2]结合淮安市一地下室基坑工程论述了监测技术在该工程中的应用；
文建鹏等[3]以珠海某混凝土内撑式支护结构深基坑为依托，介绍了滨海平原场地淤泥质土层条件下基坑监测的应用；
张建龙等[4]利用监测技术指导了广佛线地铁朝安站D出口基坑信息化施工；
唐维东[5]利用监测技术对一出入段线盾构隧道的拱顶沉降进行了实测，保证了施工的安全有序进行。但是针对地铁出入线段基坑工程的研究较少，本文依托福州某地铁车辆出入线段基坑工程，采用强度折减法计算基坑的整体稳定性，并数值模拟地表沉降和围护桩位移分布规律，为施工工作提供指导。
福州某地铁车辆段出入线段基坑工程为研究内容，车辆段长度约250 m，宽29.5～31.0 m，深度6.85～8.55 m，基坑安全等级为二级，采用直径800 mm 灌注桩支护，间距1.0 m，桩长约19.4 m，进入强风化岩1 m；
排桩后设置三轴搅拌桩止水帷幕，长度22 m。设置两道900 mm×1000 mm 混凝土支撑，间距9 m。由于基坑跨度较大，内支撑中部设置中立柱。图1为车辆段引出线某一典型基坑支护剖面图。该基坑影响范围内，场地地层从上到下分布有6 层，分别为杂填土、粉质黏土、淤泥、(含泥）中细砂、强风化熔结凝灰岩(砂土状）、中风化熔结凝灰岩。
采用有限元软件ABAQUS 进行该基坑的整体稳定性、地表沉降和桩体位移进行数值分析。图2是该基坑剖面二维平面应变模型及网格划分。由于该基坑是对称结构，故建立基坑一半的模型。基坑宽为15 m，深7.4 m，为了消除边界效应，模型宽度取值为60 m，高26 m；
整体模型采用CPE4 单元模拟；
土体本构采用Mohr-Coulomb 屈服准则，排桩、三轴搅拌桩和混凝土水平支撑本构采用弹性材料。边界条件设置：模型左侧限制水平位移，模型底部限制水平和竖向位移，模型右侧采用对称边界条件；
载荷未考虑外荷载，仅考虑重力荷载。由于基坑工程开挖时，表层杂填土被挖去，故本模型未考虑杂填土的影响。表1为模型计算参数取值。
表1 模型计算参数取值
3.1 基坑安全系数计算
基坑整体稳定性采用强度折减法进行计算。强度折减法是通过土体强度参数的降低来实现对失稳情况的模拟。其基本原理是[6，7]：将土体的强度参数黏聚力c 和内摩擦角φ 的正切值tanφ 折减一个系数后，作为一组新的土体参数代入，判断土体是否达到极限破坏状态，反复进行，当土体达到极限平衡时，其强度参数的折减倍数，就是基坑的稳定安全系数值。具体公式如式(1）和式(2）：
式中，cm和φm是强度参数c 和φ 折减FV倍之后的黏聚力和内摩擦角；
FV为折减系数。
在ABAQUS 中，首先需定义一个场变量，即折减系数FV，之后定义材料参数随场变量变化的模型参数，在计算时需选择输出FV。采用强度折减法判别基坑达到临界失稳的标准有3 个，分别为数值计算不收敛、特征部位的位移拐点和形成连续贯通的塑性区作为判别标准[8]。本文依据文献[7]的思路，选择数值计算不收敛作为判别依据。图3为计算不收敛时整体模型的折减系数分布云图。从图3中可知，基坑的安全系数达到2.136，大于国家标准规定的1.35 安全系数。说明本基坑的支护结构是安全的。
3.2 地表沉降模拟
图4为有限元模型竖向位移等值云，从图4中可以看出基坑地表土体有沉降，且距离坑壁越远沉降值越小，距坑壁最远端的沉降值基本为零，反映出边界效应对该模型基本不产生影响，坑底有向上隆起的位移，这主要是基坑开挖卸载，应力释放，引起力不平衡导致的。提取图4中所示路径地表沉降数值，绘制距离与地表沉降关系曲线，如图5所示，从图5可知，地表沉降呈勺子形，数值模拟结果最大值为19.54 mm，这主要是基坑开挖引起坑底向上隆起，导致排桩和三轴搅拌桩侧土体在摩擦力作用下，有向上隆起，而稍远基坑两侧土体则向下沉降。与文献[1]、文献[3]、文献[8]得到的规律一致。
3.3 围护桩位移
图6为计算不收敛时围护桩的水平位移U1和竖向位移U2云图。从图6中可知，围护桩水平位移和竖向位移最大值分别为48.11 mm 和74.1 mm，该数值是土体参数进行折减后，土体强度降低引起的计算得到的。
图7为桩体沿深度的水平位移曲线。从图7可知，土体参数未折减情况下，桩体水平位移最大值出现在桩顶，为11.29 mm，小于监测控制值±40 mm。折减后，土体强度降低，桩体发生较大的水平位移。土体中含水量越大土体整体强度越低[9]，因此，在施工过程中要严格对水的控制，除了对水位的监控外，也要及时排除地表水以防止水向土体内部的渗透，降低土体强度，影响基坑安全。
通过有限元强度折减法，计算了基坑的整体稳定性、地表沉降和围护桩位移，其中安全系数为2.136，表明该基坑设计是满足基坑安全施工要求的。又对实测结果地表沉降、围护桩桩顶水平和竖向位移的分析，同样表明本基坑工程处于安全状态。
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