深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩定性的影響研究

賈曉龍

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855）

0 引言

隨著城市化進程的加快，深基坑工程作為一種重要的地下工程，被廣泛應用于城市建設中。然而，深基坑施工對周圍地基穩定性的影響不可避免，尤其是在鐵路橋梁周圍施工深基坑，其影響更為顯著。因此，研究深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩定性的影響具有重要的現實意義。本文選取S市某鐵路橋梁周圍深基坑工程為研究對象，探討深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩定性的影響。

1 工程概況

某鐵路橋梁周圍深基坑工程位于S市郊區，總建筑面積達80000m2，深度為25m，基坑尺寸為70m×50m。周圍地質條件主要為砂巖和石灰巖，局部地區存在黏土和雜填土。地下水位較低，地質穩定性較好。由于工程地處郊區，周圍交通相對便利，人流和車流量較小，施工條件較為簡單，但仍需考慮周圍環境的保護。該工程的施工采用深基坑開挖和支護的方式，先進行臨時支護和加固，然后采用分段開挖和分步加固的方法。支護結構采用樁柱和鋼支撐等多種方式，以保證開挖的安全和穩定。在支護過程中，根據地質環境的不同，采用預應力錨桿、土釘墻、鋼筋混凝土支撐等不同的支護技術。該工程的設計和施工均遵循國家和地方的相關規范和標準，采用最新的工程技術和設備，以確保工程的質量和安全。同時，施工期間采取嚴格的安全管理和環境保護措施，對周圍環境的保護作出充分的考慮，盡可能地減少施工對周圍環境的影響。

2 有限元模型建立與分析方法

2.1 建立數值模型

為研究深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩定性的影響，特建立有限元模型，并對其進行數值模擬分析。通過采用ABAQUS有限元軟件，對該工程建立三維有限元模型。模型包括基坑、地基和鐵路橋梁等部分，其中基坑為剛性墻模型，地基為彈性模型，鐵路橋梁為剛性模型。為了更加準確地模擬實際情況，將周圍建筑物也加入模型中，可以更加準確地評估深基坑施工對周圍建筑物和鐵路橋梁的影響，為施工提供更加可靠的理論支持和指導?；?、地基和鐵路橋梁等的主要參數見表1所示。

表1 基坑、地基和鐵路橋梁等結構的主要參數

2.2 模擬開挖過程

模擬開挖過程，不僅要根據階段性開挖法進行模擬，還要考慮到施工過程中土壤材料的物理力學特性、支護結構的形式、土壤結構相互作用等影響，對其進行多種加載和約束條件模擬。模擬采用階段性開挖法的深基坑施工過程，見表2所示。

表2 階段性開挖法模擬深基坑施工過程

由表2可知，模擬過程中考慮深基坑支護結構和土體的非線性特性，并將深基坑施工過程分為四個階段：未開挖、開挖、支護和回填。在未開挖階段，土體受到自重荷載和周圍土體的約束，處于平衡狀態；在深基坑開挖階段，土體受到較大的剪切力和軸向力作用，導致土體發生塑性變形和破壞；在支護階段，針對土體的變形和破壞，采用樁柱、鋼支撐等支護結構進行加固支撐。支護結構的形式和參數均根據模擬結果和實測數據進行調整和優化；在回填階段，完成基坑回填后，土體恢復了平衡狀態，但仍會受到一定的荷載。在階段性開挖過程中，本研究考慮了深基坑支護結構和土體的非線性特性，如土體的松動、變形和破壞等。在模擬過程中，采用各向異性彈塑性模型和摩爾-庫侖模型，對土體的力學特性進行描述[1-2]。同時，模擬過程中還考慮了支護結構的剛度和強度等參數，對支護結構的穩定性進行評價和分析。

2.3 彈性模量和屈服強度計算

2.3.1 彈性模量的計算

各向異性彈塑性模型是一種廣泛應用于土體力學和巖石力學領域的力學模型，它將土體視為各向異性材料，可以考慮到土體在不同方向上的彈性模量和屈服強度等參數不同。各向異性彈塑性模型假設土體在不同方向上的彈性模量不同，因此需要計算出各向異性的彈性模量[3]。常用的方法是根據土體的物理性質、結構和形態等因素，采用均勻應變狀態下的彈性模量計算，見式（1）：

式中：

E——彈性模量；

v——泊松比；

G——剪切模量。

這些參數可以作為有限元模型中的輸入參數，用于計算土體的力學行為。

2.3.2 屈服強度的計算

各向異性彈塑性模型假設土體在不同方向上的屈服強度不同，因此需要計算出各向異性的屈服強度。常用的方法是根據土體的物理性質、結構和形態等因素，采用經驗公式計算出土體的屈服強度，見式（2）：

式中：

σy——土體的屈服強度；

c——黏聚力；

σv——土體的垂直應力；

τmax——土體中最大的剪切應力；

keff——土體的摩擦系數。

內摩擦角可以通過式（3）進行計算：

由此可得出無側限抗壓強度見式（4）：

式中：

C——材料的黏聚力；

μ——材料的摩擦系數；

σeff——材料的有效應力。

黏聚力和摩擦系數通過實驗測定獲得，通過采用室內直剪試驗方法可直接對其進行測定，而無側限抗壓強度和內摩擦角則可以通過實驗數據及以上經驗公式進行確定，為有限元模型中的輸入參數計算做參考。

3 數值計算分析

3.1 應力結果分析

由于基坑施工過程中的荷載作用，地基中的應力分布不均勻，最大應力出現在距離基坑邊緣較近的地方，見圖1所示。

圖1 深基坑施工應力結果

數值計算結果表明，深基坑施工對周圍地基的應力分布產生了較大的影響。隨著基坑開挖深度的增加，地基中的垂直應力不斷增加。地基挖掘前垂直應力為100kPa，水平應力為50kPa，挖掘至5m后，水平應力變化不大，挖掘至15m 后，垂直和水平應力明顯增加，其中垂直應力為170kPa，水平應力為78kPa，應力的增加速度開始加快，正面基坑開挖對地基的影響隨著深度的增加而加劇。由此可知，深基坑施工會導致周圍地基的應力分布發生變化，特別是在深基坑底部和邊緣處，應力集中現象比較明顯。

3.2 位移結果分析

基坑開挖和支護過程中，地基的位移狀態也會發生明顯的變化，見圖2所示。

圖2 深基坑施工位移結果

隨著基坑開挖深度的增加，地基中的水平位移和垂直位移都會不斷增加。特別是在開挖深度超過10m后，位移的增加速度開始明顯增快，水平位移達到4mm，垂直位移達到2.7mm，說明基坑開挖對地基的影響隨著深度的增加而加劇[4-6]。通過數值計算結果表明，深基坑施工對周圍地基的位移變形產生了較大的影響，深基坑施工會導致周圍地基的位移變形，特別是在開挖過程中，地表沉降量較大，對周圍建筑物和鐵路橋梁的穩定性可能造成一定影響。

3.3 地表沉降分析

在深基坑開挖和支護階段，周圍地表沉降量較大，特別是在鐵路橋梁周圍地基，地表沉降量更為明顯，見圖3所示。

圖3 深基坑施工地表沉降

由圖3可知，在基坑開挖深度增加的過程中，地表沉降逐漸增加。特別是在開挖深度超過5m后，地表沉降的增加速度變得更快，說明基坑開挖對地表沉降的影響隨著深度的增加而加劇。深基坑施工會導致周圍地表沉降，特別是在開挖和支護階段，地表沉降量較大，會對鐵路橋梁的穩定性造成一定的影響[7]。

4 穩固地基措施分析

由有限元模型分析可知，穩固地基是深基坑施工過程中的一項重要任務。采取加固地基、采用適當的支護結構和科學回填等方式是確保周圍地基穩定性的關鍵措施。

（1）加固地基。通過使用土工合成材料加固土體、增加地基支撐點等措施加固地基，提高地基的承載能力和穩定性，從而避免周圍土體的失穩和滑動。在具體實踐中，應根據地質條件和工程要求，選擇合適的加固措施和材料，并加強監測和預警，及時發現和處理問題。

（2）采用適當的支護結構。常用的支護結構有樁式支護、鋼板樁支護、土釘墻支護等。支護結構的選擇應根據地質條件、施工要求和經濟性等因素進行綜合考慮，確保支護結構的安全、穩定和經濟。同時，在支護結構設計和施工過程中，應加強質量控制和監測，及時發現和處理問題。

（3）科學回填。通過采用高強度碎石、石子等材料進行回填加固，可以提高地基的承載能力和穩定性。在回填過程中，應注意加固材料的質量和密實程度，并加強監測和預警，及時處理不良情況[8]。

總之，采取加固地基、采用適當的支護結構和科學回填等方式是確保地基穩定性的關鍵措施。在具體實踐中，可根據地質條件、施工要求和經濟性等因素進行綜合考慮，合理選擇加固措施和材料，并加強監測和預警，及時處理問題，以確保深基坑施工的安全性和穩定性。

5 結束語

研究深基坑施工對地基穩定性的影響，可以為深基坑工程的規劃、設計、施工和監測等方面提供科學依據，保障施工的安全和工程的質量。通過建立三維有限元模型，模擬開挖過程，可分析出深基坑開挖期間應力、位移及地表沉降等數據，有效比對深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩定性的影響。經研究表明，深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩定性產生一定的影響，正面基坑開挖對地基的影響隨著深度的增加而加劇。因此，在施工過程中應該采取有效的防護措施，確保施工的安全和地基的穩定。通過采用加固地基、適當應用支護結構和科學回填等防護措施，可以在一定程度上提高鐵路橋梁地基的承載能力和穩定性。