深基坑施工对铁路桥梁周围地基稳定性的影响研究

贾晓龙

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855）

0 引言

随着城市化进程的加快，深基坑工程作为一种重要的地下工程，被广泛应用于城市建设中。然而，深基坑施工对周围地基稳定性的影响不可避免，尤其是在铁路桥梁周围施工深基坑，其影响更为显著。因此，研究深基坑施工对铁路桥梁周围地基稳定性的影响具有重要的现实意义。本文选取S市某铁路桥梁周围深基坑工程为研究对象，探讨深基坑施工对铁路桥梁周围地基稳定性的影响。

1 工程概况

某铁路桥梁周围深基坑工程位于S市郊区，总建筑面积达80000m2，深度为25m，基坑尺寸为70m×50m。周围地质条件主要为砂岩和石灰岩，局部地区存在黏土和杂填土。地下水位较低，地质稳定性较好。由于工程地处郊区，周围交通相对便利，人流和车流量较小，施工条件较为简单，但仍需考虑周围环境的保护。该工程的施工采用深基坑开挖和支护的方式，先进行临时支护和加固，然后采用分段开挖和分步加固的方法。支护结构采用桩柱和钢支撑等多种方式，以保证开挖的安全和稳定。在支护过程中，根据地质环境的不同，采用预应力锚杆、土钉墙、钢筋混凝土支撑等不同的支护技术。该工程的设计和施工均遵循国家和地方的相关规范和标准，采用最新的工程技术和设备，以确保工程的质量和安全。同时，施工期间采取严格的安全管理和环境保护措施，对周围环境的保护作出充分的考虑，尽可能地减少施工对周围环境的影响。

2 有限元模型建立与分析方法

2.1 建立数值模型

为研究深基坑施工对铁路桥梁周围地基稳定性的影响，特建立有限元模型，并对其进行数值模拟分析。通过采用ABAQUS有限元软件，对该工程建立三维有限元模型。模型包括基坑、地基和铁路桥梁等部分，其中基坑为刚性墙模型，地基为弹性模型，铁路桥梁为刚性模型。为了更加准确地模拟实际情况，将周围建筑物也加入模型中，可以更加准确地评估深基坑施工对周围建筑物和铁路桥梁的影响，为施工提供更加可靠的理论支持和指导。基坑、地基和铁路桥梁等的主要参数见表1所示。

表1 基坑、地基和铁路桥梁等结构的主要参数

2.2 模拟开挖过程

模拟开挖过程，不仅要根据阶段性开挖法进行模拟，还要考虑到施工过程中土壤材料的物理力学特性、支护结构的形式、土壤结构相互作用等影响，对其进行多种加载和约束条件模拟。模拟采用阶段性开挖法的深基坑施工过程，见表2所示。

表2 阶段性开挖法模拟深基坑施工过程

由表2可知，模拟过程中考虑深基坑支护结构和土体的非线性特性，并将深基坑施工过程分为四个阶段：未开挖、开挖、支护和回填。在未开挖阶段，土体受到自重荷载和周围土体的约束，处于平衡状态；在深基坑开挖阶段，土体受到较大的剪切力和轴向力作用，导致土体发生塑性变形和破坏；在支护阶段，针对土体的变形和破坏，采用桩柱、钢支撑等支护结构进行加固支撑。支护结构的形式和参数均根据模拟结果和实测数据进行调整和优化；在回填阶段，完成基坑回填后，土体恢复了平衡状态，但仍会受到一定的荷载。在阶段性开挖过程中，本研究考虑了深基坑支护结构和土体的非线性特性，如土体的松动、变形和破坏等。在模拟过程中，采用各向异性弹塑性模型和摩尔-库仑模型，对土体的力学特性进行描述[1-2]。同时，模拟过程中还考虑了支护结构的刚度和强度等参数，对支护结构的稳定性进行评价和分析。

2.3 弹性模量和屈服强度计算

2.3.1 弹性模量的计算

各向异性弹塑性模型是一种广泛应用于土体力学和岩石力学领域的力学模型，它将土体视为各向异性材料，可以考虑到土体在不同方向上的弹性模量和屈服强度等参数不同。各向异性弹塑性模型假设土体在不同方向上的弹性模量不同，因此需要计算出各向异性的弹性模量[3]。常用的方法是根据土体的物理性质、结构和形态等因素，采用均匀应变状态下的弹性模量计算，见式（1）：

式中：

E——弹性模量；

v——泊松比；

G——剪切模量。

这些参数可以作为有限元模型中的输入参数，用于计算土体的力学行为。

2.3.2 屈服强度的计算

各向异性弹塑性模型假设土体在不同方向上的屈服强度不同，因此需要计算出各向异性的屈服强度。常用的方法是根据土体的物理性质、结构和形态等因素，采用经验公式计算出土体的屈服强度，见式（2）：

式中：

σy——土体的屈服强度；

c——黏聚力；

σv——土体的垂直应力；

τmax——土体中最大的剪切应力；

keff——土体的摩擦系数。

内摩擦角可以通过式（3）进行计算：

由此可得出无侧限抗压强度见式（4）：

式中：

C——材料的黏聚力；

μ——材料的摩擦系数；

σeff——材料的有效应力。

黏聚力和摩擦系数通过实验测定获得，通过采用室内直剪试验方法可直接对其进行测定，而无侧限抗压强度和内摩擦角则可以通过实验数据及以上经验公式进行确定，为有限元模型中的输入参数计算做参考。

3 数值计算分析

3.1 应力结果分析

由于基坑施工过程中的荷载作用，地基中的应力分布不均匀，最大应力出现在距离基坑边缘较近的地方，见图1所示。

图1 深基坑施工应力结果

数值计算结果表明，深基坑施工对周围地基的应力分布产生了较大的影响。随着基坑开挖深度的增加，地基中的垂直应力不断增加。地基挖掘前垂直应力为100kPa，水平应力为50kPa，挖掘至5m后，水平应力变化不大，挖掘至15m 后，垂直和水平应力明显增加，其中垂直应力为170kPa，水平应力为78kPa，应力的增加速度开始加快，正面基坑开挖对地基的影响随着深度的增加而加剧。由此可知，深基坑施工会导致周围地基的应力分布发生变化，特别是在深基坑底部和边缘处，应力集中现象比较明显。

3.2 位移结果分析

基坑开挖和支护过程中，地基的位移状态也会发生明显的变化，见图2所示。

图2 深基坑施工位移结果

随着基坑开挖深度的增加，地基中的水平位移和垂直位移都会不断增加。特别是在开挖深度超过10m后，位移的增加速度开始明显增快，水平位移达到4mm，垂直位移达到2.7mm，说明基坑开挖对地基的影响随着深度的增加而加剧[4-6]。通过数值计算结果表明，深基坑施工对周围地基的位移变形产生了较大的影响，深基坑施工会导致周围地基的位移变形，特别是在开挖过程中，地表沉降量较大，对周围建筑物和铁路桥梁的稳定性可能造成一定影响。

3.3 地表沉降分析

在深基坑开挖和支护阶段，周围地表沉降量较大，特别是在铁路桥梁周围地基，地表沉降量更为明显，见图3所示。

图3 深基坑施工地表沉降

由图3可知，在基坑开挖深度增加的过程中，地表沉降逐渐增加。特别是在开挖深度超过5m后，地表沉降的增加速度变得更快，说明基坑开挖对地表沉降的影响随着深度的增加而加剧。深基坑施工会导致周围地表沉降，特别是在开挖和支护阶段，地表沉降量较大，会对铁路桥梁的稳定性造成一定的影响[7]。

4 稳固地基措施分析

由有限元模型分析可知，稳固地基是深基坑施工过程中的一项重要任务。采取加固地基、采用适当的支护结构和科学回填等方式是确保周围地基稳定性的关键措施。

（1）加固地基。通过使用土工合成材料加固土体、增加地基支撑点等措施加固地基，提高地基的承载能力和稳定性，从而避免周围土体的失稳和滑动。在具体实践中，应根据地质条件和工程要求，选择合适的加固措施和材料，并加强监测和预警，及时发现和处理问题。

（2）采用适当的支护结构。常用的支护结构有桩式支护、钢板桩支护、土钉墙支护等。支护结构的选择应根据地质条件、施工要求和经济性等因素进行综合考虑，确保支护结构的安全、稳定和经济。同时，在支护结构设计和施工过程中，应加强质量控制和监测，及时发现和处理问题。

（3）科学回填。通过采用高强度碎石、石子等材料进行回填加固，可以提高地基的承载能力和稳定性。在回填过程中，应注意加固材料的质量和密实程度，并加强监测和预警，及时处理不良情况[8]。

总之，采取加固地基、采用适当的支护结构和科学回填等方式是确保地基稳定性的关键措施。在具体实践中，可根据地质条件、施工要求和经济性等因素进行综合考虑，合理选择加固措施和材料，并加强监测和预警，及时处理问题，以确保深基坑施工的安全性和稳定性。

5 结束语

研究深基坑施工对地基稳定性的影响，可以为深基坑工程的规划、设计、施工和监测等方面提供科学依据，保障施工的安全和工程的质量。通过建立三维有限元模型，模拟开挖过程，可分析出深基坑开挖期间应力、位移及地表沉降等数据，有效比对深基坑施工对铁路桥梁周围地基稳定性的影响。经研究表明，深基坑施工对铁路桥梁周围地基稳定性产生一定的影响，正面基坑开挖对地基的影响随着深度的增加而加剧。因此，在施工过程中应该采取有效的防护措施，确保施工的安全和地基的稳定。通过采用加固地基、适当应用支护结构和科学回填等防护措施，可以在一定程度上提高铁路桥梁地基的承载能力和稳定性。