賈曉龍

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，深基坑工程作為一種重要的地下工程，被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)中。然而，深基坑施工對周圍地基穩(wěn)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(wěn)定性的影響具有重要的現(xiàn)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(wěn)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(qū)，總建筑面積達(dá)80000m2，深度為25m，基坑尺寸為70m×50m。周圍地質(zhì)條件主要為砂巖和石灰?guī)r，局部地區(qū)存在黏土和雜填土。地下水位較低，地質(zhì)穩(wěn)定性較好。由于工程地處郊區(qū)，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(huán)境的保護(hù)。該工程的施工采用深基坑開挖和支護(hù)的方式，先進(jìn)行臨時支護(hù)和加固，然后采用分段開挖和分步加固的方法。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁柱和鋼支撐等多種方式，以保證開挖的安全和穩(wěn)定。在支護(hù)過程中，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境的不同，采用預(yù)應(yīng)力錨桿、土釘墻、鋼筋混凝土支撐等不同的支護(hù)技術(shù)。該工程的設(shè)計和施工均遵循國家和地方的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，采用最新的工程技術(shù)和設(shè)備，以確保工程的質(zhì)量和安全。同時，施工期間采取嚴(yán)格的安全管理和環(huán)境保護(hù)措施，對周圍環(huán)境的保護(hù)作出充分的考慮，盡可能地減少施工對周圍環(huán)境的影響。

2 有限元模型建立與分析方法

2.1 建立數(shù)值模型

為研究深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩(wěn)定性的影響，特建立有限元模型，并對其進(jìn)行數(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)?；?、地基和鐵路橋梁等的主要參數(shù)見表1所示。

表1 基坑、地基和鐵路橋梁等結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

2.2 模擬開挖過程

模擬開挖過程，不僅要根據(jù)階段性開挖法進(jìn)行模擬，還要考慮到施工過程中土壤材料的物理力學(xué)特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式、土壤結(jié)構(gòu)相互作用等影響，對其進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)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(tài)；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(dǎo)致土體發(fā)生塑性變形和破壞；在支護(hù)階段，針對土體的變形和破壞，采用樁柱、鋼支撐等支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固支撐。支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)均根據(jù)模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化；在回填階段，完成基坑回填后，土體恢復(fù)了平衡狀態(tài)，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(hù)結(jié)構(gòu)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(xué)特性進(jìn)行描述[1-2]。同時，模擬過程中還考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強度等參數(shù)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)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(yīng)用于土體力學(xué)和巖石力學(xué)領(lǐng)域的力學(xué)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(shù)不同。各向異性彈塑性模型假設(shè)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(jù)土體的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等因素，采用均勻應(yīng)變狀態(tài)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(shù)可以作為有限元模型中的輸入?yún)?shù)，用于計算土體的力學(xué)行為。

2.3.2 屈服強度的計算

各向異性彈塑性模型假設(shè)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(jù)土體的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等因素，采用經(jīng)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(yīng)力；

τmax——土體中最大的剪切應(yīng)力；

keff——土體的摩擦系數(shù)。

內(nèi)摩擦角可以通過式（3）進(jìn)行計算：

由此可得出無側(cè)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(shù)；

σeff——材料的有效應(yīng)力。

黏聚力和摩擦系數(shù)通過實驗測定獲得，通過采用室內(nèi)直剪試驗方法可直接對其進(jìn)行測定，而無側(cè)限抗壓強度和內(nèi)摩擦角則可以通過實驗數(shù)據(jù)及以上經(jīng)驗公式進(jìn)行確定，為有限元模型中的輸入?yún)?shù)計算做參考。

3 數(shù)值計算分析

3.1 應(yīng)力結(jié)果分析

由于基坑施工過程中的荷載作用，地基中的應(yīng)力分布不均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)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(yīng)力結(jié)果

數(shù)值計算結(jié)果表明，深基坑施工對周圍地基的應(yīng)力分布產(chǎn)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(yīng)力不斷增加。地基挖掘前垂直應(yīng)力為100kPa，水平應(yīng)力為50kPa，挖掘至5m后，水平應(yīng)力變化不大，挖掘至15m 后，垂直和水平應(yīng)力明顯增加，其中垂直應(yīng)力為170kPa，水平應(yīng)力為78kPa，應(yīng)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(dǎo)致周圍地基的應(yīng)力分布發(fā)生變化，特別是在深基坑底部和邊緣處，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯。

3.2 位移結(jié)果分析

基坑開挖和支護(hù)過程中，地基的位移狀態(tài)也會發(fā)生明顯的變化，見圖2所示。

圖2 深基坑施工位移結(jié)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(dá)到4mm，垂直位移達(dá)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(shù)值計算結(jié)果表明，深基坑施工對周圍地基的位移變形產(chǎn)生了較大的影響，深基坑施工會導(dǎo)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(wěn)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(hù)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(dǎo)致周圍地表沉降，特別是在開挖和支護(hù)階段，地表沉降量較大，會對鐵路橋梁的穩(wěn)定性造成一定的影響[7]。

4 穩(wěn)固地基措施分析

由有限元模型分析可知，穩(wěn)固地基是深基坑施工過程中的一項重要任務(wù)。采取加固地基、采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)和科學(xué)回填等方式是確保周圍地基穩(wěn)定性的關(guān)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(wěn)定性，從而避免周圍土體的失穩(wěn)和滑動。在具體實踐中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和工程要求，選擇合適的加固措施和材料，并加強監(jiān)測和預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。

（2）采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)。常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)有樁式支護(hù)、鋼板樁支護(hù)、土釘墻支護(hù)等。支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、施工要求和經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行綜合考慮，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)。同時，在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工過程中，應(yīng)加強質(zhì)量控制和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。

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

總之，采取加固地基、采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)和科學(xué)回填等方式是確保地基穩(wěn)定性的關(guān)鍵措施。在具體實踐中，可根據(jù)地質(zhì)條件、施工要求和經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行綜合考慮，合理選擇加固措施和材料，并加強監(jiān)測和預(yù)警，及時處理問題，以確保深基坑施工的安全性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

研究深基坑施工對地基穩(wěn)定性的影響，可以為深基坑工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工和監(jiān)測等方面提供科學(xué)依據(jù)，保障施工的安全和工程的質(zhì)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(yīng)力、位移及地表沉降等數(shù)據(jù)，有效比對深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩(wěn)定性的影響。經(jīng)研究表明，深基坑施工對鐵路橋梁周圍地基穩(wěn)定性產(chǎn)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(yīng)該采取有效的防護(hù)措施，確保施工的安全和地基的穩(wěn)定。通過采用加固地基、適當(dāng)應(yīng)用支護(hù)結(jié)構(gòu)和科學(xué)回填等防護(hù)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(wěn)定性。