技术创新

隧道开挖对不同承台型式邻近群桩基础的影响分析

日期：2016-9-12 9:38:16　来源：互联网　浏览数：
　

分享到：

1· 群桩基础的不同承台型式分析
    群桩基础根据其承台与周边岩土的接触形式，可以分为四种类型: ( 1) 高于地表同时与地表未接触的高承台桩基础常见的这类承台基础有桥梁桩基、海上石油平台等; ( 2) 群桩全部埋入土体中，承台高于地表并且与地表相互接触的群桩基础，常见这类中高层建筑的群桩基础; ( 3) 群桩柱体全部埋入土体，承台除顶面以外均与土体接触的群桩基础，常见这类桩基础有中高层建筑的桩箱基础或箱形基础。( 无承台群桩基础模型，建立此图是为了对比盾构隧道开挖给不同承台型式群桩基础所造成的附加影响。对群桩基础中每一根基桩都需进行编号，以方便计算成果对比与分析。
    2· 计算方案设计与有限元模型
    取上述所提到的四种类型的群桩基础形式分别作为计算方案一、方案二、方案三与方案四。根据四种类型群桩基础形式示意图建立计算简图和有限元模型同时进行计算。
    这些数值模拟的结果主要是利用枯体附加内力、邻近地表沉降、桩体附加位移来对比盾构隧道幵挖对这些群桩基础的影响规律，其中桩体附加位移主要包括横向附加位移、纵向附加位移、竖向附加位移，枯体附加内力主要包括横向附加剪力、纵向附加剪力、竖向附加轴力、横向附加弯矩、纵向附加弯矩。
    许多研究结果表明，隧道直径的3 倍是土体受到隧道开挖的影响的一个关键数值点，隧道直径3 倍以内，影响较为明显，而在3 倍隧道直径以外，土体受到的影响较少，甚至可忽略; 同时有些学者为采用离心试验来研究此影响，其结果表明桩与隧道掌子面的距离在隧道直径一倍范围内时，桩体则会出现很大的附加沉降。
    根据土体的受力特点，选用合适的材料属性，使土体材料能够符合DP 准则，以建立理想的弹塑性数值计算模型;模型中的边界条件是利用底部位移的全部约束，隧道开挖的路线方向为两个横断面约束Uz 方向位移，其法线方向则是两侧约束Ux 和Uz 方向的位移。数值计算模型采用的是八节点实体单元，模型最多能够创建24 348 个单元，如图1 所示。

    3· 隧道开挖引起邻近群桩基础地表沉降规律
    本文针对于上述提到的四种群桩基础形式，研究盾构隧道开挖引起群桩基础正交隧道轴线的中心截面地表沉降规律，四种计算方案的结果如图2所示。

    图2 可以看出，Peck 等研究随道幵挖引起的地表沉降规律与图2 中的地表沉降曲线较为贴合，但也有明显的差异性。这体现在于隧道中心线右侧沉降槽的面积要远大于地表沉降槽隧道中心线左侧的面积，盾构隧道开挖的影响区域中，对线路中心右侧的影响区域要远小于左侧。
    其原因在于桩基础出现在隧道一侧，使得对该侧的土体能够起到“加筋”的作用，使土体的整体刚度提高了。其次，方案一、二、四地表沉降槽横断面面积的计算结果大于方案三( 柱箱群柱基础模型) ，这可能是因为方案三中的桩箱基础下的整体刚度较大，同时桩箱基础的承台四周均与土体接触，使其四周与土体间相互约束联系，从而产生的地表沉降较小。
    4· 盾构隧道开挖引起不同承台型式邻近群桩基础影响分析
    4． 1 被体附加位移的方向规定
    盾构隧道开挖对不同承台型式邻近群桩基础所产生的附加位移主要为三种，即纵向附加位移、竖向附加位移、横向附加位移。纵向附加位移方向为隧道开挖的方向，其数值的正值表示桩体与隧道开挖的方向相同，负值则方向相反; 竖向附加位移方向为重力方向，其数值的负值表示桩体的位移与重力方向相同，正值则表示其方向相反; 横向附加位移的方向为隧道开挖的垂直方向，其数值的正值表示桩体的横向位移与隧道方向想背离，负值表示其位移方向与之一致。
    4． 2 不同承台型式邻近群抽基础基枯附加位移
    ( 1) 不同承台型式群桩基础的基桩的横向附加位移在横向位移的规律方面，不同承台型式邻近群桩基础基桩的位移规律基本相同，其规律都表现为远桩位移要小于近桩位移; 上述的四种形式邻近群桩基础的基柱横向变形表现为: 下半部位移方向要远离隧道一侧，而上半部分与之相反，位移方向倾向隧道一侧。
    通过对比上述几种邻近群桩基础的基桩横向附加位移计算结果，能够看出: 由于承台的存在，在基桩顶部附近较小深度内( 桩顶下3 m 以上) ，近桩和远桩的横向位移存在一定的差异，对大部分桩体的横向位移来说，影响并不大; 在基桩底端3 m 深度范围内，方案三( 桩箱基础模型) 与其他三种方案在横向位移方面相比较，其横向位移比其他三种方案简化的群桩基础模型桩体的横向附加位移更小。
    ( 2) 不同承台型式群桩基础的基桩的竖向附加位移
    通过对比上述几种邻近群桩基础的基桩竖向附加位移计算结果，能够看出: 四种类型的群桩基础基柱的附加沉降( 附加竖向位移) 规律基本相同，规律均为远桩要小于近桩;与方案三的附加沉降相比较，方案一、方案二与方案四的附加沉降( 附加竖向位移) 要比其大了约40%; 四个方案的近桩和远桩的沉降差中，方案三的沉降差最小，方案四的沉降差最大，方案一、二( 高、低承台群桩基础) 的沉降差居中。从上述结果可以看出，在分析隧道开挖对建筑物群桩基础基桩竖向沉降影响时，为获得更为精确的成果，需要根据建筑物的群桩基础承台型式而给予合理的简化。
    从各类群桩基础基桩的竖向附加位移计算结果可以看出: 就近桩而言，方案三( 桩箱基础模型) 近桩在竖向位移方面，其沉降要远小于方案一、二、四; 而对群桩基础基桩的远桩附加沉降而言，方案四( 无承台群桩模型) 的附加沉降介于方案一、二、三之间; 几种类型的群桩基础的基桩的附加沉降沿桩身变化规律基本类似。
    ( 3) 不同承台型式群桩基础的基桩的纵向附加位移
    通过对比上述几种邻近群桩基础的基桩纵向附加位移计算结果，能够看出: 在简化计算模型的情况下，盾构隧道掘进方向与群桩基础的基柱的纵向附加位移方向是相同的，但也表现出一个规律，即远桩大于近桩; 方案四的简化计算模型的计算结果与其他三种简化计算模型的结果相比较，基桩桩体在桩顶下6 m 披长范围内位移规律的差异性较大; 四类群桩基础简化计算模型在桩体的横向附加位移方面，其数值的大小差距并不大。
    从四种方案的纵向附加位移计算结果对比中能够看出:隧道开挖对邻近不同承台型式群桩基础的影响中，对其桩基的变形规律是基本一致的，这四种方案的计算结果只在基桩的桩头和桩底位置的纵向附加位移有少许差异。
    5· 结束语
    本文针对于群桩基础不同的承台埋置型式，分析了盾构隧道开挖对邻近不同承台型式建筑群桩基础的影响，盾构隧道开挖对有承台群桩基础与无承台群桩基础产生的横向附加位移并无很大差异，但在桩底部3 m 范围内，柱箱群桩基础所产生的附加位移最小; 在盾构隧道开挖引起的群桩基础的竖向附加位移( 基桩沉降) 中，对柱箱群桩基础所产生的位移最小; 盾构隧道开挖引起的群桩基础的纵向附加位移方面，在桩上部4 m 范围内，无承台群桩基础基桩与其他承台形式相比较，具有明显差异性。