樁基礎(chǔ)承載過程對近距離地鐵隧道影響機(jī)制分析

翁效林， 孫　騰， 馮　瑩

(特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室(長安大學(xué))，710064 西安)

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樁基礎(chǔ)承載過程對近距離地鐵隧道影響機(jī)制分析

翁效林， 孫騰， 馮瑩

(特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室(長安大學(xué))，710064 西安)

摘要:為更好地了解樁基礎(chǔ)承載過程對已建成隧道的長期影響，通過改進(jìn)離心場樁基加載裝置和試驗(yàn)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行離心試驗(yàn)，分析樁基礎(chǔ)承載過程對鄰近已有隧道的變形及受力影響，在試驗(yàn)中考慮了參數(shù)變化(不同樁頂荷載以及樁基礎(chǔ)與隧道結(jié)構(gòu)凈距)因素，并基于試驗(yàn)結(jié)果對樁-土-隧道之間的相互作用進(jìn)行了探討.結(jié)果表明：承載樁基會引發(fā)臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，且以沉降變形為主，隧道截面影響區(qū)域橫向變小，縱向變大；相對于隧道雙側(cè)存在承載樁基礎(chǔ)，單側(cè)樁基礎(chǔ)荷載造成隧道所受彎矩分布向樁基礎(chǔ)方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，隧道結(jié)構(gòu)向樁基礎(chǔ)方向產(chǎn)生一定扭曲；樁基礎(chǔ)承載所致附加應(yīng)力會在隧道結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，隧道拱腰部位是樁基受荷所引發(fā)土體附加荷載主要承受區(qū)；隧道結(jié)構(gòu)會在承載樁周所產(chǎn)生的附加應(yīng)力場中產(chǎn)生加筋阻攔效應(yīng)，明顯緩釋樁周摩阻力在相同位置處的傳遞，樁頂荷載越大，緩釋的程度越明顯.

關(guān)鍵詞:離心模型試驗(yàn)； 地鐵隧道； 承載樁基； 樁-土-隧道相互作用

為緩解日益嚴(yán)重的城市交通問題，許多城市興建了地鐵設(shè)施，同時(shí)城市發(fā)展需要建造深基礎(chǔ)高層建筑，由于樁基礎(chǔ)的施工和承受荷載過程會造成周圍土體的位移和應(yīng)力變化，進(jìn)而也會影響鄰近的隧道. 為確保已建地鐵的正常運(yùn)營，地鐵管理部門制定了嚴(yán)格限制條例來控制地鐵隧道兩側(cè)的工程活動. 一般說來，對于隧道附近的樁基，為避免打入樁的擠土、振動效應(yīng)，都是采用鉆孔灌注樁形式，在樁基施工完畢，樁基礎(chǔ)逐步承擔(dān)上部荷載，在垂直載荷下，樁基礎(chǔ)會產(chǎn)生豎向沉降，并且會帶動周圍土體的豎向及水平向變形，對于距離樁基礎(chǔ)較近的運(yùn)營隧道，會產(chǎn)生附加的變形及應(yīng)力. 文獻(xiàn)[1]就近距離樁和群樁施工過程和加載過程對隧道性狀的影響進(jìn)行了研究. 文獻(xiàn)[2-4]運(yùn)用有限元程序?qū)︺@孔灌注樁的施工及受荷過程對已存隧道的受力和變形進(jìn)行了分析. 文獻(xiàn)[5]借助有限元程序分析計(jì)算了上海太平洋期廣場工程對鄰近地鐵1號線隧道的影響. 文獻(xiàn)[6]應(yīng)用所研發(fā)軟件計(jì)算分析了樁筏基礎(chǔ)蠕變對鄰近隧道的影響規(guī)律并總結(jié)了隧道影響因子的作用. 文獻(xiàn)[7]采用群樁基礎(chǔ)共同作用的分析方法，考慮了孔底沉渣的影響，對鉆孔灌注樁基礎(chǔ)跨越地鐵隧道線可能帶來的影響進(jìn)行了計(jì)算分析. 文獻(xiàn)[8]考慮到了樁間加筋和遮攔效應(yīng)的影響，以剪切位移法為基礎(chǔ)，分析超深群樁在工作荷載下對鄰近土體應(yīng)力狀態(tài)和已有隧道沉降的影響. 近年來，文獻(xiàn)[9-11]針對不同的工程實(shí)例，運(yùn)用三維有限元數(shù)值模型，模擬了樁基礎(chǔ)的成孔施工、運(yùn)營期樁基承擔(dān)荷載在土中產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)散對既有隧道結(jié)構(gòu)和軌道變形產(chǎn)生的影響. 對已有相關(guān)文獻(xiàn)分析可以看出，由于受制于數(shù)值分析研究手段，且樁基施工及承載過程對己有隧道影響的相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)很少，使得針對鄰近隧道樁基建設(shè)活動的限制條例的客觀性得不到相應(yīng)的驗(yàn)證. 基于樁基承載對地鐵隧道影響機(jī)制的空間與時(shí)間分布特征可以在土工離心模型試驗(yàn)中有效實(shí)現(xiàn)，本文借助長安大學(xué)土工離心機(jī)，結(jié)合實(shí)際工程案例，闡明承載過程樁基-土-隧道之間相互影響機(jī)制，可為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒.

1離心模型試驗(yàn)分析

1.1試驗(yàn)工程背景

擬建西安東環(huán)廣場建設(shè)項(xiàng)目,地上由塔樓和裙房組成，其中塔樓41層，主屋面高度179.8 m，裙房7層，主屋面高度為38.20 m. 擬建項(xiàng)目裙房位于西安地鐵隧道1#線上方，為減小建筑對隧道結(jié)構(gòu)的附加荷載，裙房采用跨越式布置，即在地下一層采用大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，將上部結(jié)構(gòu)荷載通過樁基礎(chǔ)傳遞到隧道下部的土層，樁端持力層選在第7層卵石持力層上，該土層頂面距離隧道結(jié)構(gòu)底面約16 m，樁長32～36 m，該工程裙房部分地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案及地鐵隧道的位置關(guān)系如圖1所示，裙房基礎(chǔ)樁直徑為1 m，樁位距隧道較近，一般位于隧道外圍2 m范圍之外，3 m范圍之內(nèi)，柱荷載按照上部結(jié)構(gòu)計(jì)算提供的值，其最大樁頂部荷載為3.6×104kN.

1.2離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本次試驗(yàn)使用的模型箱長寬高分別為700、360、500 mm. 試驗(yàn)用土取自西安東環(huán)廣場建設(shè)項(xiàng)目工地，土體基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示. 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械貙庸卜譃?層：第1層土厚度5 cm，用密實(shí)砂土用來模擬樁基持力層；第2層土厚35 cm，為地鐵隧道所在土層，為粉質(zhì)粘土，中間粒徑D50=122 μm，土粒密度Gs=2.27 kg/m3，從現(xiàn)場取回土樣后曬干篩分并重新制備成飽和狀態(tài)，其含水量w=29.9%；第3層土厚5 cm，主要為雜填土，控制含水量為w=17.5%. 試驗(yàn)所用隧道基本材質(zhì)為有機(jī)玻璃，其彈性模量為6 GPa，泊松比為0.3，模型管直徑擬為100 mm，壁厚10 mm，如圖1所示. 模型試驗(yàn)相似比例N=60，根據(jù)模型試驗(yàn)相似理論[12]，制定相似法則見表2，有機(jī)玻璃材質(zhì)隧道模型相當(dāng)于原型中厚度為350 mm的混凝土管片盾構(gòu)隧道(彈性模量為30 GPa).

表1　土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1　地鐵隧道模型

參數(shù)重力加速度/(m·s-2)長度/m體積/m2重力/(kg·m·s-2)密度/(kg·m-3)重度/(N·m-3)應(yīng)力(N·m-2)應(yīng)變時(shí)間/m相似比(模型/原型)N1/N1/N31/N21N111/N2

模型樁材質(zhì)為圓柱形鋁質(zhì)金屬管，直徑Dpi為10 mm. 本次模型試驗(yàn)重點(diǎn)考慮樁周摩阻力在樁周土中傳遞過程對近距離隧道結(jié)構(gòu)的影響，為使模型樁端承于隧道下方細(xì)砂持力層中，故設(shè)計(jì)模型樁長42 cm；試驗(yàn)分別考慮樁隧距徑比xpil/Dt為0.89和1.06兩種情況，模擬實(shí)際樁隧間距2 m和3 m時(shí)，樁周摩阻力所引發(fā)的隧道附加影響，每種樁隧間距分別考慮單側(cè)和雙側(cè)兩種布樁方式.

1.3離心場樁基加載過程

為了模擬樁基加荷過程，試驗(yàn)中運(yùn)用長安大學(xué)土工離心機(jī)加荷載系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機(jī)械手主機(jī)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成，以機(jī)械手模型箱內(nèi)部右下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖2所示，X向運(yùn)行距離為207～587 mm，Y向運(yùn)行距離為217～467 mm，Z向運(yùn)距離為495～895 mm. 其中Z向軸能提供最大18 kN的垂直荷載，利用Z軸的拉壓功能可有效模擬壓樁及施加荷載過程. 本次模型試驗(yàn)過程中，機(jī)械手Z軸先向樁基軸向施加軸向荷載將模型樁預(yù)壓至預(yù)定樁位，然后將樁頂荷載保持在3種荷載p分別為5 kN(相當(dāng)于原型1.8×104kN)、10 kN和15 kN，每級加荷后分別保持離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)2.4 h(相當(dāng)于原型固結(jié)360 d).

圖2　土工離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)

1.4測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地鐵隧道模型分別進(jìn)行橫向布置和縱向布置，如圖3所示.

(a)橫向布置

(b)縱向布置

由于本次試驗(yàn)主要考慮地鐵隧道橫向變形，考慮到隧道結(jié)構(gòu)縱向長度方向上隧道剛度效應(yīng)所對模型試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)中橫向布置隧道模型長度為660 mm，如圖3(a)所示. 橫向布置隧道布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測斷面，分別為斷面A和斷面B，截面A共設(shè)8個(gè)彎矩測點(diǎn)(編號為S1～S8)，沿截面周長平均分布；截面B周圍均勻設(shè)置8個(gè)土壓力測點(diǎn)(編號為E1～E8)，測量隧道周邊土壓力的變化. 彎矩的量測通過貼在管片上下表面的4個(gè)應(yīng)變片組成的全橋電路來實(shí)現(xiàn)，土壓力采用通用的微型土壓力計(jì)進(jìn)行量測. 同時(shí)為分析樁基礎(chǔ)承載過程對地鐵隧道沉降的影響，在斷面A隧道模型的頂部、拱腰和底部分別布設(shè)4個(gè)激光位移傳感器測點(diǎn). 為有效獲取樁基承受荷載時(shí)樁周和隧道界面間土體位移場分布，隧道模型縱向布置(模型長度為350 mm)如圖3(b)所示，在樁基礎(chǔ)荷載影響區(qū)范圍內(nèi)縱橫方向畫設(shè)縱橫經(jīng)緯線，并以縱橫線交匯處為基準(zhǔn)點(diǎn)，縱橫間距為20 mm×20 mm，利用土工離心機(jī)高速攝像設(shè)備獲取不同時(shí)段各基準(zhǔn)點(diǎn)變形后縱橫坐標(biāo)值，通過坐標(biāo)變化來繪制各測點(diǎn)橫向和縱向位移變化值.

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1隧道變形分析

根據(jù)激光位移傳感器測試數(shù)據(jù)結(jié)合圖像位移處理結(jié)果繪制了樁頂施荷后10個(gè)月后隧道輪廓變形圖，見圖4.

(a)雙側(cè)布樁

(b)單側(cè)布樁

從圖4可以看出，伴隨著樁基承載，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了整體的下沉和變形，變形以沉降為主，水平位移較小，換算為實(shí)際模型，隧道最大沉降量為7.695 mm，最大水平位移為2.42 mm. 拱頂下沉量隨著樁頂部荷載的增加而增加，當(dāng)樁頂部荷載達(dá)到10 kN時(shí)(相當(dāng)于原型3.6×104kN)，拱頂最大下沉將量達(dá)到3.8 mm，當(dāng)樁頂部荷載達(dá)到15 kN時(shí)(相當(dāng)于原型5.4×104kN)，拱頂最大下沉將量達(dá)到6 mm. 圖4(b)為左單側(cè)加寬輪廓圖，隧道輪廓變化圖明顯不對稱，總體顯示隧道圓周沿隧頂順時(shí)針145°處變形值最大達(dá)到最大值，側(cè)向變形最大值達(dá)到了4.1 mm. 說明由于樁隧間的土體傳遞了樁周摩擦力，相對于隧道雙側(cè)布置樁基礎(chǔ)，單側(cè)布樁隧身發(fā)生扭曲變形的可能性更大. 因此，對于實(shí)際運(yùn)營的地鐵隧道，如果隧道結(jié)構(gòu)單側(cè)樁基施工擾動，更需要對隧道結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測.

2.2隧道受力變化分析

以地鐵隧道拱頂為零角度，θ角順時(shí)針轉(zhuǎn)動，繪制樁基礎(chǔ)加載前后隧道圓周的彎矩變化分布如圖5所示. 由圖5可以看出，當(dāng)隧道兩側(cè)均有樁基存在時(shí)，彎矩較大值位于拱頂區(qū)域(0°<θ<90°和270°<θ<360°)，彎矩值最大附加增加量為12.78 kN·m，比較圖5(a)和圖5(b)，當(dāng)樁隧距徑比xpil/Dt由0.89變化為1.06時(shí)，彎矩值最大附加增加量減小到9 kN·m左右. 土壓力變化值如圖6所示，土壓力變化最大值出現(xiàn)在拱頂及兩側(cè)拱腰部區(qū)域，最大變化值達(dá)到8.14 kPa，隧道結(jié)構(gòu)圓周水平面以下(90<θ<270°)土壓力的變化值都比較小，比較圖6(a)和圖6(b)，測試結(jié)果顯示類似變化趨勢，具體表現(xiàn)為有樁基荷載作用條件下，所獲得最大彎矩均比無樁情況相同位置的測試值要高，相應(yīng)附加土壓力則與無樁情況的也有一定增加，但數(shù)值很小，對于隧道結(jié)構(gòu)本身影響不大.

(a)xpil/Dt=0.89

(b)xpil/Dt=1.06

(a)xpil/Dt=0.89

(b)xpil/Dt=1.06

2.3樁-土-隧道相互影響作用分析

圖8給出了不同樁頂荷載下，隧道與樁基礎(chǔ)之間土體剪切應(yīng)變等值線圖，可以看出，樁周土體在摩阻力的作用下發(fā)生剪切應(yīng)變，但由于隧道結(jié)構(gòu)在土體中的加筋遮攔效應(yīng)，使得剪切應(yīng)變發(fā)生了規(guī)律性的改變，這在隧道拱腰位置表現(xiàn)的更為明顯；另外，比較不同樁頂荷載情況還可以看出，且隨樁頂荷載的增加，加筋遮攔效應(yīng)也越發(fā)明，隧道周邊剪應(yīng)變增幅明顯.

圖7　樁周土體最大剪應(yīng)變

圖8　隧道周邊土體剪應(yīng)變等值線

3結(jié)論

1)隧道結(jié)構(gòu)會在承載樁周所產(chǎn)生的附加應(yīng)力場中產(chǎn)生加筋阻攔效應(yīng)，明顯緩釋樁周摩阻力在相同位置處的傳遞，樁頂荷載越大，緩釋的程度越明顯；樁基承載過程會引發(fā)臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的下沉和水平變位，隨著樁與隧道凈距比xpil/Dt的增加，隧道拱頂下沉量以及彎矩變化最大值相應(yīng)減小.

2)樁基礎(chǔ)承載所引發(fā)附加應(yīng)力會在隧道結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，隧道拱腰部位是樁基受荷所引發(fā)土體附加荷載主要承受區(qū)；相對于隧道雙側(cè)存在承載樁基礎(chǔ)，單側(cè)樁基礎(chǔ)造成隧道所受彎矩分布向樁基礎(chǔ)方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，同時(shí)隧道整體結(jié)構(gòu)向樁基礎(chǔ)方向產(chǎn)生扭曲.

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(編輯魏希柱)

Influence of loading pile foundation on existing neighboring subway tunnel

WENG Xiaolin，SUN Teng，F(xiàn)ENG Ying

(Key Laboratory of Special Area Highway Engineering，Ministry of Education(Chang’an University)，710064 Xi’an，China)

Abstract:In order to better understand the long-term effects of bearing pile foundation on close subway tunnel, by improving the pile load and test monitoring equipment of centrifugal field , use geotechnical centrifuge model test to analyze the deformation of adjacent existing tunnel by pile foundation in the process of bearing load with change of parameters(different loads and pile foundation pile and tunnel structure spacing), and the interaction of pile-soil-tunnel was discussed based on the test of test results, the results showed that: blocking and reinforced effect of tunnel structure change the transmission path of the additional soil load and displacement surrounding the bearing load pile, lead to stress concentration of the tunnel body. Both sides arch waist of subway tunnel are the main areas where bear the additional load caused by bearing load pile, lead to the sinking of the subway tunnel structure. The settlement is main tunnel deformation form, horizontal displacement is small, which lead to smaller transverse cross section of the tunnel. The bearing load pile exist in one side of tunnel cause moment distribution of tunnel structure deflection to pile foundation, while the direction of the tunnel structure to the foundation piles have some distortion. A relationship between relative pile-tunnel location and the pile bearing load at which tunnel displacements occurred is presented, which provides useful guidance to tunnel design engineers.

Keywords:centrifuge modeling; subway tunnel; pile bearing load; soil-pile-tunnel interaction mechanism

中圖分類號:TU411.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0138-05

通信作者:孫騰，1055670343@sohu.com.

作者簡介:翁效林(1980—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51278063).

收稿日期:2015-06-29.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.023