隧道施工對(duì)鄰近樁基變形與受力影響數(shù)值模擬研究

姜梅杰,徐 濤,劉曉鳳

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.安徽新基建有限公司,安徽 合肥 230001)

地鐵是目前緩解交通擁堵的主要手段,但隧道開挖可能引起地面變形并影響相鄰樁基,甚至造成鄰近結(jié)構(gòu)的破壞[1]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道開挖下鄰近樁基的影響已展開了一系列研究,如黃茂松等[2-4]基于Winkler地基模型,采用Euler-Bernoulli梁假設(shè),推導(dǎo)了隧道開挖下樁基水平位移與豎向位移計(jì)算公式;沈建文等[5]以北京地鐵10號(hào)線為背景,采用FLAC3D有限元軟件,建立了既有樁基鄰近盾構(gòu)施工數(shù)值模型,在此基礎(chǔ)上研究盾構(gòu)施工全過(guò)程對(duì)樁基位移和地表沉降的影響;劉喆等[6]依托北京某地鐵穿越工程,采用ANSYS有限元軟件,研究盾構(gòu)參數(shù)及施工加固措施對(duì)隧道開挖下鄰近橋樁變形及受力的影響;王哲等[7]基于杭州地鐵2號(hào)線,通過(guò)Advant Edge FEM有限元軟件,研究盾構(gòu)磨樁技術(shù)中刀具布置方式對(duì)樁基切削效果的影響;任磊等[8]以鄭州某地鐵工程為背景,采用FLAC3D有限元軟件,建立三維數(shù)值模型,研究“土體注漿”“樁基承臺(tái)加固”以及“注漿+承臺(tái)加固”三種保護(hù)方案下樁基的變形規(guī)律;曾東洋等[9]依托哈爾濱地鐵3號(hào)線,采用MIDAS-GTS三維有限元計(jì)算軟件,建立三維數(shù)值模型,研究礦山法施工中超前加固措施對(duì)樁基變形的影響。

可以看出,以上研究是通過(guò)有限元軟件基于具體案例展開分析,模擬結(jié)果往往也針對(duì)特定案例成立,對(duì)于類似案例的指導(dǎo)作用還存在一定限制。本文基于現(xiàn)有離心模型試驗(yàn),采用有限元軟件建立數(shù)值模型,通過(guò)與離心模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果比較驗(yàn)證模型的合理性,在此基礎(chǔ)上研究地層損失、土體黏聚力、樁隧距離、隧道軸線埋深以及隧道半徑對(duì)隧道施工地層損失擾動(dòng)下鄰近樁基變形及受力的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 黏土地基數(shù)值模型

1.1.1 黏土地基離心模型試驗(yàn)

Loganathan等[10]開展了三組黏土地基下不同隧道軸線埋深的離心模型試驗(yàn)。模型地基長(zhǎng)度650mm,寬度200mm,高度300mm;樁基軸線與隧道軸線的水平距離(下文簡(jiǎn)稱樁隧距離)x=55mm,隧道軸線埋深H=150mm、180mm和210mm,隧道半徑R=30mm,樁徑D=9mm,樁基埋深L=180mm,試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐蕁=100,模型尺寸如圖1所示。離心模型試驗(yàn)樁基采用銅管模擬,銅管外部涂有環(huán)氧樹脂,外徑為9mm,模型隧道內(nèi)芯采用直徑為54mm的鋁管制作,其外部包裹橡膠模,內(nèi)芯與橡膠模的空隙之間充滿硅油后外徑為60mm。試驗(yàn)過(guò)程中在100g離心加速度下通過(guò)伺服控制,將模型隧道橡膠模與鋁管空隙內(nèi)占總體積1%的硅油排出,模擬隧道施工引起的1%地層損失。

圖1 黏土地基離心模型試驗(yàn)示意圖(單位:mm)

1.1.2 數(shù)值模型

采用PLAXIS3D建立離心模型試驗(yàn)對(duì)應(yīng)原型的三維數(shù)值模型。數(shù)值模型地基長(zhǎng)度(x軸方向)為65m,寬度(y軸方向)為20m,高度(z軸方向)為30m,如圖2所示。為便于建模與分析,地基土采用Mohr-Coulomb模型,表1概括了黏土地基材料參數(shù)[11]。

表1 黏土地基材料參數(shù)

圖2 黏土地基數(shù)值模型示意圖

1.1.3 計(jì)算過(guò)程

隧道施工后管片通常坐落在下部土體,因而采用圖3所示“同底圓”的地層損失模型更為合理[12]。數(shù)值模擬過(guò)程與離心模型試驗(yàn)相同,每一步計(jì)算至力學(xué)平衡和變形穩(wěn)定[13]。具體如下:首先,通過(guò)“K0過(guò)程”生成地基自重應(yīng)力;然后,激活相應(yīng)梁?jiǎn)卧桶鍐卧?最終,為防止隧道與樁基的激活改變土體初始應(yīng)力狀態(tài),先重置前置位移為零,通過(guò)停用相應(yīng)土體單元且隧道的邊界收縮按非均勻地層損失模型施加,模擬隧道的掘進(jìn)過(guò)程,并記錄樁身彎矩與水平位移。

圖3 非均勻地層損失模型

1.1.4 計(jì)算結(jié)果

圖4給出了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與離心模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比,為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性,結(jié)果分析中還增加了與黃茂松理論解析的對(duì)比。在理論分析中黃茂松采用兩階段分析法,基于Winkler地基模型與Euler-Bernoulli梁假設(shè),得出隧道開挖下鄰近樁基位移計(jì)算公式,研究隧道施工對(duì)鄰近樁基的影響[2-4]。為簡(jiǎn)化起見,下文涉及到采用這種方法作為理論解析解的,本文統(tǒng)稱為“黃茂松法”?？梢钥闯?數(shù)值模擬與離心模型試驗(yàn)以及“黃茂松法”計(jì)算結(jié)果基本吻合,說(shuō)明本文數(shù)值模型結(jié)果是合理的。當(dāng)隧道軸線埋深不大于樁基埋深時(shí),由于隧道施工地層損失擾動(dòng)下隧道軸線附近土體變形最大,因此樁身水平位移在隧道軸線處最大;當(dāng)隧道軸線埋深大于樁基埋深時(shí),樁底周圍土體變形最大,因此樁身水平位移在樁身底部最大。

(a)H=15m

(b)H=18m

(c)H=21m圖4 不同隧道軸線埋深下樁身水平位移對(duì)比曲線

1.2 砂土地基數(shù)值模型

1.2.1 砂土地基離心模型試驗(yàn)

Ng等[14]進(jìn)行了一系列離心模型試驗(yàn),研究盾構(gòu)施工對(duì)鄰近樁基的影響。模型地基長(zhǎng)度1246mm,寬度228mm,高度750mm,隧道半徑R=76mm,樁基埋深L=490mm,樁徑D=20mm,樁隧距離x=114mm,試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐蕁=40,模型尺寸如圖5所示。離心模型試驗(yàn)地基采用豐浦砂制備,樁基采用外徑為20mm的鋁管模擬,隧道采用內(nèi)部充水的圓柱形橡膠袋模擬。試驗(yàn)過(guò)程中在100g離心加速度下通過(guò)伺服控制,將模型隧道橡膠袋內(nèi)占總體積1%的水排出,模擬隧道施工引起的1%地層損失。

圖5 砂土地基離心模型試驗(yàn)示意圖(單位:mm)

1.2.2 數(shù)值模型

采用PLAXIS3D建立離心模型試驗(yàn)對(duì)應(yīng)原型的三維數(shù)值模型。數(shù)值模型地基長(zhǎng)度(x軸方向)為49.84m,寬度(y軸方向)為9.12m,高度(z軸方向)為30m,如圖6所示,表2概括了砂土地基材料參數(shù)[14]。

表2 砂土地基材料參數(shù)

圖6 砂土地基數(shù)值模型示意圖

1.2.3 計(jì)算過(guò)程

本節(jié)數(shù)值計(jì)算過(guò)程與Loganathan等[10]離心試驗(yàn)的數(shù)值計(jì)算過(guò)程相同不再贅述,圖7給出了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與離心模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果以及“黃茂松法”計(jì)算結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯?數(shù)值模擬與離心模型試驗(yàn)以及“黃茂松法”計(jì)算結(jié)果基本吻合,說(shuō)明本文數(shù)值模型結(jié)果是合理的。

圖7 樁身彎矩對(duì)比曲線

2 參數(shù)分析

這里分析地層損失、土體黏聚力、樁隧距離、隧道軸線埋深以及隧道半徑對(duì)樁基變形及受力的影響。在研究每個(gè)因素參數(shù)對(duì)樁基的影響時(shí),僅改變?cè)撘蛩?其余參數(shù)保持不變。參數(shù)如下:隧道半徑R=3m,隧道軸線埋深H=18m,樁隧距離x=5.5m,樁徑D=1.0m,樁基埋深L=18m,樁基彈性模量Ep=20GPa,土體重度γ=15kN/m3,彈性模量Es=6MPa,泊松比μ=0.2,黏聚力c=20kN/m2,內(nèi)摩擦角φ=20°,地層損失ε=1%。

2.1 隧道軸線埋深

這里研究隧道軸線埋深對(duì)樁基變形及受力的影響,分別計(jì)算隧道軸線埋深H=15m、18m和21m等三種情況下樁身水平位移與彎矩分布,對(duì)應(yīng)的隧道軸線埋深與樁基埋深比值H/L分別為0.8、1.0和1.2。

圖8給出了不同隧道軸線埋深對(duì)隧道施工地層損失擾動(dòng)下樁身水平位移及彎矩分布曲線。樁身水平位移為正表示樁基朝向隧道變形;樁身彎矩為正表示樁體朝向隧道彎曲?？梢钥闯?當(dāng)H/L為0.8此時(shí)樁基埋深大于隧道軸線埋深,樁身水平位移沿樁基埋深先增大后減小,最大值出現(xiàn)在隧道軸線處;樁身上部彎矩為正,下部為負(fù),且樁身最大彎矩為負(fù),位于隧道周圍。當(dāng)H/L為1.0此時(shí)樁基埋深與隧道軸線埋深相等,樁身水平位移沿樁基埋深逐漸增大,樁底出現(xiàn)最大水平位移;樁身彎矩沿樁基埋深基本先增大后減小,最大值出現(xiàn)在樁身中部。當(dāng)H/L為1.2,此時(shí)樁基埋深小于隧道軸線埋深,樁身水平位移和彎矩分布與H/L為1.0時(shí)相似。

(a)樁身水平位移對(duì)比曲線

(b)樁身彎矩對(duì)比曲線圖8 隧道軸線埋深對(duì)鄰近樁基水平位移及彎矩的影響

當(dāng)隧道軸線埋深與樁基埋深比值H/L=0.8、1.0和1.2時(shí),隧道施工地層損失擾動(dòng)下樁基最大水平位移分別為6.5mm、8.7mm和6.7mm,最大彎矩分別為51.1kN·m、59.5kN·m及46.4kN·m,即當(dāng)樁基埋深與隧道軸線埋深相等時(shí),樁身最大水平位移和彎矩值達(dá)到最大。

2.2 樁隧距離

這里研究樁隧距離對(duì)樁基變形及受力的影響,分別計(jì)算樁隧距離x=6m、9m、12m、15m和18m等五種情況下樁身水平位移與彎矩分布,對(duì)應(yīng)的樁隧距離與隧道半徑比值x/R分別為2、3、4、5和6。

圖9給出了不同樁隧距離下樁身水平位移及彎矩分布曲線?？梢钥闯?隨著樁隧距離增加樁端水平位移降低,當(dāng)樁隧距離與隧道半徑x/R≥4時(shí)樁身水平位移趨于均勻,樁身中部的樁身最大彎矩顯著降低。

(a)樁身水平位移對(duì)比曲線

(b)樁身彎矩對(duì)比曲線圖9 樁隧距離對(duì)鄰近樁基水平位移及彎矩的影響

圖10給出了不同樁隧距離下,樁基最大水平位移和最大彎矩變化曲線,當(dāng)樁隧距離與隧道半徑比值x/R=2、3、4、5、和6時(shí),隧道施工地層損失擾動(dòng)下樁基最大水平位移分別為6.4mm、4.4mm、3.0mm、3.0mm和2.9mm;最大彎矩分別為40.3kN·m、17.8kN·m、11.5kN·m、6.8kN·m和4.5kN·m?？梢钥闯?當(dāng)樁基軸線距離隧道軸線越遠(yuǎn),樁基最大位移和最大彎矩就越小,當(dāng)x/R≥4時(shí),樁隧距離對(duì)樁身水平位移和彎矩影響不大。

圖10 樁基最大水平位移及彎矩變化曲線

2.3 隧道半徑

這里研究隧道半徑對(duì)樁基變形及受力的影響,分別計(jì)算隧道半徑R=2.0m、2.5m和3.0m等三種情況下樁身水平位移與彎矩分布,對(duì)應(yīng)的隧道半徑與樁徑比值R/D分別為2.0、2.5和3.0。

圖11給出了不同隧道半徑下樁身水平位移及彎矩分布曲線?？梢钥闯?隧道半徑對(duì)樁身水平位移與彎矩的分布模式影響不大。當(dāng)隧道半徑與樁徑比值R/D=2.0、2.5和3.0時(shí),隧道施工地層損失擾動(dòng)下樁基最大水平位移分別為3.0mm、4.9mm和6.7mm;最大彎矩分別為26.1kN·m、36.8kN·m及46.4kN·m,即隨著隧道半徑增加樁身水平位移和彎矩顯著增大。這是因?yàn)樗淼腊霃降脑龃?加劇隧道施工對(duì)自由場(chǎng)土體的擾動(dòng)程度,使得樁基周圍土體水平位移增大,從而導(dǎo)致樁身水平位移與彎矩變大。

(a)樁身水平位移對(duì)比曲線

(b)樁身彎矩對(duì)比曲線圖11 隧道半徑對(duì)鄰近樁基的影響

2.4 地層損失

這里研究地層損失對(duì)樁基變形及受力的影響,分別計(jì)算地層損失ε=1.0%、1.5%、2.0%、3.0%和5.0%等五種情況下樁身水平位移與彎矩分布。

圖12給出了不同地層損失下樁身水平位移及彎矩分布曲線。可以看出,地層損失對(duì)樁身水平位移與彎矩的分布模式影響不大。當(dāng)?shù)貙訐p失ε=1.0%時(shí),隧道施工地層損失擾動(dòng)下樁基最大水平位移為6.7mm,最大彎矩為46.4kN·m;當(dāng)?shù)貙訐p失ε=5.0%時(shí),樁基最大水平位移為14.0mm,最大彎矩為114.3kN·m。即隨著地層損失的增大,樁身彎矩與樁身水平位移逐漸增大。這是因?yàn)榈貙訐p失的增大,加劇隧道施工對(duì)自由場(chǎng)土體的擾動(dòng)程度,使得樁基周圍土體水平位移增大,從而導(dǎo)致樁身水平位移與彎矩變大。

(a)樁身水平位移對(duì)比曲線

(b)樁身彎矩對(duì)比曲線圖12 地層損失對(duì)鄰近樁基水平位移及彎矩的影響

2.5 土體黏聚力

這里研究土體黏聚力對(duì)樁基變形及受力的影響,分別計(jì)算土體黏聚力c=20kN/m2、25kN/m2和30kN/m2等三種情況下樁身水平位移與彎矩分布。

圖13給出了不同土體黏聚力下樁身水平位移及彎矩分布曲線?？梢钥闯?當(dāng)土體黏聚力c=20kN/m2、25kN/m2和30kN/m2時(shí),隧道施工地層損失擾動(dòng)下樁基最大水平位移分別為6.7mm、6.9mm和7.0mm;最大彎矩分別為46.4kN·m、48.3kN·m和49.2kN·m;即土體黏聚力對(duì)樁基水平位移和彎矩影響較小。

(a)樁身水平位移對(duì)比曲線

(b)樁身彎矩對(duì)比曲線圖13 土體黏聚力對(duì)鄰近樁基水平位移及彎矩的影響

3 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有離心模型試驗(yàn),采用有限元軟件建立既有樁基鄰近隧道施工數(shù)值模型,通過(guò)與離心模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果比較驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性,在此基礎(chǔ)上研究地層損失、土體黏聚力、樁隧距離、隧道軸線埋深以及隧道半徑對(duì)隧道施工地層損失擾動(dòng)下鄰近樁基變形及受力的影響,得出以下主要結(jié)論。

(1)當(dāng)隧道軸線埋深與樁基埋深比值小于1時(shí),隧道施工地層損失引起的樁身水平位移與彎矩最大值均位于隧道軸線處;當(dāng)隧道軸線埋深與樁基埋深比值大于或等于1時(shí),樁身水平位移最大值位于樁基底部,樁身彎矩最大值位于樁基中部。

(2)隧道開挖引起的樁身水平位移受土體黏聚力影響較小,但隨隧道半徑、地層損失的增加而增大,隨樁隧距離的增大而減小;當(dāng)樁隧距離與隧道半徑比值大于4時(shí),隧道開挖對(duì)樁身水平位移影響不大。

(3)隧道開挖引起的樁身彎矩受土體黏聚力影響較小,但隨隧道半徑、地層損失的增加而增大,隨樁隧距離的增大而減小;當(dāng)樁隧距離與隧道半徑比值大于4時(shí),隧道開挖對(duì)樁身彎矩影響不大。