数字分析盾构施工对邻近桩基的影响外文翻译资料

 2022-08-08 16:22:26

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数字分析盾构施工对邻近桩基的影响

摘要：通过使用有限元软件MIDAS或GTS制作一个盾构法施工隧道穿过邻近桥墩的数字模拟，分析单桩或群桩的变形特征。结果显示在隧道施工中短桩的主要变形形式是倾斜，长桩的主要变形形式是弯曲。单桩距隧道越远，桩基的轴力和弯矩越小。前排桩的变形和应力比后排桩的更大，同一排桩的水平位移、轴力和弯矩的分配完全相同。同一位置群桩的水平位移略大于单桩，群桩的沉降略小于单桩。

关键字：盾构隧道，MIDAS/GTS，地层位移，桩的变形，数字分析

  1. 介绍

盾构法作为隧道施工中常用的一种方法，虽已取得了很大的进步，但仍存在引起地层位移和地面沉降的问题。由于地铁项目位于较多建筑物的地段，很多建筑物都是桩基础形式，有时盾构隧道会穿过邻近的桩基础，盾构施工肯定会影响桩基础的内力和变形，会对上部结构的稳定性和安全性造成一定负面影响。因此，为了保护上部结构，确保隧道施工顺利进行，本研究旨在揭示隧道开挖对邻近桩基的影响，从而使我们认识到这种施工方法的严重的现实意义。Chen L T、Poulos G 和 Loganathan (1999) 基于两阶段法对桩的变形进行了分析。Loganathan(2000)利用离心实验模拟了隧道开挖对邻近桩基础的影响。Zhu Fengbin(2008)将盾构法引起的桩身变形数值模拟结果与离心实验结果进行对比。Ding (2014)通过有限元分析了隧道施工对地下管道的影响。Yuan haiping 和 Zhu dayong（2014）基于桥梁-桩结构耦合弹簧的力学原理，采用有限差分法，对盾构推进过程中不同工况下桩的应力、水平变形和地基沉降进行了分析。本文以合肥地铁1号线盾构穿越建筑地基为例，采用有限元软件MIDAS / GTS模拟盾构穿越桩基的作用效果。

  1. 盾构掘进对单桩影响的数值分析

本文采用MIDAS / GTS对隧道单桩变形进行了分析，并与两阶段法进行了对比。

2.1单桩数值模型及相关参数

盾构隧道外径6.0m，衬砌厚度0.3m，注浆厚度0.15m，埋深18m。考虑到盾构掘进可能影响的区域，选取25m作为左右边界，从隧道中心到模型底部的距离为19m。最终模型的宽度为50m，高度为50m，长度为45m。为便于模拟计算，各隧道开挖纵向长度为1.5m。土分为四层，其本构模型为Mohr- coulomb材料的物理力学参数如表1所示。

表格1 材料的物理力学参数

材料

重度(KN/m3)

弹性系数(MPa)

泊松比

内聚力(Kpa)

摩擦角(°)

杂填土

16.5

9.2

0.43

14

19.4

塑性粘土

19.1

17.9

0.35

15

38

硬塑性粘土

19.7

24.8

0.33

15

42

基岩

27

450

0.21

35

56

灌浆材料

20

100

0.3

291

30

衬砌块

25

30000

0.2

桩及承台

26.2

35000

0.1
    1. 单桩位移数值分析结果

数值分析改变了桩的长度和位置，以研究隧道开挖引起的桩的特性。

  1. 不同长度单桩竖向位移分析

在盾构隧道右侧设置不同长度的桩，保持水平一致，桩与隧道的间距为5m。如图1所示，当桩长为15 m时，桩身竖向位移变化不大，其值约为5.5 mm。其原因是桩身轴向刚度远大于土体，盾构施工引起的桩身压缩变形很小，使整个桩身具有一致的沉降趋势。当桩长超过19m时，桩底低于盾构隧道埋设深度，桩底周围地层沉降较小。因此，随着桩长增加，桩身竖向位移减小。

此外，如图1所示，两阶段法分析的单桩竖向位移大于MIDAS/GTS的计算结果，但变化趋势相同。这是因为在两阶段的计算过程中，没有考虑桩与周围地层的相互作用。[10 - 12]

  1. 不同位置单桩竖向位移分析

本文模拟了盾构施工过程中不同位置桩的竖向位移变化。如图2所示，最大竖向位移位于桩顶，随着桩深的增加，竖向位移略有减小。此外，桩与盾构的距离越小，桩的竖向位移越大。如图所示，在盾构到达桩底之前，桩的竖向位移增大，与盾构的距离减小，最大值出现在盾构离开时。之后，随着地层逐渐恢复平衡，桩身竖向位移略有减小。

  1. 单桩不同桩长水平位移分析

如图3所示，当桩长达到15 m时，桩身上部向隧道方向倾斜，桩底偏离隧道方向，桩身变形形式主要为倾斜。当桩长超过19m时，从图中可以看出，桩的水平位移曲线出现了两个转折点，桩身弯曲变形更加明显。参考[13]认为，出现上述现象的原因是:随着桩长增加，逐渐脱离了隧道开挖的影响范围。此外，其长细比也增大，使桩身发生明显的弯曲。

  1. 不同位置单桩水平位移分析

盾构施工过程中不同位置桩的水平位移变化如图4所示。结果表明，桩的水平位移与桩距隧道中心的距离成反比。桩的弯曲变形随着桩与盾构距离的增大而减小，桩身水平位移的变化趋势与上述一致。

图1 不同长度桩的竖向位移

图2 不同位置桩的竖向位移

图3 不同长度桩的水平位移

图4 不同位置桩的水平位移

2.3单桩附加轴力数值模拟结果

(1) 不同长度单桩附加轴力分析

如图5所示，当桩长达到15 m时，除了桩顶出现少量的轴向拉力外，其余部分的桩身应力均施加轴向压力。当桩长超过19米时。由图可知，桩身附加轴力主要为轴向压力。此外，桩身上部附加轴向压力随桩身深度的增大而增大，桩身下部附加轴向压力随桩身埋入深度的增大而减小。其原因是当桩体较长时，桩上部周围地层有较大的沉降，桩体与桩体之间的相对位移对桩面产生负摩阻力，使桩身轴力增大。当桩身沉降与周围地层沉降相等时，桩身轴力最大。避免使用脚注。

此外，如图5所示，MIDAS/GTS计算的桩身附加轴力变化趋势与两阶段法相似，但两阶段法的结果更大。两种方法计算的最大桩轴压力均发生在隧道埋深附近。这些变化的原因如上所述。

(2)不同位置单桩附加轴力分析

图6为盾构施工过程中不同位置桩身附加轴力的变化情况。结果表明，随着桩与隧道之间距离的增大，隧道开挖对桩身的影响减小，桩身附加轴力较小。这些变化的原因如上所述。

图5 不同长度桩的附加轴力

图6 不同位置桩的附加轴力

2.4单桩附加弯矩数值模拟结果

如图7所示，不同长度的桩布置在盾构隧道右侧，桩与隧道之间的间距为5m。随着桩身埋设深度的增加，隧道开挖引起的桩身上部附加弯矩变化不大。当桩的埋深接近隧道时，桩的附加弯矩突然增大。随后，随着桩身埋深的不断增大，桩身附加弯矩开始减小。由图7可知，桩的最大弯矩随着桩长值的增大而增大。从图7还可以看出，最大弯矩发生在隧道埋深附近，这是因为桩的附加弯矩与桩的水平位移有关。

当桩身长度相等时，如图8所示，桩身附加弯矩与桩身到隧道中心的距离成反比，其取值为119.3KN·m，桩身到隧道中心的水平距离为11m。

图7 不同长度桩的弯矩

图8 不同位置桩的弯矩

  1. 盾构施工对群桩影响的数值分析

本研究以合肥市地铁1号线盾构施工为背景，利用MIDAS/GTS分析盾构施工引起的单桩和群桩变形特征。

3.1 群桩的数值模型及相关参数

模型的尺寸和材料的物理力学参数如上所述。群桩与隧道平面位置关系如图9所示。

图9 群桩和隧道的平面位置关系

    1. 群桩竖向位移分析

如图10所示，前排桩的竖向位移大于后排桩。发生上述现象的原因有二:一是前排桩距隧道中心最近，因此该区域的地层沉降较大。其次，前排桩对绿地土位移有屏蔽作用。最后，使前排桩的竖向位移小于后排桩。

另外，如图10所示，各桩沿桩身的竖向位移基本保持不变，其原因是桩身轴向刚度远大于土体。由于群桩对桩周土体刚度的贡献大于单桩，使得前排桩的竖向位移大于后排桩。

    1. 群桩水平位移分析

由图10可知，与后排桩相比，前排桩的水平位移变化规律差异不大。桩的上部向隧道方向倾斜，而桩的底部偏离隧道方向，最大水平位移发生在隧道埋深附近。造成这种现象的原因已经在上面提到过了。

此外，同排桩的水平位移基本相同，但前排桩的水平位移大于后排桩。这是因为隧道的中心靠近排桩，所以盾构施工引起的地层水平位移对排桩影响很大。此外，同排桩的水平位移基本相同，但前排桩的水平位移大于后排桩。这是因为隧道的中心靠近排桩，所以盾构施工引起的地层水平位移对排桩影响很大。与同位置单桩相比差异不大，但群桩的最大水平位移超过同位置单桩。

    1. 群桩附加轴力分析

如图10所示，群桩附加轴力主要为轴向压力。桩身上部附加轴力与桩身埋设深度成正比，桩身下部附加轴力与桩身埋设深度成反比。最大附加轴力发生在隧道埋深附近，其原因已在上文中提到。

此外，从图10可以看出，同排桩的附加轴力基本是假定的。与同一位置的单桩相比，群桩的最大附加轴力较大，但变化趋势相同。

    1. 群桩附加弯矩分析

如图10所示，前排桩的附加弯矩变化规律与后排桩变化规律差异不大，最大附加轴力发生在隧道埋深附近。这是因为桩的附加弯矩与桩的水平位移有关，这一结论与单桩的情况是一致的。此外，前排桩的附加弯矩比后排桩的附加弯矩大，且同排桩的弯矩分布基本一致。

与同位置单桩相比，群桩上部的弯曲变形更为明显，而群桩下部的弯曲变形更接近同位置单桩。

图10 群桩的受力特征

  1. 结论

在隧道施工过程中，短桩的主要变形形式是倾斜变形。对于长桩，弯曲是主要形式。桩长对桩身变形的影响较为明显，特别是桩端处于隧道埋深以下时。单桩与隧道的距离越远，单桩的最大轴力和最大弯矩越小。当两者之间的距离达到一定程度(本文为12m)时，可以忽略桩身轴力和弯矩。前排桩的变形和内力均大于后排桩。同排桩的水平位移、轴力和弯矩的变化基本相同。同一位置群桩的水平位移略大于单桩，群桩的沉降略小于单桩。群桩的最大弯矩与同一位置单桩的最大弯矩基本相同，群桩的最大轴力略小。

感谢

本项目11472005由中国国家自然科学基金会和安徽省科学技术研究项目基金支持，批准号（1501041133）。

参考文献

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