隧道開挖對不同承臺型式鄰近群樁基礎(chǔ)的影響分析

李 佳，吳招鋒

(南昌軌道交通集團(tuán)有限公司)

1 群樁基礎(chǔ)的不同承臺型式分析

群樁基礎(chǔ)根據(jù)其承臺與周邊巖土的接觸形式，可以分為四種類型:(1)高于地表同時與地表未接觸的高承臺樁基礎(chǔ)常見的這類承臺基礎(chǔ)有橋梁樁基、海上石油平臺等;(2)群樁全部埋入土體中，承臺高于地表并且與地表相互接觸的群樁基礎(chǔ)，常見這類中高層建筑的群樁基礎(chǔ);(3)群樁柱體全部埋入土體，承臺除頂面以外均與土體接觸的群樁基礎(chǔ)，常見這類樁基礎(chǔ)有中高層建筑的樁箱基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)。(無承臺群樁基礎(chǔ)模型，建立此圖是為了對比盾構(gòu)隧道開挖給不同承臺型式群樁基礎(chǔ)所造成的附加影響。對群樁基礎(chǔ)中每一根基樁都需進(jìn)行編號，以方便計算成果對比與分析。

2 計算方案設(shè)計與有限元模型

取上述所提到的四種類型的群樁基礎(chǔ)形式分別作為計算方案一、方案二、方案三與方案四。根據(jù)四種類型群樁基礎(chǔ)形式示意圖建立計算簡圖和有限元模型同時進(jìn)行計算。這些數(shù)值模擬的結(jié)果主要是利用枯體附加內(nèi)力、鄰近地表沉降、樁體附加位移來對比盾構(gòu)隧道幵挖對這些群樁基礎(chǔ)的影響規(guī)律，其中樁體附加位移主要包括橫向附加位移、縱向附加位移、豎向附加位移，枯體附加內(nèi)力主要包括橫向附加剪力、縱向附加剪力、豎向附加軸力、橫向附加彎矩、縱向附加彎矩。

許多研究結(jié)果表明，隧道直徑的3 倍是土體受到隧道開挖的影響的一個關(guān)鍵數(shù)值點(diǎn)，隧道直徑3 倍以內(nèi)，影響較為明顯，而在3 倍隧道直徑以外，土體受到的影響較少，甚至可忽略;同時有些學(xué)者為采用離心試驗(yàn)來研究此影響，其結(jié)果表明樁與隧道掌子面的距離在隧道直徑一倍范圍內(nèi)時，樁體則會出現(xiàn)很大的附加沉降。

根據(jù)土體的受力特點(diǎn)，選用合適的材料屬性，使土體材料能夠符合DP 準(zhǔn)則，以建立理想的彈塑性數(shù)值計算模型;模型中的邊界條件是利用底部位移的全部約束，隧道開挖的路線方向?yàn)閮蓚€橫斷面約束Uz 方向位移，其法線方向則是兩側(cè)約束Ux 和Uz 方向的位移。數(shù)值計算模型采用的是八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，模型最多能夠創(chuàng)建24 348 個單元，如圖1 所示。

3 隧道開挖引起鄰近群樁基礎(chǔ)地表沉降規(guī)律

本文針對于上述提到的四種群樁基礎(chǔ)形式，研究盾構(gòu)隧道開挖引起群樁基礎(chǔ)正交隧道軸線的中心截面地表沉降規(guī)律，四種計算方案的結(jié)果如圖3 所示。

圖2 可以看出，Peck 等研究隨道幵挖引起的地表沉降規(guī)律與圖2 中的地表沉降曲線較為貼合，但也有明顯的差異性。這體現(xiàn)在于隧道中心線右側(cè)沉降槽的面積要遠(yuǎn)大于地表沉降槽隧道中心線左側(cè)的面積，盾構(gòu)隧道開挖的影響區(qū)域中，對線路中心右側(cè)的影響區(qū)域要遠(yuǎn)小于左側(cè)。

圖1 數(shù)值計算模型單元劃分

其原因在于樁基礎(chǔ)出現(xiàn)在隧道一側(cè)，使得對該側(cè)的土體能夠起到“加筋”的作用，使土體的整體剛度提高了。其次，方案一、二、四地表沉降槽橫斷面面積的計算結(jié)果大于方案三(柱箱群柱基礎(chǔ)模型)，這可能是因?yàn)榉桨溉械臉断浠A(chǔ)下的整體剛度較大，同時樁箱基礎(chǔ)的承臺四周均與土體接觸，使其四周與土體間相互約束聯(lián)系，從而產(chǎn)生的地表沉降較小。

圖2 地表沉降計算結(jié)果

4 盾構(gòu)隧道開挖引起不同承臺型式鄰近群樁基礎(chǔ)影響分析

4.1 被體附加位移的方向規(guī)定

盾構(gòu)隧道開挖對不同承臺型式鄰近群樁基礎(chǔ)所產(chǎn)生的附加位移主要為三種，即縱向附加位移、豎向附加位移、橫向附加位移?？v向附加位移方向?yàn)樗淼篱_挖的方向，其數(shù)值的正值表示樁體與隧道開挖的方向相同，負(fù)值則方向相反;豎向附加位移方向?yàn)橹亓Ψ较颍鋽?shù)值的負(fù)值表示樁體的位移與重力方向相同，正值則表示其方向相反;橫向附加位移的方向?yàn)樗淼篱_挖的垂直方向，其數(shù)值的正值表示樁體的橫向位移與隧道方向想背離，負(fù)值表示其位移方向與之一致。

4.2 不同承臺型式鄰近群抽基礎(chǔ)基枯附加位移

(1)不同承臺型式群樁基礎(chǔ)的基樁的橫向附加位移

在橫向位移的規(guī)律方面，不同承臺型式鄰近群樁基礎(chǔ)基樁的位移規(guī)律基本相同，其規(guī)律都表現(xiàn)為遠(yuǎn)樁位移要小于近樁位移;上述的四種形式鄰近群樁基礎(chǔ)的基柱橫向變形表現(xiàn)為:下半部位移方向要遠(yuǎn)離隧道一側(cè)，而上半部分與之相反，位移方向傾向隧道一側(cè)。

通過對比上述幾種鄰近群樁基礎(chǔ)的基樁橫向附加位移計算結(jié)果，能夠看出:由于承臺的存在，在基樁頂部附近較小深度內(nèi)(樁頂下3 m 以上)，近樁和遠(yuǎn)樁的橫向位移存在一定的差異，對大部分樁體的橫向位移來說，影響并不大;在基樁底端3 m 深度范圍內(nèi)，方案三(樁箱基礎(chǔ)模型)與其他三種方案在橫向位移方面相比較，其橫向位移比其他三種方案簡化的群樁基礎(chǔ)模型樁體的橫向附加位移更小。

(2)不同承臺型式群樁基礎(chǔ)的基樁的豎向附加位移

通過對比上述幾種鄰近群樁基礎(chǔ)的基樁豎向附加位移計算結(jié)果，能夠看出:四種類型的群樁基礎(chǔ)基柱的附加沉降(附加豎向位移)規(guī)律基本相同，規(guī)律均為遠(yuǎn)樁要小于近樁;

與方案三的附加沉降相比較，方案一、方案二與方案四的附加沉降(附加豎向位移)要比其大了約40%;四個方案的近樁和遠(yuǎn)樁的沉降差中，方案三的沉降差最小，方案四的沉降差最大，方案一、二(高、低承臺群樁基礎(chǔ))的沉降差居中。從上述結(jié)果可以看出，在分析隧道開挖對建筑物群樁基礎(chǔ)基樁豎向沉降影響時，為獲得更為精確的成果，需要根據(jù)建筑物的群樁基礎(chǔ)承臺型式而給予合理的簡化。

從各類群樁基礎(chǔ)基樁的豎向附加位移計算結(jié)果可以看出:就近樁而言，方案三(樁箱基礎(chǔ)模型)近樁在豎向位移方面，其沉降要遠(yuǎn)小于方案一、二、四;而對群樁基礎(chǔ)基樁的遠(yuǎn)樁附加沉降而言，方案四(無承臺群樁模型)的附加沉降介于方案一、二、三之間;幾種類型的群樁基礎(chǔ)的基樁的附加沉降沿樁身變化規(guī)律基本類似。

(3)不同承臺型式群樁基礎(chǔ)的基樁的縱向附加位移

通過對比上述幾種鄰近群樁基礎(chǔ)的基樁縱向附加位移計算結(jié)果，能夠看出:在簡化計算模型的情況下，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向與群樁基礎(chǔ)的基柱的縱向附加位移方向是相同的，但也表現(xiàn)出一個規(guī)律，即遠(yuǎn)樁大于近樁;方案四的簡化計算模型的計算結(jié)果與其他三種簡化計算模型的結(jié)果相比較，基樁樁體在樁頂下6 m 披長范圍內(nèi)位移規(guī)律的差異性較大;四類群樁基礎(chǔ)簡化計算模型在樁體的橫向附加位移方面，其數(shù)值的大小差距并不大。

從四種方案的縱向附加位移計算結(jié)果對比中能夠看出:隧道開挖對鄰近不同承臺型式群樁基礎(chǔ)的影響中，對其樁基的變形規(guī)律是基本一致的，這四種方案的計算結(jié)果只在基樁的樁頭和樁底位置的縱向附加位移有少許差異。

5 結(jié)束語

本文針對于群樁基礎(chǔ)不同的承臺埋置型式，分析了盾構(gòu)隧道開挖對鄰近不同承臺型式建筑群樁基礎(chǔ)的影響，盾構(gòu)隧道開挖對有承臺群樁基礎(chǔ)與無承臺群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的橫向附加位移并無很大差異，但在樁底部3 m 范圍內(nèi)，柱箱群樁基礎(chǔ)所產(chǎn)生的附加位移最小;在盾構(gòu)隧道開挖引起的群樁基礎(chǔ)的豎向附加位移(基樁沉降)中，對柱箱群樁基礎(chǔ)所產(chǎn)生的位移最小;盾構(gòu)隧道開挖引起的群樁基礎(chǔ)的縱向附加位移方面，在樁上部4 m 范圍內(nèi)，無承臺群樁基礎(chǔ)基樁與其他承臺形式相比較，具有明顯差異性。

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［3］魏綱.盾構(gòu)施工中土體損失引起的地面沉降預(yù)測［J］.巖土力學(xué)，2007，28(11):2375－2379.