軟土中不同埋深地下通道開挖對(duì)鄰近樁基的影響

任　云　逯相科　秦世偉

(1.上海祥測(cè)土木工程技術(shù)有限公司，上海　200072；　2.上海大學(xué)，上海　200444)

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軟土中不同埋深地下通道開挖對(duì)鄰近樁基的影響

任云1逯相科2秦世偉2

(1.上海祥測(cè)土木工程技術(shù)有限公司，上海200072；2.上海大學(xué)，上海200444)

摘要：運(yùn)用三維快速拉格朗日分析程序FLAC3D，分析了軟土中不同埋深地下通道開挖對(duì)鄰近樁基及地表產(chǎn)生的影響，并對(duì)地下通道開挖引起的地表沉降變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)得到鄰近樁基樁頂?shù)乃轿灰坪拓Q向位移，并根據(jù)鄰近建筑物的允許變形值評(píng)估該地下通道開挖對(duì)建筑物的影響程度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和通道開挖過程中周圍土體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)可以得出，隨著地下通道埋深的增加，樁頂水平位移和沉降位移也隨之增加，且增加幅度較大。

關(guān)鍵詞：FLAC3D，地下通道，地表變形，樁頂位移，圍巖參數(shù)

0引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類面臨著人口膨脹、交通擁擠等諸多問題，基于目前的社會(huì)現(xiàn)狀，人們意識(shí)到地下空間的有效利用是緩解目前這一系列問題的有效方法，規(guī)劃了越來越多的地下工程，并且地下交通工程已經(jīng)有效的緩解了交通擁擠、安全的問題。地下交通工程的快速發(fā)展勢(shì)必會(huì)對(duì)地表建筑物及其基礎(chǔ)造成不良的影響。由于地下通道的開挖勢(shì)必會(huì)對(duì)巖土體造成擾動(dòng)，引起土體應(yīng)力重新分布，進(jìn)而引起隧道周圍地表發(fā)生變形，當(dāng)變形超過一定限度時(shí)，將會(huì)影響周圍地面建筑設(shè)施的正常運(yùn)用。地下通道通常采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。由于城市中建筑物分布密集，隨著樁基礎(chǔ)的大量運(yùn)用，當(dāng)?shù)叵峦ǖ类徑扔袠痘A(chǔ)時(shí)，其開挖勢(shì)必會(huì)對(duì)樁基造成影響。這一問題已經(jīng)引起了廣大學(xué)者的注意，并且進(jìn)行了大量的研究，O.Reilly,New[1,2]等針對(duì)不同的地層，研究了采用不同施工方法所引起的地表沉降問題。Kimura和Mair等通過離心模型試驗(yàn)對(duì)倫敦幾種地層中隧道施工所產(chǎn)生的地表沉降預(yù)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了探討。董新平、周順華、高萬(wàn)春和肖紅渠從初支接觸壓力、支護(hù)整體剛度、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、支護(hù)整體下沉等方面分析了開挖寬度對(duì)地表沉降的影響情況。張?jiān)栖姟⒃捉痃牒屯跣駯|等分析了鄰近樁基的隧道開挖對(duì)建筑物樁基的影響，并選取了不同隧道挖深，模擬開挖對(duì)鄰近建筑物樁基的影響。汪振偉等以重慶彭家花園礦山法雙連拱隧道工程為背景，在不同施工條件下，針對(duì)不同隧道斷面大小、埋深進(jìn)行回歸分析，得到了地表沉降規(guī)律并提出了礦山法施工條件下地表沉降的預(yù)測(cè)公式。Poulos和Davis采用簡(jiǎn)單的邊界元方法研究隧道開挖時(shí)樁的側(cè)向和軸向反應(yīng)。Loganathan，Poulos和Xu引入一種邊界元來研究隧道開挖對(duì)單樁和群樁的影響,研究中將樁和土均作為各向同性的線彈性體,樁土界面無相對(duì)滑動(dòng),群樁承臺(tái)是剛性的且與土體不接觸。

由于上海軟土中地下水位較高，地下通道開挖引起鄰近樁基側(cè)壁和端部土體的位移變形以及孔隙水壓力的消散，會(huì)對(duì)基樁承載力和樁底位移產(chǎn)生一定的影響。土體位移變形和孔隙水壓力的消散程度越大，則對(duì)樁基的承載力影響也越大。本文運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)軟土中不同埋深地下通道開挖引起的地表變形和鄰近基樁樁頂水平位移和豎直位移進(jìn)行了模擬計(jì)算，以便評(píng)估開挖對(duì)鄰近建筑物的影響。

1工程概況

外灘隧道(Bund Tunnel)，是位于上海外灘地下的城市快速路。通道斷面形式為圓形，直徑6 m，地下水位位于地表以下1 m。隧道采用新奧法中的上下臺(tái)階法進(jìn)行施工，施工流程為：先開挖隧道上半部分，隨后進(jìn)行支護(hù)襯砌；再開挖下半部分，隨即支護(hù)襯砌。每次向前開挖5 m，直到將該通道施工完畢。鄰近樁基為長(zhǎng)20 m的鉆孔灌注樁，樁徑600 mm，樁身軸心距離通道邊緣7 m(見圖1)。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢鴻給,羅宇生,涂光址.濕陷性黃土地基.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1985.

[2]王國(guó)強(qiáng),劉宏杰，吳道祥.黃土的工程地質(zhì)特性研究.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,5(1):1-4.

[3]劉祖典.黃土力學(xué)與工程.西安：陜西科學(xué)教育出版社,1997.

[4]趙枯茂.黃土地基濕陷事故分析.山西建筑，2003，29(17)：30-31.

[5]關(guān)文章.濕陷性黃土工程性能新篇.西安:西安交通大學(xué)出版社,1992：6.

[6]涂光扯.濕陷性黃土的起始含水率.工程勘察，1987(3)：89.

[7]張?jiān)?論黃土的濕陷敏感性.巖土工程學(xué)報(bào)，1996,18(5):79-83.

2數(shù)值模擬

2.1模型幾何尺寸

地下通道模型采用直徑6 m，長(zhǎng)度30 m的圓形斷面實(shí)體單元模擬。通道頂部到地面的距離h根據(jù)需要分別取1 m，2 m，3 m，4 m，5 m。鄰近樁基礎(chǔ)采用FLAC3D中的樁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，每個(gè)樁單元分為五段六節(jié)點(diǎn)，樁長(zhǎng)為20 m，樁徑0.6 m，樁身軸線到通道側(cè)邊緣的距離為7 m，即通道中心到樁身軸線的距離為10 m。采用位移邊界條件，側(cè)面限制水平位移，底部限制豎直位移，模型上表面取為自由邊界，模型尺寸為30 m×40 m×30 m(見圖2)。

地下通道采用上下兩臺(tái)階法[10,11]進(jìn)行開挖，通道周圍建立厚度為50 cm的圍巖圈作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過采用提高襯砌部位巖體參數(shù)的方法[12]來模擬襯砌和支護(hù)的力學(xué)性能參數(shù)。

2.2土層參數(shù)

為更好地模擬施工的影響，使用與原狀土相同的土層參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，巖體參數(shù)見表1。

選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[13]，Mohr-Coulomb模型用到的是土體的體積模量和切變模量，所以需要將巖體壓縮模量轉(zhuǎn)為彈性體積模量K和切變模量G，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：E——楊氏模量;

ν——泊松比，取0.5。

2.3地下通道開挖順序

施工流程為：先開挖隧道上半部分，隨后進(jìn)行支護(hù)襯砌；再開挖下半部分，隨即支護(hù)襯砌。每次向前開挖5 m，直到將該通道施工完畢。

地下通道斷面和開挖順序如圖3所示。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1不同埋深地下通道開挖引起的地表變形

依據(jù)所選的模型以及勘測(cè)的巖體參數(shù)，分析地下通道在不同深度開挖時(shí)的地表橫向斷面的沉降，并對(duì)地表沉降位移記錄，觀測(cè)記錄點(diǎn)為垂直于通道中心線的一條直線，直線上每隔5 m布置一觀測(cè)點(diǎn)，總共9個(gè)(見圖2)。各個(gè)埋深開挖對(duì)應(yīng)的地表沉降變形如圖4所示。

3.2不同埋深地下通道開挖引起樁頂?shù)某两?/p>

通過對(duì)上述不同埋深的地下通道進(jìn)行開挖，記錄各樁頂?shù)某两滴灰疲渲杏^測(cè)記錄點(diǎn)為三根樁樁樁頂軸心對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。各個(gè)埋深開挖對(duì)應(yīng)的樁頂沉降位移如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可以看到，三根樁均表現(xiàn)為隨著通道埋深的增加，樁頂豎直位移也增加，且當(dāng)通道埋深增加4 m時(shí)，相應(yīng)樁頂沉降增加了將近3倍。

在地下通道開挖過程中，通道斷面的收縮變形，導(dǎo)致了通道周圍土體向開挖空間運(yùn)動(dòng)，從而引起地表沉降[14,15]。隨著通道開挖深度的增加，通道斷面上應(yīng)力也相應(yīng)增加，通道斷面收縮量變大，地表沉降增加。此外由于軟土地區(qū)，地下水位較高，通道的開挖勢(shì)必會(huì)引起地下水位的變化，隨著通道開挖的進(jìn)行，地下水朝著開挖空間運(yùn)動(dòng)，由此也帶來的地表的部分沉降。

通道開挖引起鄰近樁基樁側(cè)土體下沉，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力減小，于是樁在上部不變的荷載作用下發(fā)生沉降。由計(jì)算和分析可知，隨著通道開挖深度越深，樁側(cè)土體沉降量越大，樁側(cè)摩阻力減小就越多，因此，通道開挖深度增加，樁頂豎直位移也增加。

3.3不同埋深地下通道開挖引起樁頂?shù)乃轿灰?/p>

《危險(xiǎn)房屋檢定標(biāo)準(zhǔn)》[17]中明確規(guī)定，當(dāng)?shù)鼗环€(wěn)定產(chǎn)生滑移，水平位移量大于10 mm,并對(duì)上部結(jié)構(gòu)有顯著影響，且仍具有滑移跡象，則應(yīng)評(píng)定該房屋為危險(xiǎn)狀態(tài)。樁基礎(chǔ)頂部產(chǎn)生水平位移時(shí)，樁身下部由于土的約束作用，相對(duì)較穩(wěn)定，這樣勢(shì)必造成樁身傾斜和彎曲，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致破壞。

由此可見，樁頂水平位移在開挖過程中應(yīng)引起足夠的重視。本文中為了檢測(cè)樁頂水平位移，在不同埋深地下通道進(jìn)行開挖的過程中，記錄了各樁頂?shù)乃轿灰疲^測(cè)記錄點(diǎn)取為三根樁樁頂軸心對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。各個(gè)埋深開挖對(duì)應(yīng)的各樁頂水平位移如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可以看到隨著地下通道開挖深度的增加，樁頂水平位移也相應(yīng)增加，當(dāng)通道埋深增加4 m時(shí)，相應(yīng)的水平位移增加2倍多。

通道開挖過程中，開挖斷面在圍巖應(yīng)力作用下收縮變形，從而導(dǎo)致了周圍土體向開挖部分運(yùn)動(dòng)(見圖11)，這樣一來則帶動(dòng)了臨近樁基向通道方向發(fā)生水平位移。當(dāng)通道埋深增加時(shí)，上部土體運(yùn)動(dòng)越劇烈，從而導(dǎo)致了樁頂水平位移也隨之增加。

4結(jié)語(yǔ)

通過上述計(jì)算與分析可知，隨著地下通道開挖深度的增加，地表沉降和樁頂?shù)奈灰埔蚕鄳?yīng)增加。在埋深增加4 m的時(shí)候，相應(yīng)的沉降位移增加將近3倍，水平位移增加將近2倍。而且土質(zhì)越軟地下水位越高，由于開挖引起地下水的流動(dòng)與土體中孔隙水壓力的消散，導(dǎo)致土體的變形加劇，從而引起樁基更大的沉降和水平位移。因此在實(shí)際的地下通道工程中，為了盡量減少對(duì)鄰近建筑物的影響，我們應(yīng)該合理的選擇通道的埋深和施工方法，以避免造成對(duì)周圍環(huán)境的破壞。

[1]M.P.O.Reilly,B.M New.Settlements above tunnels in the UK their magnitude and prediction.Tunnelling,1982(82):173-181.

[2]Barry M.New,M.P.O.Reilly.Tunneling induced ground movement:predicting the magnitude and effects.in:James D Geddes eds.,Proc.4th International Conference on Ground Movements and Structures,Pentech Press,London,1992:671-697.

[3]T.Kimura,R.J.Mair.Centrifugal testing of model tunnels in soft clay.Proc.of Int.Conf.Soil Mechanics & Foundation Engineering,Stockholm,Balkema,1981.

[4]董新平，周順華，高萬(wàn)春，等.隧道開挖寬度對(duì)地表沉降的影響.地下空間,2005,25(3):144.

[5]張?jiān)栖?宰金珉,王旭東,等.隧道開挖對(duì)臨近樁基影響的二維數(shù)值分析.地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(6):2-7.

[6]汪振偉，付剛.城市連拱隧道施工地表沉降分析及預(yù)測(cè)研究.巖土力學(xué),2009,30(S1):418-421.

[7]Poulos,H.G.,Davis,E.H..Pile foundation analysis and design.Wiley,NewYork，2010.

[8]Loganathan,N,Poulos,H.G,Xu,K.J.Groundand Pile-ground respond due to tunneling.Soil and Foundations,2010,41(1):57-67.

[9]Loganathan N,Poulos H G,Stewart D P.Centrifuge model testing of tunneling-induced ground and pile deformations.Geotechnique,2000,50(3):283-294.

[10]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例.北京:中國(guó)水利水電出版社,2011.

[11]王夢(mèng)茹.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論.合肥:安徽教育出版社,2004.

[12]陽(yáng)軍生,劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動(dòng)及變形.北京:中國(guó)鐵道出版社,2002.

[13]蔡小林,趙德安.隧道計(jì)算中提高圍巖參數(shù)模擬錨桿作用的探討.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(1):95-114.

[14]彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[15]喬世范,殷建華,劉寶琛.圓形斷面隧道開挖引起的地表及巖土體的位移和變形計(jì)算研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(S2):33-34.

[16]姜忻良,趙志明,李園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態(tài)的分析與計(jì)算.巖土力學(xué),2004,25(10):57-61.

[17]JGJ 125—99，危險(xiǎn)房屋檢定標(biāo)準(zhǔn).

Influence of pile foundation induced by adjacent underpass excavation in soft soil

Ren Yun1Lu Xiangke2Qin Shiwei2

(1.ShanghaiXiangceCivilEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200072,China;2.ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China)

Abstract: With numerical code FLAC3D, influence of pile foundation induced by adjacent underpass excavation in soft soil was researched. At the same time, surface deformation, by numerical code result, vertical and horizontal displacement of pile top were found. The impact of the underpass excavation will be estimated according to the allowable deformation of adjacent building. According the result and the moving current of soil beside underpass, we can see that vertical and horizontal displacement of pile top will enhance, if the depth of underpass increasing, and the volume extent is greater.

Key words: FLAC3D, underpass, surface deformation, displacement at pile top, geotechnical parameter

Analysis of soil deformation and destruction of a buiding foundation loess area★

Yang XuZhen PingfuLiu KuiChen Donggui

(ElectionicComprehensiveSurveyInstititeoftheMinistryIndustry,Xi’an710054,China)

Key words:loess， deformation and destruction， moisture content， compressibility, collapsibility

Abstract:In Xi’an around a disease project as an example, through field drilling, investigation and indoor test analysis, from the foundation soil moisture content, compressibility, collapsibility and so on, briefly analyzes the causes of damage to building deformation, on the basis of the collapsible loess region disease control measures are put forward.

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0057-03

收稿日期：2016-03-06

作者簡(jiǎn)介：任云(1979- )，女，工程師；逯相科(1989- )，男，在讀碩士；秦世偉(1973- )，男，博士，講師

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A