摘要：通过离心模型试验，从不同角度研究隧道开挖对邻近桩基的影响。进行的离心模型试验结果显示：隧道开挖将使得群桩产生附加弯矩及附加沉降，且隧道与桩端相对位置对群桩的附加弯矩及附加沉降的影响较大；采用有限元方法研究不同埋深隧道开挖对群桩的荷载传播机理，结果显示：当隧道覆土厚度与隧道直径之比(C/D)为1.5时，隧道开挖所致群桩的弯矩最大；当C/D为3.5时，隧道开挖所致前桩与后桩之间土体的荷载重分布和承台倾斜量达到最大值。
关键词：双隧道；群桩，DCM；离心模型试验
随着地下空间开发利用的不断发展，地铁已成为缓解城市交通压力的重要手段。然而地铁隧道的施工将不可避免会扰动周围土体，使得临近桩基产生过大的附加沉降、附加弯矩和附加轴力，从而对临近隧道桩基承载性能产生不利影响，甚至影响其正常使用，这也给岩土工作者提出了新的挑战。
1 离心模型试验及数值模拟
开展两组离心模型试验，即工况FF、TT；为增加研究工况，在离心模型的基础上对工况MM、BB进行了拓展模拟。
1.1 离心模型试验
本次试验在香港科技大学土工离心实验中心完成。试验离心加速度为40g。图1(a)所示为试验FF的正立面图，隧道直径为152 mm，隧道上覆土厚度与隧道直径之比C/D=2.5。除了隧道上覆土厚度与隧道直径之比为C/D=3.0以外，其他条件与试验FF相同。试验中群桩采用“wished-in-place”进行模拟，即
不考虑桩基施工的影响，相当于实际工程中的钻孔灌注桩。
1.2 三维有限元数值模拟
采用ABAQUS有限元软件进一步对不同埋置深度隧道开挖对邻近群桩的影响进行了分析，首先采用位移控制有限元法(DCM)对试验FF、TT进行有限元分析，在此基础上拓展模拟工况MM、BB。
1.3位移控制有限元法(DCM)
本文数值模拟均采用基于地层损失比的位移控制有限元方法(DCM) 进行模拟。该方法与隧道开挖离心模型试验一样，忽略具体隧道施工过程的影响，但可以准确地模拟任意给定的地层损失比。以直径(2R+g)为隧道开挖尺寸建立有限元模型。本文所采用的隧道断面的位移模式。编写 ABAQUS 有限元子程序DISP，在隧道边界上施加上述位移以模拟隧道的施工过程。
1.4模型网格和边界条件
有限元模型网格及边界条件为尽量减小边界效应对土体变形及群桩内力的影响，模型长度方向设置为 7.5D，模型高为5.8D，宽度为 2.5D，隧道分 5 步开挖，即每步开挖长度为 0.5D。土体及群桩部件均用八节点实体单元(C3D8)进行模拟，其中土体由 26 987 个单元和30 208 个节点组成，群桩由 1 364 个单元和 2 070个节点组成。
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模型中左右两侧均采用水平铰支座以控制模型水平方向的位移，底部采用固定支座以控制模型底部三个方向的位移。模型四周均采用水平铰支座以控制模型侧移。
1.5土体本构模型及其参数
土体本构模型均采用修正剑桥模型(MCC)。MCC 模型是采用等向硬化的相关联流动法则建立的一种弹塑性本构模型，较适用于描述正常固结及弱超固结粘土的应力应变关系。本文土体 MCC 模型参数均选用上海地区土层参数。
2结果分析
以下结果没有特殊说明均为离心模型试验对应原型尺寸结果。
2.1 群桩轴向承载能力确定
本文采用IMMMFE提出的极限承载力判断准则(沉降值为0.1倍桩径d p )和Ng等提出的关于大直径(d p ＞0.8 m)单桩的极限承载力判断准则来确定群桩的极限承载能力。
本次离心试验中工作荷载1 500 kN(相当于原型中的2.4 MN)，远小于Ng等和IMMMFE提出的判别准则得到的极限承载力，所以离心模型试验在此工作荷载下处于安全稳定状态。
2.2 工后群桩承载能力
MM、BB工况下，双隧道开挖完成后，群桩的承载性能较无开挖影响时有所下降，但FF、TT工况下双隧道开挖完成后，群桩的承载性能明显提高。影响群桩承载性能的因素主要有两个方面：隧道开挖导致土体应力释放对MM、BB工况下，因隧道周围加固土体位于桩身中部与桩端底部，其加固效应对群桩承载性能的有利作用无法抵消因土体应力释放对群桩承载性能的负面影响。而FF、TT工况下，因在有限元模拟中隧道开挖完成后，位移边界条件仍存在，也即相当于对桩端附近隧道周围土体进行了加固，其加固效应对群桩承载性能的有利作用远大于因土体应力释放对群桩承载性能的负面影响。
2.3 桩顶沉降
可以看出：在工况FF、TT下，DCM法计算所得桩顶沉降规律能很好地与试验数据吻合；在工况FF、TT、BB中，桩顶沉降增量随隧道开挖面距测量截面的距离的减小而增大，当 y/D 位于-0.25～0.25范围内时表现最为明显，随着隧道开挖面远离测量截面，桩顶沉降增量也随之减小。此规律能很好地和Ng等在砂土中进行的双隧道开挖对邻近群桩影响的离心模型试验结果吻合。第一座隧道开挖完后工况MM、FF、TT、BB所致桩顶沉降分别为0.67%d p、1.93%d p、2.74%d p、2.98%d p 。工况BB下，群桩完全位于隧道开挖所导致的主要影响区域，从而使得桩顶沉降量最大。
从图7(b)可以看出：在MM、FF、TT、BB工况下，第二座隧道开挖所致桩顶沉降规律基本与隧道1开挖时相同。双隧道开挖引起的桩顶沉降分别为1.42%d p、4.07%d p、5.05%d p、5.51%d p ，可知在一定范围内隧道开挖所致桩顶沉降随着C/D值的增大而逐渐增大。
参考文献
[1]邵羽，江杰，韦朝华，马少坤，刘莹.双隧道不同开挖顺序对临近群桩的影响研究[J].地下空间与工程学报，2018(1).
[2]王雨，陈文化，王锦华.隧道开挖引起邻近单桩水平反应分析[J].岩土力学，2016(3).
论文作者:平帅奇
论文发表刊物:《新材料·新装饰》2018年4月上
论文发表时间:2018/10/8
标签：隧道论文; 模型论文; 工况论文; 位移论文; 有限元论文; 弯矩论文; 性能论文; 《新材料·新装饰》2018年4月上论文;