桥梁摩擦桩桩周土体扰动对桩基承载力影响的研究

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摘要：地铁土方开挖施工会对周围土体产生扰动，进而对邻近桩基产生危害。本文针对青岛地铁1号及3号线施工对太原路立交桥桩基的影响，运用镜像法原理，推导土体损失产生的附加应力，在此基础上将桩基简化为有限长弹性地基梁，基于Winkler地基模型，计算桩基由于土体损失引起的受力及承载力下降。运用有限元模拟地铁土方开挖施工引起的土体损失及其对邻近桩基的影响，进而提出减小地铁廊道土方开挖施工对桩基础影响的相关工程设计及施工措施。

关键 词：地铁土方开挖；桩基；地基模型；有限元；加固

Abstract: the subway excavation will produce disturbance to the surrounding soil, and impact on adjacent pile foundation. In this paper, the influence of construction of Qingdao Metro Line 1 and line 3 on the pile foundation overpass of Taiyuan Road, using the image method, additional stress of soil loss is generated, on the basis of pile is simplified as finite length elastic foundation beam, based on the Winkler foundation model, the calculation of piles due to stress and bearing capacity of soil loss caused by falling. By using the finite element simulation subway excavation induced soil loss and its effect on the adjacent pile foundation, and then reduce Metro corridor earthwork engineering of pile foundation design and construction measures of the influence of excavation.

Key words: subway excavation; pile foundation; foundation model; finite element; reinforcement

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1 引 言

随着沿海软土地区城市轨道交通建设的快速发展，城市的地铁隧道往往需穿越周围已建的或在建的建（构）筑物的桩基础。地铁施工产生软土地层土体损失，从而导致隧道附近土体应力场发生重分布，邻近桩基周边法向应力将有不同程度的释放，使得桩基的承载能力折减。同时，隧道施工引起隧道周围地层移动，其产生的自由土移场使得工作状态的桩基产生附加的弯矩和变形，对桩基础的使用安全产生风险。

在青岛地铁1号线及3号线工程施工中，根据工期安排及现场实际情况，地铁1号线和3号线的施工需在与之形成交叉的太原路立交桥下部桩基础施工完成之后进行。地铁隧道距离两侧工程桩的最小距离仅有1.5 m左右。在地铁隧道穿越已施工的桩基础时，土方开挖会产生土体损失和应力释放，对邻近桩基产生不可忽视的影响，需要对隧道穿越桩基础的影响进行分析，并在太原路桩基础设计及施工过程中采取相关技术措施。针对青岛地铁1号线及3号线隧道穿越对太原路立交桥桩基础的影响问题，分别运用理论计算方法和三维数值模拟分析土方开挖施工土体损失对邻近桩基的影响。结合分析结果，提出减小地铁廊道土方开挖施工对桩基础影响的相关工程设计及施工措施。

2 土体损失引起桩基侧向变形和受力的理论计算

桩基受土方开挖的影响如图1所示。本文只考虑地铁廊道从桩体一侧正交穿过时的情况，且分两种不同的桩长，代表了太原路立交桥与地铁交叉的桩基的两种类型。桩1 为长桩，桩端位于地铁廊道底面以下，即L>h＋D/2；桩2 为短桩，桩端位于地铁廊道水平轴线以上，即L

图1 桩基受土方开挖推进影响的示意图

本文对此受力模型进行如下假定：

(1)桩体是连续的等截面弹性体，且不考虑其初始应力；

(2)土方开挖引起的土移不受既有桩基的影响；

(3)桩土间不发生脱离，在假定的地铁施工影响范围之外，桩体所受影响忽略不计。

由于土体损失引起的侧向附加应力σy分布较复杂，且地表处σy 接近于零，可以将其简化为沿桩体三角形分布，如图1 所示，即只需要计算出地铁廊道施工影响范围内桩体所受到的最大附加应力σymax 。此附加应力对桩体的作用符合Winkler 弹性地基梁理论的基本假定，桩体为有限长等截面线弹性体，根据桩顶与地面结构的连接情况可以假定为固定、铰接或自由。根据有限长竖向弹性地基梁的初参数法，用Mtalab 编制相关程序求得桩体的侧向受力情况。

3 土方开挖施工对桩基影响的数值模拟

3.1 计算模型

采用岩土隧道有限元软件MIDAS/GTS 模拟地铁廊道土方开挖施工对邻近桩基的影响，GTS 能够提供完全的三维动态模拟功能。模型的基本假定为：土体采用Druck-Prager本构模型，选择50m×40m×30m(X×Y×Z)区域模拟土层，并在土体内建立桩体。

3.2 计算结果分析

3.2.1 土体侧向附加应力分析

首先模拟土层中没有桩体时，土方开挖产生的土体损失引起的土体侧向附加应力σy，σy沿土层竖向分布规律如图2 所示。图中表明，在地铁施工影响范围内，土体损失引起的侧向附加应力在靠近地面处接近零，在地铁廊道轴线上方随深度增大而增加，在地铁轴线水平面处σy 最大，在地铁廊道轴线下方σy 随深度增加而迅速减少。

图2 侧向附加应力σy 沿深度分布图

3.2.2 桩基的侧向弯距分析

土体损失产生的侧向附加应力使桩体发生侧向变形，并承受侧向弯距，有限元计算结果如图3所示。图中表明，桩1 在沿桩顶向下2.0m 处受到最大侧向负弯距15.8kN・m，在9.6m 处受到最大侧向正弯距9.8kN・m。地铁廊道底部至桩顶的竖向距离为12.17m，因此桩1 的最大正负附加弯距均发生在隧道底部以上。桩2 在沿桩顶向下1.9m 处受到最大正弯距15.7 kN・m，近似为桩长的1/3 处。桩1 的端部位于地铁廊道底面以下，桩端认为是固定的，所以桩身上部和下部出现负弯距，桩身中段出现正弯距。桩2 的端部位于地铁廊道水平轴线以上，土体对桩端的约束作用较弱，所以不会发生反向弯矩。

图3 桩基所受的侧向弯矩沿深度分布图（有限元方法）

由理论计算方法得到桩1 和桩2 的侧向弯距如图4 所示。桩1 在沿桩顶向下4.3m 处受到最大侧向负弯距5.7 kN・m，在沿桩顶向下9.0m 处受到最大侧向正弯距17.1 kN・m，即在地铁廊道轴线水平面上桩身受到最大附加弯矩。桩2 在沿桩顶向下3.9m处受到最大侧向弯距11.6kN・m，即桩身2/3 截面处最危险。

理论计算与有限元计算的最大弯矩值相差不大，但是发生的位置有较大差别，主要是由于理论计算只考虑σy 的影响，而有限元分析考虑了侧向附加应力σy 和σx 等的三维效应，导致其受力较复杂。

图4 桩基所受的侧向弯矩沿深度分布图（理论计算方法）

3.2.3 桩基的剪力分析

土体损失引起的侧向附加应力作用于桩1 和桩2，垂直于地铁廊道轴线方向上桩身的附加剪力Fy 沿竖向分布如图5 和图6 所示。图中表明，桩1 的桩顶和地铁廊道下方处由于侧向位移受到约束，桩身剪力出现峰值，在地铁廊道轴线所在水平面处桩身剪力很小。桩2 的桩顶侧向位移受到约束，出现最大负剪力。由于有限元模型中，桩2 的端部受土体侧向约束较弱，所以桩端剪力较小。由于理论计算方法将桩基简化为弹性地基梁，所以地铁廊道影响范围内的长桩剪力分布形式与一端铰接，一端固定的梁类似，短桩剪力分布形式与两端铰接的梁类似。

图5 桩基所受剪力沿深度分布图（有限元方法）图6 桩基所受剪力沿深度分布图（理论计算方法）

4 结论

地铁廊道土方开挖过程中，由于土体损失，必定会对邻近桩基产生影响，但由于桩基埋于地下，很难测量其受力和变形情况，所以有必要对桩基的受力和变形情况进行计算分析。分析结果表明：在廊道轴线平面处产生的侧向附加应力最大，且此处桩体的附加正弯矩最大，附加剪力最小；对于长桩，桩基的最大正负附加弯距均发生在地铁廊道底部以上，桩顶和地铁廊道下方桩基剪力出现峰值。

理论分析计算表明，地铁隧道穿越产生的附加弯矩已超过了钻孔灌注桩的抗弯承载力。结合分析结果提出了相关工程设计及施工措施，例如，在进行地铁廊道土方开挖前先行打设高压旋喷桩对桩周土体进行加固，且起到止水帷幕的作用；土方开挖采取分层开挖、分层支护的方法，确保边坡稳定，并做好跟踪观测工作。有效的减小了隧道穿越对桩基础附加受力及变形的影响。并在地铁廊道穿越过程中对桥梁桩基进行了相关监测。相关监测结果表明，地铁廊道穿越对桩基的影响在安全可控的范围内。

参考文献

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