魏煥衛(wèi)奎耀羅威孔軍楊帆

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南250101；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南250000)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市地下空間的利用在緩解交通壓力方面起著越來越重要的作用。在修建地鐵時，由于施工對周圍土體產(chǎn)生的擾動而影響了臨近環(huán)境，當(dāng)鄰近樁基礎(chǔ)受到擾動時樁身會產(chǎn)生附加的應(yīng)力和位移，從而對樁基承載力造成不利的影響。

針對盾構(gòu)開挖對臨近樁基受力影響的研究方法主要有數(shù)值計算和模型試驗法。李早等[1]在CHEN等[2]兩階段分析方法基礎(chǔ)上，利用數(shù)值計算首先求解出土體自由位移場，再將位移施加于樁體上，對比了樁身受力數(shù)據(jù)與有限元的計算結(jié)果。楊曉杰等[3]通過有限差分法，結(jié)合廣州地鐵施工中的工程實例，研究了隧道修建引起臨近樁基的承載力變化規(guī)律。吳全立等[4]利用Abaqus二維有限元數(shù)值模擬方法，分析了盾構(gòu)開挖所形成的盾殼環(huán)向間隙填充效應(yīng)對既有線隧道沉降的控制作用。朱逢斌等[5]利用離心機試驗與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，研究了隧道開挖對群樁內(nèi)力變化規(guī)律的影響，驗證了數(shù)值計算方法的可靠性。徐林[6]利用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析不同影響因素對建筑物樁基礎(chǔ)的影響變化規(guī)律。馬少坤等[7]和邵羽等[8]利用水袋排水法模擬隧道開挖進(jìn)程，在離心機模型中展開了對于臨近樁基工作性狀的研究。孫雷江[9]和朱逢斌[10]利用自主研發(fā)的隧道模型進(jìn)行試驗，研究隧道臨近既有深基坑和臨近多層框架結(jié)構(gòu)時構(gòu)筑物的內(nèi)力。利用模型試驗對盾構(gòu)施工的研究較為廣泛，與數(shù)值模擬比較起來具有方便直觀的優(yōu)勢。

雖然已經(jīng)有多位學(xué)者研究了隧道施工對臨近樁基礎(chǔ)的影響，但是針對樁周土體壓力變化對樁身受力影響方面的研究較少。文章利用模型試驗的方法，分析了樁長不同時與隧道距離不同時的樁身受力情況，并從樁側(cè)土壓力差值變化的方向研究了其對樁身的受力變化規(guī)律。

1 材料與方法

利用自主研制的可控地層損失率的隧道模型進(jìn)行了縮尺模型試驗，重點研究隧道與樁基的不同距離對樁基礎(chǔ)的樁身附加彎矩、附加軸力以及樁頂豎向位移值的影響。

1.1 材料選取及模型尺寸

試驗在尺寸為1.1 m×0.9 m×1.2 m的模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱整體利用10 mm厚的鋼板與角鋼焊接而成，其中一面采用半封閉式設(shè)計，方便放置隧道模型以及操作模型試驗裝置。試驗土樣采用福建廈門標(biāo)準(zhǔn)砂，密度為1 505 kg/m3；通過直剪試驗所得內(nèi)摩擦角為40.47°，內(nèi)粘聚力為零。模型試驗示意圖如圖1所示，其中樁與隧道距離以B表示。

圖1 模型試驗示意圖/mm

隧道采用自制的試驗?zāi)Ｐ?，縮尺比例為1∶40，直徑為150 mm，選取材料為無 規(guī) 共 聚 聚 丙 烯PP-R(Polypropylene Random)管材，取部分管體試驗材料進(jìn)行拉伸試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可得隧道模型彈性模量為3.44 GPa。試驗中樁基礎(chǔ)模型采用4根單樁與承臺組合而成，定義靠近隧道一側(cè)的樁體為前樁，遠(yuǎn)離隧道的樁體為后樁，樁體材料采用內(nèi)徑為13 mm、外徑為15 mm的聚氯乙烯PVC(Polyvinyl Chloride)管材制作，承臺采用成品PVC板材切割成120 mm×120 mm尺寸進(jìn)行模擬。4根樁分別按照距承臺邊界20 mm距離安置在承臺上，相鄰兩根樁間距為80 mm，連接處采用鋼絲進(jìn)行綁扎并且涂抹改型丙烯酸酯膠進(jìn)行粘結(jié)，隧道埋深等數(shù)據(jù)將在試驗布置中詳細(xì)介紹。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 試驗?zāi)Ｐ统善穲D

1.2 試驗布置及設(shè)計方案

將應(yīng)變片粘貼在模型樁樁身測量附加彎矩和附加軸力，模型樁樁長為45 cm。距樁頭頂部60 mm處開始布置第一個應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼間隔為70 mm，底部距離40 mm處為最后一個應(yīng)變片，如圖2(b)所示；樁長為35 mm時，第一個應(yīng)變片距頂端30 mm，粘貼間隔為60 mm。在模型樁基礎(chǔ)承臺上方4個角點處布置百分表，每15 min讀一次數(shù)，直至穩(wěn)定，以觀測承臺表面?zhèn)认蛭灰坪蜆俄斬Q向位移值。

填充砂體階段，將砂體倒入模型箱內(nèi)至放置模型隧道位置處，每鋪設(shè)100 mm厚砂層則進(jìn)行人工擊實，然后添置下一層的砂土。隧道模型位置固定完畢后，對樁基模型進(jìn)行定位，并安設(shè)支架方便放入模型。待按照設(shè)計位置安置好隧道模型和群樁模型后，繼續(xù)填放砂體直至350 mm覆土厚度，隧道底面埋深為45 cm。承臺上部設(shè)置80 mm×80 mm的方形平板，采用放置砝碼的方式進(jìn)行加載，放置砝碼重量為10 kg，施加于樁基礎(chǔ)的荷載約為1.5 kPa。試驗流程如圖3所示。試驗方案共分為6種情況，其中方案1、2和3中樁長不變，僅改變樁基與隧道間隔的距離B(如圖1所示)，方案4、5和6中改變樁身長度為35 cm，但是與隧道距離對應(yīng)保持不變。具體試驗方案見表1。

圖3 模型試驗流程圖

表1 不同樁長和樁隧距的試驗方案表

1.3 試驗研究內(nèi)容

試驗利用自制隧道模型裝置進(jìn)行土體損失過程的模擬，忽略具體施工過程的影響，僅考慮隧道施工過程中實際開挖土體體積以及竣工后隧道體積之差[11]，考慮到縮尺模型試驗現(xiàn)象的局限性，試驗設(shè)計土體損失比率為5%，待砂體填埋完成后靜置24 h，至土體基本穩(wěn)定開始進(jìn)行試驗。

自制試驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^內(nèi)殼空隙設(shè)置與外殼空隙設(shè)置錯落布置，在隧道模型機關(guān)開合的情況下模擬土體損失的情況。試驗開始后，將通過操作預(yù)留在模型箱外的抽拉裝置控制周圍土體產(chǎn)生的土體損失。土體損失量則由放置在隧道模型內(nèi)的隔離環(huán)進(jìn)行控制，可以通過隔離環(huán)的大小進(jìn)行不同土體損失率的試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表沉降及樁基位移分析

2.1.1 地表土體沉降值

通過控制隧道模型裝置內(nèi)襯大小控制隧道開挖產(chǎn)生的土體損失率，利用表面架設(shè)位移計記錄5%和10%兩種不同損失率的土體沉降值并進(jìn)行對比。將兩種地層損失率利用文獻(xiàn)[12]中的公式進(jìn)行線性擬合，依據(jù)土體損失率并結(jié)合隧道開挖半徑R推出地面沉降槽寬度系數(shù)i，由式(1)和(2)表示為

式中R為隧道開挖半徑，m；h為隧道埋置深度，m；n為經(jīng)驗系數(shù)，取0.8～1.0；S(x)為地面任意一點的沉降值，mm；Smax為地表沉降最大值，mm；x為從沉降曲線中心到計算點的距離，m。

通過式(2)計算可以得出距離隧道中心點不同位置處的沉降值大小。將Peck公式擬合值、實測值和數(shù)值計算值進(jìn)行比較分析，其對比曲線如圖4所示，采用試驗方法所測得沉降槽曲線與Peck公式曲線基本吻合。Peck公式計算所得地表沉降最大值為10.0 mm，實測沉降曲線成高斯分布，數(shù)值計算最大沉降值為8.26 mm，比實測值結(jié)果小，但計算所得的沉降槽曲線與試驗結(jié)果一致。通過試驗現(xiàn)象側(cè)面證明了模擬隧道開挖引起地層損失的影響可以利用試驗方法和數(shù)值模擬為依據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的還原。

圖4 地表土體沉降對比曲線圖

2.1.2 樁基頂部豎向位移

利用位移計記錄樁基礎(chǔ)頂部豎向位移(見表2)。通過分析可知，樁長為45 cm時的樁基頂部傾斜率和樁頂豎向位移值遠(yuǎn)小于樁長35 cm的樁基頂部傾斜率和樁頂豎向位移值。隧道開挖后，土體位移場因土體損失的原因發(fā)生改變，樁側(cè)土體產(chǎn)生松弛導(dǎo)致靠近隧道側(cè)土壓力減少，樁周土體發(fā)生相對向下的位移。樁長為45 cm時，由于樁側(cè)土體產(chǎn)生了豎向位移，從而導(dǎo)致了樁側(cè)摩阻力的減少和樁端阻力增加，樁頂部分產(chǎn)生了較小的沉降值；樁長為35 cm時，樁身側(cè)摩阻力同樣減少，同時由于樁底埋深位于隧道頂部埋深平齊位置，隧道開挖產(chǎn)生的土層位移導(dǎo)致了樁端地層的壓縮模量減少，導(dǎo)致樁端阻力由于應(yīng)力松弛的原因也減小，小于樁長為45 cm時的樁身承載力，所以樁長35 cm時產(chǎn)生的樁頂沉降大于樁長45 cm時的樁頂沉降。

表2 不同試驗方案的樁頂豎向位移表

前排樁頂部豎向沉降值均大于后排樁，且傾斜率隨隧道距離的增加而減小，最大傾斜率達(dá)到7.16‰，其原因在于前排樁的存在導(dǎo)致后排樁側(cè)土體位移減小，樁身側(cè)摩阻力和端阻力并未產(chǎn)生較大改變。

2.2 樁身內(nèi)力分析

2.2.1 樁長45 cm時不同樁隧距的樁身彎矩

樁長45 cm時不同距離的前樁和后樁彎矩曲線如圖5所示。試驗中以樁身臨近隧道處一側(cè)受拉為正，將不同方案的前樁與后樁的彎矩值進(jìn)行對比分析。由圖5(a)可以看出，距離隧道越近樁身所受最大彎矩值越大，方案1的彎矩最大值為12.85 N·m，并且最大值位置處距離隧道埋深處越近。其原因在于靠近隧道較近，隧道開挖產(chǎn)生的土體損失導(dǎo)致樁身靠近隧道一側(cè)土體產(chǎn)生位移，距離隧道位置越近處土體位移越大，樁身兩側(cè)土壓力的不平衡導(dǎo)致了附加彎矩值的增大[13]。

從數(shù)據(jù)上看，樁端靠近承臺位置區(qū)域彎矩值呈現(xiàn)較明顯的負(fù)值，其原因在于承臺下方土體由于隧道開挖產(chǎn)生的位移帶動樁身產(chǎn)生了變形，而且承臺與樁體連接處為剛結(jié)，所以因抵抗樁體向隧道側(cè)移產(chǎn)生了負(fù)彎矩區(qū)域。

方案1和2在樁體埋深為10～30 cm區(qū)域內(nèi)都產(chǎn)生了較大的正彎矩，而方案3正彎矩出現(xiàn)在＞20 cm的區(qū)域內(nèi)，隨著與隧道的距離越遠(yuǎn)樁身正彎矩區(qū)域逐漸向樁體頂端移動。3個不同試驗情況下的樁身底部均出現(xiàn)了較為明顯的負(fù)彎矩，由于樁身上部受土壓力不平衡而導(dǎo)致的位移較大，但樁身下部則相對受土體位移影響較小，反而因樁端嵌固作用提供給樁身以抵抗位移的反力，從受力上看呈現(xiàn)了負(fù)彎矩的情況。

由圖5(b)可以看出，由其規(guī)律同前樁彎矩大致相同。但是相同位置處后樁彎矩值低于前樁彎矩值，后樁由于前樁對周圍土體發(fā)生運動所做的抵抗，隧道開挖引起的土體位移在后樁位置處會減小，這種減小作用稱之為樁基的遮攔作用[14]。正因遮攔作用的存在，減弱了靠近隧道側(cè)土體土壓力的變化，導(dǎo)致兩側(cè)土壓力變化差值減小，從而附加彎矩值變化也隨之減少。方案3中后樁距離隧道最遠(yuǎn)，所以其彎矩值也最小，同樣由樁身兩側(cè)土壓力不平衡，距離隧道越遠(yuǎn)處樁產(chǎn)生正彎矩區(qū)域越向上移。

樁長45 cm時相同距離的前后樁彎矩對比如圖6所示，可以更為明顯地觀測出由于前樁的遮攔作用的影響減小了樁兩側(cè)壓力不平衡現(xiàn)象。對比方案1和2中距離隧道10 cm的前樁與后樁，可以看出前樁彎矩最大值相較于后樁更大，最大值所處位置也略低于后樁，并且除去樁端頂部之下直至樁身30 cm處彎矩值大致呈現(xiàn)正值。

圖5 樁長45 cm不同距離前樁和后樁彎矩曲線圖

2.2.2 樁長35 cm時不同樁隧距的樁身彎矩

樁長35 cm時不同距離前樁和后樁彎曲矩對比曲線如圖7所示。根據(jù)圖7(a)所示的方案4、5和6的前樁樁身彎矩分析可知，其彎矩圖與樁長45 cm的變化規(guī)律大致相同。距離隧道越近處彎矩值越大，且正彎矩區(qū)域隨距離隧道越遠(yuǎn)位置向樁頂端移動。前樁與樁長45 cm的試驗現(xiàn)象不同的是附加彎矩值負(fù)值區(qū)域較少，其原因在于樁端埋置深度與隧道頂部持平，樁底受土體位移場影響較大。距離隧道2、10 cm處，樁長35、45 cm的樁身彎矩最大值范圍大致相同，并且整體趨勢相近，所以在靠近隧道一定區(qū)域內(nèi)，土體位移對于樁身的影響范圍相同。

觀察樁長35 cm的后排樁不同距離的彎矩數(shù)據(jù)，可以得出類似規(guī)律，如圖7(b)所示，距離隧道越近受土體位移場的影響程度較大，但由于前樁的遮攔作用使產(chǎn)生的附加彎矩值相對較小。

圖6 樁長45 cm相同距離前后樁彎矩對比曲線圖

圖7 樁長35 cm不同距離前樁和后樁彎矩對比曲線圖

將方案4中的后樁與方案5中的前樁彎矩值進(jìn)行對比，可以明顯觀測出前樁的隔離作用。樁長35 cm相同距離的前后樁彎矩對比如圖8所示，后樁彎矩值相較前樁更小，并且與樁長45 cm的試驗數(shù)據(jù)得出的規(guī)律大致相同。試驗表明，不同樁長的前排樁遮攔效應(yīng)都較為明顯，且在彎矩數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出遮擋作用一致的現(xiàn)象。與距離隧道10 cm位置處前后樁的彎矩曲線相比較，距離隧道18 cm的前后樁的彎矩值較小，且彎矩變化趨勢不明顯，但是后樁的彎矩值大小依然略小于前樁，可以看出樁身較短時距離隧道一定范圍外的前樁隔離效果比樁身較長時的情況要小。

2.2.3 樁身附加軸力影響分析

對于不同試驗的樁身軸力數(shù)據(jù)，在室內(nèi)試驗中很難準(zhǔn)確測定，而數(shù)值模擬的方法可以獲得模型中樁身任意點的軸力數(shù)據(jù)及其他參數(shù)，并且經(jīng)對比試驗實測值后驗證了其可行性和可靠性，故利用數(shù)值計算的結(jié)果對隧道開挖引起臨近樁基的樁身附加軸力進(jìn)行分析。樁長45 cm不同距離前樁和后樁軸力對比曲線如圖9所示。

圖8 樁長35 cm相同距離前后樁彎矩對比曲線圖

圖9 樁長45 cm不同距離前樁和后樁軸力對比曲線圖

由圖9(a)所示的前樁的樁身軸力可知，方案1中軸力增大程度最大，距離隧道越遠(yuǎn)的樁體軸力增大程度越小。其軸力增大的原因為:隧道開挖導(dǎo)致的土體損失導(dǎo)致樁身周圍土體發(fā)生位移，土體位移方向相對于樁身向下，樁側(cè)阻力減小并產(chǎn)生一定程度的負(fù)摩阻力[15]，從而使樁端軸力增加，樁身軸力呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象。隨著距離隧道越來越遠(yuǎn)，樁身周圍土體所受隧道開挖導(dǎo)致位移場改變的影響變小，樁周土體相對沉降量減少，從而樁側(cè)阻力減小值越來越小，因樁端阻力增加而增大的軸力值也較小。

觀測后排樁隨不同距離變化的附加軸力值，如圖9(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)整體數(shù)值較前樁明顯減小，整體規(guī)律與前樁較為類似。因為前樁的遮攔作用使得土體損失產(chǎn)生的地層沉降值減少，前樁的樁身阻力阻隔了土體向下的位移，所以后樁的軸力增大值相較前樁減少。

3 結(jié)論

采用了模型試驗和數(shù)值模擬的方法研究了隧道開挖引起的臨近樁基礎(chǔ)影響，觀測了不同樁隧距離下樁身的附加彎矩和附加軸力變化，得到以下主要結(jié)論:

(1)模型試驗和數(shù)值模擬得出的地表沉降數(shù)據(jù)與Peck公式擬合值相吻合，并且樁基頂部豎向位移和傾斜率距離隧道越遠(yuǎn)數(shù)值越小，樁基礎(chǔ)的樁身越短受隧道開挖的影響越明顯。

(2)樁身附加彎矩受土體位移導(dǎo)致的樁身兩側(cè)土壓力不平衡影響較大，并且隨隧道距離的增加影響減小，由于前排樁的遮攔效應(yīng)導(dǎo)致后排樁受影響效果減弱。且在不同樁長的情況下，附加彎矩受影響規(guī)律大致相同，距離隧道越遠(yuǎn)正彎矩區(qū)域越靠近頂端，但相比之下樁長較長時，其受樁端下部嵌固作用影響較大，樁身會出現(xiàn)負(fù)彎矩區(qū)域更大。

(3)樁身附加軸力受土體豎向位移影響較大，因為樁側(cè)阻力的減小導(dǎo)致樁端阻力的增加，樁身軸力變化整體趨勢為軸力增加，后樁由于前樁的隔離作用樁身附加軸力增加較小。