盾構(gòu)開挖對(duì)鄰近樁基影響的試驗(yàn)研究

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(jì)南250101；2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)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(shí)，由于施工對(duì)周圍土體產(chǎn)生的擾動(dòng)而影響了臨近環(huán)境，當(dāng)鄰近樁基礎(chǔ)受到擾動(dòng)時(shí)樁身會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力和位移，從而對(duì)樁基承載力造成不利的影響。

針對(duì)盾構(gòu)開挖對(duì)臨近樁基受力影響的研究方法主要有數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)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(jì)算首先求解出土體自由位移場(chǎng)，再將位移施加于樁體上，對(duì)比了樁身受力數(shù)據(jù)與有限元的計(jì)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(shí)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(duì)既有線隧道沉降的控制作用。朱逢斌等[5]利用離心機(jī)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究了隧道開挖對(duì)群樁內(nèi)力變化規(guī)律的影響，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。徐林[6]利用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析不同影響因素對(duì)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(jī)模型中展開了對(duì)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(yàn)，研究隧道臨近既有深基坑和臨近多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)構(gòu)筑物的內(nèi)力。利用模型試驗(yàn)對(duì)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(shì)。

雖然已經(jīng)有多位學(xué)者研究了隧道施工對(duì)臨近樁基礎(chǔ)的影響，但是針對(duì)樁周土體壓力變化對(duì)樁身受力影響方面的研究較少。文章利用模型試驗(yàn)的方法，分析了樁長(zhǎng)不同時(shí)與隧道距離不同時(shí)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(duì)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(yàn)，重點(diǎn)研究隧道與樁基的不同距離對(duì)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(yàn)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(jì)，方便放置隧道模型以及操作模型試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)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(yàn)所得內(nèi)摩擦角為40.47°，內(nèi)粘聚力為零。模型試驗(yàn)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(yàn)示意圖/mm

隧道采用自制的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停s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(yàn)材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)中樁基礎(chǔ)模型采用4根單樁與承臺(tái)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(tái)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(tái)邊界20 mm距離安置在承臺(tái)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(yàn)布置中詳細(xì)介紹。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统善穲D

1.2 試驗(yàn)布置及設(shè)計(jì)方案

將應(yīng)變片粘貼在模型樁樁身測(cè)量附加彎矩和附加軸力，模型樁樁長(zhǎng)為45 cm。距樁頭頂部60 mm處開始布置第一個(gè)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(gè)應(yīng)變片，如圖2(b)所示；樁長(zhǎng)為35 mm時(shí)，第一個(gè)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(tái)上方4個(gè)角點(diǎn)處布置百分表，每15 min讀一次數(shù)，直至穩(wěn)定，以觀測(cè)承臺(tái)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(shí)，然后添置下一層的砂土。隧道模型位置固定完畢后，對(duì)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(jì)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(tái)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(yàn)流程如圖3所示。試驗(yàn)方案共分為6種情況，其中方案1、2和3中樁長(zhǎng)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(zhǎng)度為35 cm，但是與隧道距離對(duì)應(yīng)保持不變。具體試驗(yàn)方案見表1。

圖3 模型試驗(yàn)流程圖

表1 不同樁長(zhǎng)和樁隧距的試驗(yàn)方案表

1.3 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

試驗(yàn)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(shí)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(yàn)現(xiàn)象的局限性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)。

自制試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^內(nèi)殼空隙設(shè)置與外殼空隙設(shè)置錯(cuò)落布置，在隧道模型機(jī)關(guān)開合的情況下模擬土體損失的情況。試驗(yàn)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(yàn)。

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(jì)記錄5%和10%兩種不同損失率的土體沉降值并進(jìn)行對(duì)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(yàn)系數(shù)，取0.8～1.0；S(x)為地面任意一點(diǎn)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(jì)算點(diǎn)的距離，m。

通過式(2)計(jì)算可以得出距離隧道中心點(diǎn)不同位置處的沉降值大小。將Peck公式擬合值、實(shí)測(cè)值和數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行比較分析，其對(duì)比曲線如圖4所示，采用試驗(yàn)方法所測(cè)得沉降槽曲線與Peck公式曲線基本吻合。Peck公式計(jì)算所得地表沉降最大值為10.0 mm，實(shí)測(cè)沉降曲線成高斯分布，數(shù)值計(jì)算最大沉降值為8.26 mm，比實(shí)測(cè)值結(jié)果小，但計(jì)算所得的沉降槽曲線與試驗(yàn)結(jié)果一致。通過試驗(yàn)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(yàn)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(duì)比曲線圖

2.1.2 樁基頂部豎向位移

利用位移計(jì)記錄樁基礎(chǔ)頂部豎向位移(見表2)。通過分析可知，樁長(zhǎng)為45 cm時(shí)的樁基頂部?jī)A斜率和樁頂豎向位移值遠(yuǎn)小于樁長(zhǎng)35 cm的樁基頂部?jī)A斜率和樁頂豎向位移值。隧道開挖后，土體位移場(chǎng)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(duì)向下的位移。樁長(zhǎng)為45 cm時(shí)，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(zhǎng)為35 cm時(shí)，樁身側(cè)摩阻力同樣減少，同時(shí)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(zhǎng)為45 cm時(shí)的樁身承載力，所以樁長(zhǎng)35 cm時(shí)產(chǎn)生的樁頂沉降大于樁長(zhǎng)45 cm時(shí)的樁頂沉降。

表2 不同試驗(yàn)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(zhǎng)45 cm時(shí)不同樁隧距的樁身彎矩

樁長(zhǎng)45 cm時(shí)不同距離的前樁和后樁彎矩曲線如圖5所示。試驗(yàn)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(duì)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(tái)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(tái)下方土體由于隧道開挖產(chǎn)生的位移帶動(dòng)樁身產(chǎn)生了變形，而且承臺(tái)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(dòng)。3個(gè)不同試驗(yàn)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(duì)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(duì)周圍土體發(fā)生運(yùn)動(dòng)所做的抵抗，隧道開挖引起的土體位移在后樁位置處會(huì)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(zhǎng)45 cm時(shí)相同距離的前后樁彎矩對(duì)比如圖6所示，可以更為明顯地觀測(cè)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(duì)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(zhǎng)45 cm不同距離前樁和后樁彎矩曲線圖

2.2.2 樁長(zhǎng)35 cm時(shí)不同樁隧距的樁身彎矩

樁長(zhǎng)35 cm時(shí)不同距離前樁和后樁彎曲矩對(duì)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(zhǎng)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(dòng)。前樁與樁長(zhǎng)45 cm的試驗(yàn)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(chǎng)影響較大。距離隧道2、10 cm處，樁長(zhǎng)35、45 cm的樁身彎矩最大值范圍大致相同，并且整體趨勢(shì)相近，所以在靠近隧道一定區(qū)域內(nèi)，土體位移對(duì)于樁身的影響范圍相同。

觀察樁長(zhǎng)35 cm的后排樁不同距離的彎矩?cái)?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(chǎng)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(duì)較小。

圖6 樁長(zhǎng)45 cm相同距離前后樁彎矩對(duì)比曲線圖

圖7 樁長(zhǎng)35 cm不同距離前樁和后樁彎矩對(duì)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(duì)比，可以明顯觀測(cè)出前樁的隔離作用。樁長(zhǎng)35 cm相同距離的前后樁彎矩對(duì)比如圖8所示，后樁彎矩值相較前樁更小，并且與樁長(zhǎng)45 cm的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的規(guī)律大致相同。試驗(yàn)表明，不同樁長(zhǎng)的前排樁遮攔效應(yīng)都較為明顯，且在彎矩?cái)?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(shì)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(shí)距離隧道一定范圍外的前樁隔離效果比樁身較長(zhǎng)時(shí)的情況要小。

2.2.3 樁身附加軸力影響分析

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

圖8 樁長(zhǎng)35 cm相同距離前后樁彎矩對(duì)比曲線圖

圖9 樁長(zhǎng)45 cm不同距離前樁和后樁軸力對(duì)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?yàn)?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(duì)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(chǎng)改變的影響變小，樁周土體相對(duì)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(cè)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?yàn)榍皹兜恼跀r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(yàn)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(cè)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(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，其受樁端下部嵌固作用影響較大，樁身會(huì)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?yàn)闃秱?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(shì)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。