盾构下穿桩基对桩基承载力影响的分析

１２６　低温建筑技术　２０１５年第９期（总第２０７期）　ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１５．０９．０４７　盾构下穿桩基对桩基承载力影响的分析　王亮，　高越　（中冶京诚工程技术有限公司，北京１００１７６）　【摘要】　以某地铁盾构下穿桥梁桩基为例，对盾构从桩底穿过造成的桩基沉降、桩侧摩阻力和桩底承载力　进行了分析，分析得到桩基承载力变化的规律，本文的分析成果为类似工程提供了一定的技术参考。　【关键词】地铁；桩基；承载力　【中图分类号】ＴＵ４７３．１　【文献标识码】　Ｂ　【文章编号】　１００１—６８６４（２０１５）０９—０１２６—０３　随着城市的发展，城市人口规模不断增大，交通　１．３地质条件　服务设施就需要不断的跟进建设，地铁等下穿结构因　场地地势平坦，土层分布主要为卵石和粉土，土　此成为市政工程建设的重要选择。由于地理环境及　层计算参数见表１。　城市环境的复杂性，地铁工程往往要下穿某些结构物　的基础工程，尤其是桩基础，这对结构物的安全构成　表１　土层计算参数　了一定的威胁。但是土的结构性能非常复杂，桩与土　的作用机理更为复杂，下穿结构从桩底穿过，对土体　存在扰动，改变了原有的土体平衡，对桩基承载力存　在一定的影响，但是这种影响没有理论公式和规范可　循。因此对该问题的研究是十分必要的。本文以某　地铁盾构下穿桥梁桩基为依托，分析下穿结构对桩基　承载力的影响。　２计算分析模型　１　工程概况　１．１　工程概况　２．１　计算假定　某地铁线根据周边环境条件，选线需下穿某桥梁　本次计算为了分析下穿结构挖去桩底部分土体　桩基础，该桥桥梁上部结构采用下承式钢管混凝土　对桩基承载力造成的影响，因此做如下假定：　拱，下部结构采用薄壁式桥台，基础采用两排桩径为　（１）仅分析下穿结构对单桩产生的影响，不考　１．５ｍ钻孔灌注桩共２０根，桩长为１５ｍ，Ｃ３０钢筋混　虑群桩效应的影响。　凝土。　（２）　假设打桩过程和土体的排水固结等对桩基　１．２工程位置关系　没有影响，不考虑其产生的应力历史。　地铁盾构在平面位置上与该桥桥台４根桩基位置　（３）　不考虑盾构过程扰动土体对桩基产生的影　完全重叠，竖向地铁盾构处于该桥桥台桩底以下　响，仅考虑盾构掉桩底土体后对桩基承载力产生的　５．５２ｍ，如图１所示。　影响。　２．２计算模型的建立　本文采用ａｎｓｙｓ有限元程序建立桩土接触的模型　来进行分析。计算模型纵向考虑盾构的影响范围，取　２０ｍ，桩体和土体采用８节点六面体Ｓｏｌｉｄ４５单元。桩　一土之间接触采用面一面接触单元模拟桩一土接触　面上的非线性，桩侧面被作为目标面，用Ｔａｒｇｅｔｌ７０来　模拟，土体的表面被当作接触面，用Ｃｏｎｔａｅｔ１７３来模　拟。考虑到计算资源的占用和计算速度，桩土取１／４　模型进行计算，对称面设置正对称约束。　桩身采用Ｃ３０混凝土，处于弹性工作阶段，故将　图１工程位置关系图（单位：ｍ）　其材料定义为弹性材料。土体采用Ｄ—Ｐ理想弹塑性　材料，主要参数有压缩模量、泊松比、粘聚力、内摩　王亮等：盾构下穿桩基对桩基承载力影响的分析　１２７　擦角。　一４．７ｍｍ减小到一２．２ｍｍ；桩顶土体沉降接近与０，桩　网格的划分考虑计算的精度和计算时间，桩体单　底土体沉降一１．８—０．２ｍｍ，隧道顶面土体沉降一１１．４　元划分相对较密。土体根据距离桩基的距离，距离越　—２．Ｏｍｍ。由于桩的刚度较大，桩的沉降要比其周围　近划分相对较密，距离越远划分相对较粗。桩及土层　土体的沉降大，而且桩顶和桩底沉降基本相同，而桩　竖向按０．５ｍ一个单元来划分。　底土体的沉降要比桩顶土体大，此沉降差会造成桩周　模型边界条件　＝０和Ｙ＝０平面设置镜像约束，　土体与桩身摩擦力的重分布，对桩侧摩阻力产生影响。　土体外侧设置ｄｘ＝０和ｄｙ＝０约束，土体底面设置　ｄｘ＝０、ｄｙ＝０和ｄｚ＝０约束。模拟盾构时拆除盾构部　表２　各工况沉降值　ｍｍ　分土体底面约束，在相应的面上施加土仓压力。计算　模型如图２所示。　◆　２．Ｏ　一　Ｏ．ｏ　ｌ　－　ｆ—・＿・＿＿，‘一　工况　图２计算有限元模型　－２．０　－　－－．一一　—Ｉ．０　－６．Ｏ　。　’　／　２．３荷载工况　一８．０　ｌＯ．Ｏ　／　一模型计算分７个工况，简述如下：　　ｌ－１２‘０　工况１：模拟土体在自重作用下的应力和变形，此　一桩顶沉障，ｍｍ　・桩顶周围土沉降，岫　时桩体的容重采用土体的容重。　＋桩底沉降，姗　一桩底周圈土沉降，ｍｍ　工况２：模拟桥桩在桩顶力和桩体自重减去替换　一隧道顶面土体沉降，眦　土重作用下产生的应力和变形。　’　图３各工况沉降图　工况３：模拟盾构土体被挖去施加０．０６ＭＰａ土仓　压力对桩产生的影响。　４桩侧摩阻力分析　工况４：模拟盾构土体被挖去施加０．０８ＭＰａ土仓　计算分析桩侧摩阻力，分别从工况２一工况９减　压力对桩产生的影响。　去工况１土体白重产生的应力，经计算工况２到工况　工况５：模拟盾构土体被挖去施加０．１ＭＰａ土仓压　９桩侧摩阻力的变化如图４所示。　力对桩产生的影响。　摩阻力／ｋＰＢ　工况６：模拟盾构土体被挖去施加０．２ＭＰａ土仓压　力对桩产生的影响。　工况７：模拟盾构土体被挖去施加０．３ＭＰａ土仓压　力对桩产生的影响。　工况８：模拟盾构土体被挖去施加０．４ＭＰａ土仓压　力对桩产生的影响。　工况９：模拟盾构土体被挖去施加０．５ＭＰａ土仓压　力对桩产生的影响。　＋工况２・工况３．．－工况４．一－工况５　３沉降分析　．－．工况６＋工况７．．．工况８一工况９　为计算隧道盾构对土体产生的影响，从工况３～　图４各工况桩侧摩阻力图　工况９减去工况２的结果得到隧道盾构产生的沉降影　响，经过计算，各工况桩顶、桩底和盾构顶面土体沉降　由图４可以看出，正常状态下，工况２桩周土的摩　见表２和图３。　阻力从桩顶以下４—１ｌｍ左右比较均匀，基本在３０ｋＰａ　由以上图表可以看出，随着土仓压力的增加，桩　左右，桩顶以下一１２ｍ左右最大达到６０ｋＰａ，接近桩底　顶的沉降由一４。８ｍｍ减小到一２．４ｍｍ，桩底的沉降由　部分由于桩底承载力的存在，桩周摩阻力急剧减小，　ｌ２８　低温建筑技术　２０１５年第９期（总第２０７期）　甚至出现部分负摩阻。燧道盾构掉桩底部分土体后，　（２）　由于桩身与土体之间的沉降差和两者之间　桩身上半部分摩阻力相对于工况２减小很多，维持在　１０ｋＰａ左右，但是到一１２ｍ左右，桩侧摩阻力突然增大　很多，达到８０ｋＰａ左右，然后由于桩底位置桩身和土体　沉降差的影响，出现较大的负摩阻，达到了一３５ｋＰａ，桩　底位置又变为较大的正摩阻，最大达到１４３ｋＰａ。从而　的运动趋势，下穿结构从桩底穿过造成桩身上半身摩　阻力有很大程度的减小，桩身下半身有很大程度的增　大，到桩底位置由于桩底承载力的存在，桩身摩阻力　迅速减小，甚至出现了负摩阻。　（３）下穿结构对桩底承载力影响较大，正常情　可以得出，隧道盾构对桩侧摩阻力产生的影响比较　大，桩身上半身摩阻力减小的较多，桩身下半身由于　况下，摩擦桩主要依靠桩侧摩阻力来承担上部荷载，　盾构改变了原有的土体平衡，造成桩端承担的荷载　变大。　桩身和土体沉降差的影响，摩阻力增大较多，且出现　较大的负摩阻。土仓压力的变化对桩身上半身影响　（４）　下穿结构的土仓压力对桩基沉降的影响较　较小，而对桩身下半身影响较大，尤其是负摩阻和桩　底正摩阻的影响，土仓压力越大，负摩阻力和桩底正　摩阻力数值也越大，因此应控制合适的土仓压力，不　宜太大或太小。　５桩底承载力分析　通过计算桩底土层应力分析桩端承载力发挥情　况，分别从工况２一工况９减去工况１土体自重产生　的应力，得到桩底各工况产生的应力，见表３和图５。　表３　各工况桩底承载力　ｋＰａ　重　．—　．＿　■・・＿－’■　暴　广—　＊　｜　墨　｜　图５＃－ｒ况桩磨承袭力图　由以上图表可以看出，工况２在单桩竖向力作用　下，桩端承载力１７８ｋＰａ，相对较小，桩基主要依靠桩侧　摩阻力来承担桩顶荷载。盾构隧道开挖后，破坏了土　体平衡状态，桩基沉降比桩周土沉降快，因此桩端承　载力迅速增大，同时也解释了桩侧摩阻力的减小。土　仓压力的不同对桩底承载力略有影响，土仓压力增　大，桩底承载力相应增大，但是增幅较小。　６结语　（１）　通过计算分析，下穿结构从桩底穿过会破　坏原有的土体平衡，造成一定的桩基沉降，沉降值与　盾构施加的土仓压力有关。而且桩基由于刚度较大，　沉降比较均匀，而土体结构的沉降较桩基的小，同时　土体结构上部沉降比下部沉降较小。　大，土仓压力越大，桩基沉降越小。土仓压力越大，桩　端承担的承载力越大，对桩端附近的桩侧摩阻力影响　也越大。因此施工过程中应选择合适的土仓压力，不　宜过大或过小，并针对桩基和土体的沉降进行实时　监控。　参考文献　［１］张世民，张忠苗，等．桩土共同作用桩基的计算与应用［Ｊ］．建　筑技术，２００５，（３）：１７５—１７７．　［２］杜蓉，张建友，等．桩基承载力的ＡＮＳＹＳ有限元分析［Ｊ］．水利　与建筑工程学报，２０１０，（８）：２１３—２１５．　［３］齐良锋，简浩，唐丽云．引入接触单元模拟桩土共同作用［Ｊ］．　岩土力学，２００５，２６（１）：１２７—１３０．　［４］纪淑鹏．弹塑性土体中竖向受荷单桩数值分析研究［Ｊ］．工业　‘　建筑，２００６，３６（增刊）：７５５—７５７，７６０．　［５］郝文化．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例［Ｍ］．北京：中国水利水电　出版社出版，２００５．　［６］蔡敏，付春友，张文斌．考虑桩土共同作用的桩基沉降分析　［Ｊ］．武汉大学学报，２００８，４１（增刊）：１２６—１２９．　［７］　王先军，周文宇，蒋鑫．ＡＮＳＹＳ在模拟桩土接触中的应用［Ｊ］．　森林工程，２００６，２２（３）：４９—５１．　【收稿日期］２０１５－０５—２２　［作者简介】　王亮（１９８３一），男，山东曲阜人，硕士研究生，　研究方向：桥梁工程。