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确定作用于盾构管片的土压力荷载是隧道结构设计的关键,对避免保守设计造成资源浪费、杜绝盲目设计留下安全隐患具有重要的实际意义和价值。目前广泛使用的简化算法将邻近隧道的既有建(构)筑物直接换算成隧道上覆土层或均布荷载,这一做法无法考虑结构刚度等因素对土压力大小和分布的影响,尤其当邻近桩基础建筑物时,计算结果与实际的偏差已在现场实测中得以反映。然而,现有研究大多局限于隧道施工对邻近桩基础的影响,对侧穿桩基础盾构隧道土压力缺乏系统和深入的研究。本文采用有限元法,围绕侧穿桩基础盾构隧道土压力分布特性问题进行以下几方面研究:
(1)采用有限元方法,隧道外缘以等代层模拟盾尾间隙闭合、同步注浆填充等多重扰动条件下形成的围绕隧道周围的特殊土体,以修正剑桥模型反映软土弹塑性,部件之间设置不同接触属性,建立考虑隧道、土体、桩基础相互作用的三维数值分析模型,确定了有限元模型的计算参数并验证了模拟方法的正确性。
(2)分析了既有桩基础的桩长对邻近盾构隧道土压力分布的影响。研究发现:隧道上方垂直土压力呈“中间小两边大”的分布形态;桩基础对邻近隧道的影响包含引起附加应力和参与土体位移两方面,附加应力能引起土中应力增加,随着桩长增加,桩基础对土体垂直位移的约束使隧道上方垂直土压力逐渐减小,桩基础对土体水平位移的约束使隧道两侧水平土压力增大;桩基础对隧道轴力的影响比弯矩更明显,桩长增加,隧道轴力增大的范围和幅度减小。
(3)分析了既有桩基础与隧道间距对盾构隧道土压力分布的影响。研究发现:桩基础对邻近隧道土压力和结构内力的影响主要集中于隧道靠近桩基础一侧,影响的差异随桩-隧距离的增大逐渐减小并趋近于自由地层隧道土压力分布;随着桩长增加,桩-隧距离越近,桩基础对周围土体位移的约束越大,垂直土压力越小,水平土压力越大。
(4)选取地基承载力这一直观表征土体软硬强度的参数,同时考虑土体回弹曲线斜率、侧土压力系数的变化,研究不同隧道穿越土层性质对侧穿桩基础盾构隧道土压力分布的影响。研究表明:相比硬黏土,软黏土中隧道上方土体沉降较大,但差异沉降较小,引起的应力转移较小;穿越土层越硬,隧道拱腰处引起的地层抗力越大,桩基础对隧道结构内力的影响越小,此时隧道结构轴力和弯矩越小,桩基础引起隧道结构内力的变化也越小;回弹曲线斜率对隧道土压力和结构内力影响差异不明显;侧土压力系数主要影响隧道两侧水平土压力,侧土压力系数越大,隧道两侧引起的水平土压力相比土层自重引起的水平土压力增量越小,同时结构轴力越大,弯矩越小。
(5)基于分析模型计算结果,将隧道上方垂直土压力和左右两侧水平土压力分别简化为“中间小两边大”和“类抛物线”的分布模式,并各以5个控制点勾勒出不同条件下隧道土压力分布形态(在近桩侧另增设一个与桩端位置有关的可动控制点),将隧道土压力量值与自重引起的土中应力相关联,建立了盾构隧道土压力分布模式和土压力简化算法。明确了既有桩基础对邻近隧道沿纵向和横断面方向的影响范围(桩-隧距离超过1.5D时,桩基础对隧道土压力的影响可以忽略;长桩引起的水平土压力增量沿隧道纵向影响范围约1.0D),最终从实际工程应用角度针对隧道管片设计和施工控制提出具体建议。
(1)采用有限元方法,隧道外缘以等代层模拟盾尾间隙闭合、同步注浆填充等多重扰动条件下形成的围绕隧道周围的特殊土体,以修正剑桥模型反映软土弹塑性,部件之间设置不同接触属性,建立考虑隧道、土体、桩基础相互作用的三维数值分析模型,确定了有限元模型的计算参数并验证了模拟方法的正确性。
(2)分析了既有桩基础的桩长对邻近盾构隧道土压力分布的影响。研究发现:隧道上方垂直土压力呈“中间小两边大”的分布形态;桩基础对邻近隧道的影响包含引起附加应力和参与土体位移两方面,附加应力能引起土中应力增加,随着桩长增加,桩基础对土体垂直位移的约束使隧道上方垂直土压力逐渐减小,桩基础对土体水平位移的约束使隧道两侧水平土压力增大;桩基础对隧道轴力的影响比弯矩更明显,桩长增加,隧道轴力增大的范围和幅度减小。
(3)分析了既有桩基础与隧道间距对盾构隧道土压力分布的影响。研究发现:桩基础对邻近隧道土压力和结构内力的影响主要集中于隧道靠近桩基础一侧,影响的差异随桩-隧距离的增大逐渐减小并趋近于自由地层隧道土压力分布;随着桩长增加,桩-隧距离越近,桩基础对周围土体位移的约束越大,垂直土压力越小,水平土压力越大。
(4)选取地基承载力这一直观表征土体软硬强度的参数,同时考虑土体回弹曲线斜率、侧土压力系数的变化,研究不同隧道穿越土层性质对侧穿桩基础盾构隧道土压力分布的影响。研究表明:相比硬黏土,软黏土中隧道上方土体沉降较大,但差异沉降较小,引起的应力转移较小;穿越土层越硬,隧道拱腰处引起的地层抗力越大,桩基础对隧道结构内力的影响越小,此时隧道结构轴力和弯矩越小,桩基础引起隧道结构内力的变化也越小;回弹曲线斜率对隧道土压力和结构内力影响差异不明显;侧土压力系数主要影响隧道两侧水平土压力,侧土压力系数越大,隧道两侧引起的水平土压力相比土层自重引起的水平土压力增量越小,同时结构轴力越大,弯矩越小。
(5)基于分析模型计算结果,将隧道上方垂直土压力和左右两侧水平土压力分别简化为“中间小两边大”和“类抛物线”的分布模式,并各以5个控制点勾勒出不同条件下隧道土压力分布形态(在近桩侧另增设一个与桩端位置有关的可动控制点),将隧道土压力量值与自重引起的土中应力相关联,建立了盾构隧道土压力分布模式和土压力简化算法。明确了既有桩基础对邻近隧道沿纵向和横断面方向的影响范围(桩-隧距离超过1.5D时,桩基础对隧道土压力的影响可以忽略;长桩引起的水平土压力增量沿隧道纵向影响范围约1.0D),最终从实际工程应用角度针对隧道管片设计和施工控制提出具体建议。