（岩土工程专业论文）隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着地面与地下空间的综合开发利用日趋增多，地面建筑与地下工程的冲突也日益 受到关注。地铁隧道建设是城市地下空间开发的重点，是解决城市交通难的主要措施， 然而无论是在既有隧洞上修建建筑( 开洞地基) 还是在既有建筑下开挖隧洞( 地基开洞) ， 均会引起地下洞室产生有害变形及地基破坏。又由于城市地铁多建在建筑物己高度集中 的地区，邻近高层建筑多采用桩基础，因此隧洞开挖引起的地层移动会对桩基础施加轴 向和侧向力，进而对建筑物的安全与稳定带来不同程度的影响。因此，研究隧洞开挖对 邻近建筑桩基的影响具有重要的科学意义和工程实用价值。 本文首先总结了目前国内外洞室地基稳定性及隧洞开挖引起邻近桩反应的研究现 状，简要地介绍了土体本构模型理论及地层移动理论。接着介绍了论文所采用的大型有 限元软件a b a q u s ，并使用该软件进行了二维有限元分析。模型中考虑了土体和衬砌、 土体和桩体之间的接触作用，采用m o h r c a i l l 衄b 弹塑性本构模型进行计算分析。 研究的核心内容主要包括两部分，首先结合工程实例，分别采用加载系数法和强度 折减法对开洞地基与地基开洞后建筑物下土质洞室地基的破坏过程与整体稳定性进行 了有限元数值模拟；在此基础上，针对不同的地面加载方式与洞室埋深，采用强度折减 法与加载系数法对开洞地基开展了弹塑性有限元数值计算与分析。其次，通过具体工程 算例，合理简化建立模型，研究了二维平面应变条件下隧洞开挖对邻近单桩的影响；分 析了既定桩位条件下隧道开挖引起的典型桩身反应，接着变化桩位、桩长和桩径，总结 了其反应的变化规律；进而研究了隧洞开挖对邻近群桩的影响，对比分析了群桩中基桩 的反应，并比较了基桩和相同情况下单桩的响应。 关键词：洞室地基；隧洞开挖；地层损失率；桩身反应；数值分析 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 n u m e r i a la n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fa d j a e e n tp i l ef o u n d a t i o nc a u s e db y t u n n e l i n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s i n go fc o m p r e h e n s i v ee x p l o i t a t i o no fg r o u n da n du n d 昭o u n d e n g i n e e r i n g , t h ec o n f l i c tb e t w e e ng r o u n db u i l d i n ga n du n d e r g r o u n de a # u e e r i n gi sb e c o m i n g m o r ea n dm o r eo b d o n s p l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei ne x p l o i t a t i o no fg r o u n da n du n d e r g r o u n d s p a c ei nu r b a na r e a , t u n n e le x c a v a t i o ni sa l le f f e c t i v em e a s co fs o l v i n gc i t i e s b u s y t r a m c h o w e v e r , t h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ff o u n d a t i o nw i t hc a v e r l l si n c l u d i n gt h ed i g g i n g h o l e si ng r o u n da n dc o n s t r u c t i o na f t e rd i g g i n gh o l e sg a s tb ei g n o r e & f u r t h e r m o r e ，i na n u r b a ne n v i r o n m e n t , m a n yh i g h - r i s eb u i l d i n g sa r es u p p o r t e db yp i l ef o u n d a t i o n sa n dt u n n e l i n g a l m o s ti n v a r i a b l yw i l lc a u s eg r o u n dm o v e m e n t s ，w h i c hi nt u r nw i l li m p o s ea x i a la n dl a t e r a l f o r c e so nt h ea d j a c e n tp i l ef o u n d a t i o n s ，b r i n g i n gs o m ei m p a c t so ns a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h e b u i l d i n g s s oi ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h ee f f e c t so f t u n n e l i n go na d j a c e n tp i l ef o u n d a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rf i r s tt a k e sar e v i e wo nt h es t a b i l i t yo fs o i lc a v eg r o u n da n dp i l e r e s p o n s e si n d u c e db yt u n n e l l i n g s e c o n d , ab r i e fi n t r o d u c t i o ni sm a d ea b o u tt h e o r i e so f c o n s t i t u t i v em o d e l sa n dg r o u n dm o v e m e n t s t h e naf e ww o r d sa l es a i da b o u tt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e - a b a q u s ，w h i c hi sa d o p t e dt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo fs o i lc a v e g r o u n da n dp i l er e s p o n s e si nat w o - d i m e n s i o nf e am o d e l t h ec o n t a c ti n t e r a c t i o n sb e t w e e n s o i la n dl i n e ra n db e t 3 e e l ls o i la n dp i l e 眦t a k e ni n t oa e e o u n lt h ec o n s t i t u t i v em o d e l e m p l o y e dh e r ei sm o h r - c o d o m bp l a s t i c i t yw i t hl i n e a re l a s t i c i t ya s s a n n e dw i t h i nt h ey i e l d s t r e n g t hs u r f a c e t h ek e ys t u d yo ft h i st h e s i si n c l u d e st w op a r t s f i r s t , ac a s ei sa d o p t e d , a n ds t r e n g t h r e d u c t i o n 臼咖ra p p r o a c ha n dl o a d i n gc o e f f i e i e n tm e t h o di se m p l o y e dt os i m u l a t et h ef a i l u r e p r o c e s sa n da n a l y z et h eo v e r a l ls t a b i l i t yo fs o i l c a v e g r o u n db e l o wb u i l d i n g l o a d s f u r t h e r m o r e ，n u m e r i c a lc o m p u t a t i o nc o n s i d e r i n gd i f f e r e n tg r o u n dl o a d i n gm o d e sa n d t u n n e l i n gd e p t hi sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h es t a b i l i t yo fc o n s u u c t i o na f t e rd i g g i n gh o l e s s e c o n d , t h ei n f l u e n c eo fs i n g l ep i l ef o u n d a t i o ni n d u c e db ya d j a c e n tt u n n e le x c a v a t i o ni s s i m u l a t e da n d 粗a l y z c d m o r e o v e ri n f l u e n c e so fd i s t a n c eb e t w e e nt u n n e l sa x i a ll i n ea n d s i n g l ep i l e ，l e n g t ha n dr a d i u so fp i l et os i n g l ep i l ef o u n d a t i o na d j a c e n tt ot u n n e la r ea l s o s t u d i e d a n dt h e n , t h ea u t h o ra n a l y z e st h er e s p o n s e so f p i l eg r o u pi n d u c e db ya d j a c e n tt u n n e l e x c a v a t i o na n dc o m p a r e st h ed i f f e r e n e e sb e t w e e nt h e ma n dt h o s eo f s i n g l ep i l e k e ，w o r d s ：s o i lp a v eg r o u n d ；t u n n e le x c a v a t i o n ；g r o u n dl o s sr a t i o ；p i l er e s p o n s e ； n u m e r i c a la n a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文， 作者签名 导师签名： 到丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 前言 2 1 世纪是一个充满希望与活力、再创人类奇迹的世纪，然而快速的工业化和人口的 高度城市集中化却使得城市建设面临着严峻考验。目前城市建设中的主要问题是：城市 人口密度大，形成了所谓的。城市综合症”。首先表现在城市交通阻塞，行车速度缓慢。 作为城市功能中最活跃的因素，交通已成为城市可持续发展的最关键环节。交通解决不 好，完全可能导致城市瘫痪。其次，由于城市基础设施落后于城市面积扩展和城市人口 增长，因此造成城市环境的恶化。当前我国城市环境恶化形势日趋严重，大气污染日益 加剧，全国5 0 0 多座城市大气质量达到一级标准的不到1 ，酸雨面积超过国土面积的 4 0 ，重庆等城市尤为严重：城市污水8 0 未经处理便排入江河，城市地下水受到污染， 垃圾围城现象普遍，噪声污染普遍超标，建筑空间拥挤，城市绿地减少，生态恶化。 日本的k u w a h a r a i l 】说：如果2 0 世纪的特征是“l n d u s t r i a l i z a t i o na n dw a r s ”，则2 1 世纪也许是。u r b a n i z a t i o na n de n v i r o n m e n t ”。由于城市人口和人类活动不断增加所导 致的地面空间紧张，使得地下空间作为一种尚未充分利用的资源，引起了人们的广泛重 视并积极开发利用。为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁，医治“城 市综合症”，大力开发和利用地下空间要比宇宙城市、海洋城市更为现实。国际上提出 一种普遍接受的观点：认为1 9 世纪是。桥”的世纪，2 0 世纪是。高层建筑”的世纪， 那么2 1 世纪将是人类开发和利用“地下空间”的世纪冈。毫无疑问，隧道与地下构筑物 的修建是一条解决城市人口、环境和资源三大危机的有效途径。城市功能空间能转入和 宜转入地下的领域是很广阔的，包括商业、交通、部分市政设施、文化娱乐休闲、部分 工业生产、仓库、防灾( 避难) 和救灾空间等。充分利用地下空间是城市立体化开发的最 重要组成部分。它可以达到扩大空间容量、提高开发集约度、消除步车混杂、交通顺畅、 商业更加繁荣，地面绿地增加，环境优美开敞，购物与休闲，娱乐相互交融的多功能效 果。与向城市上空发展的模式相比，它无疑是一种更为合理的发展模式。2 1 世纪将迎来 一个地下空间的开发利用高潮。 近年来，世界范围内修建各种城市隧道和地下构筑物呈现急剧增长的趋势。在现代 化的进程中，城市离开地下设施几乎不能够维持甚至根本无法发展。一般规模的城市 其煤气供应管道、供水、排污、电、通讯、远距离的供热等是必须的地下设施；人口超 过5 0 多万的大中城市，除上述设施外，还有市区轨道交通、郊区火车、汽车及电车和 人行走道等的运输隧道；人口超过数百万的大或特大城市，还有地下购物商店，地下文 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 化设施( 博物馆等) 、地下住宅、地下办公室、地下停车场、地下行人通道、储藏室及废 物处置地等生活、储存、运输及废物处置的地下设施。 据全世界的统计f 3 】，在过去3 0 到4 0 年间，人口超过5 0 万的1 0 0 多个城市己修建或 正要修建地下运行的地铁、城市轨道或快速运输系统。截止1 9 9 9 年，世界上约有7 0 个 城市建有地铁运输系统。目前日本有运营地铁的城市达1 1 个，共3 7 条线，长度约6 0 1 k m ， 其中2 8 2 k m 在东京。东京的地铁发展异常迅速，这与人口增长和城市交通拥挤直接相关， 例如东京乘坐地铁的人数从1 9 5 5 年的3 7 上升到今天的2 5 ，1 9 5 5 年每天平均乘坐 人数大约在3 0 万左右，而1 9 9 5 年则达到每天约7 6 0 万。在德国，自1 9 9 0 年来，平均 每年修建的运输隧道约有2 5 k m ，其中1 0 1 2 k m 为地铁、城市和快速运输系统隧道， 约5 k m 为长距离铁路隧道，1 0 k m 为公路隧道，城市隧道占到4 0 左右。从这两个国家 的城市修建隧道来看，一是在大城市，隧道的修建日益增长，二是在整个国家运输系统 中城市输送起到愈来愈重要的作用。 随着经济的迅速增长，2 1 世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁的年代。目前中国 人口过百万的3 4 个城市中，有2 0 个超大和特大城市正在建设和筹建自己的轨道交通。 据统计，截至2 0 0 5 年6 月，北京、上海、广州、深圳、武汉、天津、南京、重庆、长 春、大连等1 0 个城市已建成轨道交通4 2 0 k m f 4 。十五”期间中国地铁建设投资高达 2 0 0 亿元。除己开通的北京、上海、天津地铁外，正在修建的有北京三号线、上海二号 线、广州一号线。此外，国家已经批准和正在筹建地铁的城市有深圳、南京、重庆、青 岛等，初步预测，到2 0 1 0 年，中国新建轨道交通线路将达到1 0 0 0 k m 以上。 在过去修建的一些城市地下工程中，多数采用传统的明挖法( c u ta n d c o v e l 或称o p c n c u t ) ，该方法也是首选的方案。然而目前对百万以上人口的大或特大城市来讲，在繁忙 和地皮昂贵的市区修建地下工程采用明挖法无论从经济还是对环境的影响上都不再实 用。目前修建地下隧道以盾构法最为先进，世界上许多国家和地区的城市地下隧道大多 采用盾构法建成。盾构法适用于大范围的工程地质和水文条件，机械化程度高且施工速 度快。除在岩石和半岩石土壤的地质条件下钻爆法更为适用外，在软岩、不稳定岩层及 各类土层中盾构法施工相对于其它类施工方法更加经济有效。采用盾构法施工区间隧 道，可以做到基本上不影响地上建筑物和交通，减少地上、地下的大量拆迁工作，还可 以有效地保护地下水源。一般的，城市隧道施工中所采用的施工方法主要有如下几类： 土压平衡盾构( e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e 简称e p b ) ；泥水平衡盾构( s l u r r yp r e s s m eb a l a n c e 简 称s p b ，由于浆液常用膨胀土浆液，又称b e n t o n i t es l u r r y 简称b s ) ：气压平衡盾构( a i r 衅s 飘肿b a l a n c e 简称a p b ) ；开口盾构( o p e n f a c e 简称o f ) ；闭1 3 盾构( c l o s e d f a c e 简称c f ) ； 此外还有新奥法( n a t m 法) 、沉管法、项管法等。 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 国内外工程实践表明，在软土地层中开挖隧道，不论采用何种方法都会产生程度不 同的地表沉降和地层变形，即使采用目前最先进的盾构施工技术，要完全消除这种沉降 和变形也是不太可能的。特别是在松软饱和含水不稳定的淤泥质粘土层的浅埋隧道中， 这种现象尤为明显。由于地铁隧道多建在建筑物已高度集中的大城市，这些变形和沉降 对邻近建( 构) 筑物和地下管线的土工环境损伤不可忽视。当地层变形超过一定范围时， 会严重危及邻近建筑物基础、邻近建筑物和地下管网的安全，引起一系列岩土环境问题。 为解决交通拥挤问题而建设的地铁工程往往在闹市区、商业集中区，因此不可避免的， 这些工程的施工会对周围既有建筑物产生不同程度的影响。尤其在软土地区，采用桩基 较为普遍，当地铁施工穿越大楼桩群，由于隧道施工期间以及工后引起的邻近桩基反应 的分析就显得尤为重要。如何减少隧道工程对周围土层的扰动，最大限度地降低隧道工 程对邻近建筑物以及管线的影响，以及对受影响的建筑物如何采取保护措施，是加固还 是搬迁等，都是实际工程所关注的问题。 1 2 土质洞室地基稳定性的研究现状 随着地面与地下空间的综合开发利用日趋增多，地面建筑与地下工程的冲突也日益 明显。有些是在既有洞室上修建建筑( 开洞地基) ，另有则是在既有建筑下开挖地下洞室 ( 地基开洞) 1 5 1 。城市地下洞室工程具有与一般岩土工程不同的特点，主要是：多数埋深 较浅，地面建筑、交通设施密集，地下管线多，开挖造成的影响大，地质条件复杂，多 以土体为主，常有膨胀土、沙层、地下水，尤其是沿海沿江城市，淤土、软土的开挖难 度更大。 1 2 1 开洞地基研究现状 对于开洞地基的研究，目前主要集中在岩溶地基的稳定性及处理措施上，而关于土 质开洞地基稳定性的分析则相对较少。 b a d i e 及w a n g ( 1 9 9 1 ) 【6 】用f l a c 程序研究了三种不同形状的洞穴对地面荷载的影 响，得出垂曲线形洞穴的支撑力最大，圆形洞穴次之，方形洞穴承受荷载能力最小的结 论。 张国学( 1 9 9 5 ) 1 7 采用有限元方法对地基土中空洞支撑损失对建筑结构构件内力影响 进行了分析；孙仲权与王明年( 2 0 0 0 ) 【8 l 对分层介质中超浅埋暗挖地铁隧道的稳定性进行 了研究；张柏平等( 2 0 0 4 ) 唧探讨了基坑支护与挖土施工对建筑物下方地铁隧道产生的变 形影响。 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 1 2 2 地基开洞研究现状 对于地基开洞，由于开挖卸荷使周围地层和地面产生有害变形，往往会造成建筑物 产生不均匀沉降、开裂甚至倒塌。 o r e i l l y 、n e w 等f l 肛l l 】针对不同的地层，研究了采用不同施工方法所引起的地表沉 降问题；d a v i s 等( 1 9 8 0 ) 1 1 2 j 采用塑性极限分析的上下限理论研究了黏性土地基中浅埋隧 洞开挖的稳定性问题；l e x a 和d o r m i e u x ( 1 9 9 0 ) 【1 3 】对圆形浅埋土层隧道通过极限分析， 得到了圆形浅埋土层隧道的应力上下限解。 国内不少学者对地基开洞也进行了大量研究。刘建航等( 1 9 9 1 ) 【14 】以p e c k 法【1 5 】为基 础，根据上海延安东路隧道施工实测资料，提出“负地层损失”的概念，在此基础上得 出预测纵向沉降槽曲线的计算公式。徐斌( 1 9 9 8 ) 【1 6 】利用边界元法研究了软土地基中地铁 隧道与临近建筑的相互影响；王善勇等( 2 0 0 2 ) 【1 7 】采用数值分析手段研究了地铁开挖对地 基沉降的影响问题；杨晓杰等( 2 0 0 6 ) 【18 】分析了地铁隧道近距穿越对其上建筑物桩基的负 面效应。 1 3 隧洞开挖对邻近桩基影响的研究现状 对于隧洞开挖引起邻近桩体变形和受力问题的研究，因其复杂性，目前相关文献还 不是很多。 m o r t o n 和k i n g ( 1 9 7 9 ) t 1 9 】通过室内试验研究了隧道开挖对邻近桩基承载力和沉降的 影响效应。发现隧洞开挖对桩基的影响很大，因此推断：软土中隧洞开挖对邻近或上部 桩基的影响在地下工程设计和施工中是巨大的，可能起支配作用。 a r c w c u 等( 1 9 8 6 1 1 2 0 j 报导了一个工程实例：为减小未来隧道施工可能产生的负摩擦 力影响，桩身采用了沥青质涂层。l e e 等0 9 9 4 ) 【2 l 】亦报导了一个工程实例：该工程隧道 穿过新建成的7 层建筑( 有2 层地下室) 的桩基之间。尽管估算了总的长期地层沉降，但 对桩基可能的影响并没有明确指出，至少在文献里没有涉及。取而代之的措施是，桩身 设置了套筒以减少负摩擦力的影响，并用有限元法估计了桩体的侧向偏斜，计算所得的 最大值用以进行桩体设计。 c h e a 、p o l o u s 和l o g a a a t h a n ( 1 9 9 9 ) 瞄1 则采用l o g a n a t h a n 和p o l o u s ( 1 9 9 8 ) 1 2 2 的隧道工 程引起土体位移的解析解公式分析了隧道开挖引起的邻近桩基反应问题。桩体反应可以 通过由p o l o u s 和d a v i s ( 1 9 8 0 ) 【硼描述的简化边界元来分析，桩体模型为简单弹性梁，土 为弹性介质，桩体的侧向反应分析通过p l a x i s 计算程序实现，竖向反应分析通过p i e s 计算程序实现。分析了一系列参数对桩体反应的影响，包括隧道几何尺寸，地层损失率， 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 土体强度，桩径，桩长与隧道覆盖层厚度比等参数。并制定了对实际工程有指导意义的 简单图表。 l e e 和n g ( 2 0 0 5 ) 2 5 1 为研究隧道开挖对邻近承载桩的影响及土隧道桩相互作用 机理，开展了三维弹塑性耦合固结的数值分析。基于对地基情况，几何形状和隧道施工 方法的模拟，指出隧道开挖面前后一倍隧道直径范围是对邻近桩基性能影响显著的区 域。 s u 巧a d 妣i l a 和h u l l 2 6 j 等( 2 0 0 6 ) 采用有限元和边界元( f a b ) 相结合的方法研究了隧洞 开挖对邻近桩基的影响。 李永盛和黄海鹰( 1 9 9 7 ) 【2 7 】提出了盾构推进对邻近桩体力学影响的实用计算方法。荷 载传递过程通过弹性理论中的开尔文公式描述，分析中假定土体为均匀线弹性无限体， 盾构和桩体为荷载作用点和所需计算的受荷点，不计桩体本身刚度对荷载传递的影响及 桩端的约束条件，盾构推进仅为空间位置上的变化，与时间无关，盾构推进力可分解为 垂直分布于盾构工作面的正向推进力及法向于盾构简体表面的侧向挤压力。 荷载作用过程按弹性地基梁理论分析，其中假设桩体非荷载作用一侧的土体为分层 均匀分布的线弹性半无限体，其与桩体的共同作用符合文克尔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处理为固定， 铰接或自由，在某一相对位置上盾构推进引起的附加荷载的大小和作用方向保持不变。 在这些假定的基础上进行计算分析，得到了一些对工程具有指导意义的结论。 阮林旺和李永盛( 1 9 9 7 ) 田】分析了盾构施工引起邻近桩体变形和受力的机理，从盾构、 土体、桩体相互作用角度分析了该问题。他们认为应主要从两个方面去考虑该问题，即 力学效应和几何效应。力学效应具体指盾构推进力和因注浆引起的侧向挤压力的影响； 几何效应则主要针对盾构纠偏、衬砌变形及盾构尾部的建筑空隙引起的土体松动。分析 大量的工程实测资料可知，盾构推进力和盾构尾部的土体损失是引起土体扰动的两个最 主要因素。通过分析得到了一些结论。 ( 1 ) 桩体变形和受力与盾构施工的具体细节和施工工艺密切相关，同时还取决于桩 侧土体性能的好坏。 但1 桩体前后挠曲主要受正向推进力影响，而与地层损失无关。桩体左右挠曲同时 受正向推进力和地层损失的影响，从整个盾构推进过程看，桩体左右挠曲有一弹性恢复 过程。 ( 3 ) 盾构正向推进力引起桩侧摩阻力增加，桩体轴力减小。而地层损失引起桩侧摩 阻力减小，桩体轴力增大。受盾构推进的影响，桩顶附加弯矩最大。从整根桩体的受力 和变形看，桩顶为最危险截面。 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 ( 4 ) 当桩间距大于6 倍桩径时，群桩作用可以看成单桩作用的叠加，当桩间距小于 3 倍桩径时，应考虑群桩效应。 ( 5 1 桩体与土体是共同受力、相互影响的，桩侧土体性能的好坏对桩体受力和变形 影响很大，在地下工程施工过程中保护地下构筑物的一个重要举措是加固构筑物周边土 体。 ( 6 ) 桩顶约束情况对桩体变形和受力影响显著。 张云军，宰金珉等( 2 0 0 5 ) 例基于隧道开挖的工程实例，采用有限元方法，分析了邻 近桩基的隧道开挖对建筑物桩基的影响。探讨了不同埋深隧道开挖引起的地面、建筑物 角点的沉降规律，并研究了桩和底板的弯矩、轴力、剪力等变化规律。 杨晓杰、邓飞皇等( 2 0 0 6 1 0 0 采用三维拉格朗日有限差分法模拟分析了浅埋暗挖隧道 近距穿越建筑桩基础施工引起桩基承载力的变化规律，得出隧道施工对桩基承载力的影 响主要表现为对桩侧摩阻力和桩端总抗力两方面影响的结论。 黄茂松、张宏博等( 2 0 0 6 ) 1 3 1 1 采用两阶段分析方案，利用分层土体的剪切位移法研究 了浅埋隧道开挖引起的土体移动对隧道桩项位移及轴力的影响。 1 4 本文的主要工作 本文研究内容主要包括两部分，一是研究建筑荷载作用下土质洞室地基的稳定性， 二是考虑隧洞开挖对邻近桩基的影响，分析桩体反应。 第一部分结合工程实例，采用加载系数法和强度折减法分别对开洞地基与地基开洞 后建筑物下土质洞室地基的破坏过程与整体稳定性进行有限元数值模拟；在此基础上， 针对不同的地面加载方式与洞室埋深，采用强度折减法与加载系数法对开洞地基开展弹 塑性有限元数值计算与分析，探讨了其中的一些规律。 第二部分通过具体工程算例，合理简化建立模型，研究了二维平面应变条件下隧洞 开挖对邻近单桩的影响：分析了既定桩位条件下隧道开挖引起的典型桩身反应，接着变 化桩位、桩长和桩径，总结了其反应的变化规律；进而研究了隧洞开挖对邻近群桩的影 响，对比分析了群桩中基桩的反应，并比较了基桩和相同情况下单桩的响应，得出了满 足工程需要的有效结论。 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 土体本构模型及地层移动理论 2 1 引言 目前关于隧道工程对岩土环境影响的研究所采用的计算方法大致分为三类：经验公 式法、有限元法、解析法，此外还有神经网络分析预测法等。其中经验公式法原理简单， 易操作，采用大量现场及室内模型试验实测数据进行拟合，该方法的预测结果往往同实 际工程测量结果符合的很好，但也不可避免的具有其局限性：( 1 ) 不能考虑特殊的隧道 形状和施工工艺；( 2 ) 不能考虑侧向土体位移；( 3 ) 只能考虑单一地质条件；( 4 ) 只能考 虑地表的竖向沉降( 用m a i r 等1 3 2 】的方法虽然可以考虑地面以下的沉降，但对异于m a i r 所研究的地层情况，仍需实测资料的支持) ；( 5 ) 不能考虑异常边界条件所导致的不对称 沉降；( 6 1 只能用于施工良好的条件，施工条件不好则不能考虑。解析方法从土体位移 的产生机理着手，运用经典弹性力学理论，得到的是精确理论解公式，精度高，计算量 小，但解题范围有限，目前的研究把土体视为弹性半空间，跟大部分土体的实际情况相 去甚远。研究结果亦表明，在与实际测量结果进行比较时，解析法同硬粘土地质条件下 的情况符合得很好，但和软粘土就符合得不太好。而神经网络分析法，需要大量试验和 实测数据对模型进行训练，且人工神经网络预测准确的前提是输入参数的准确性和可靠 性及全面性，但土体天然特性就是复杂性和多变性，土体特性的确定存在很多不确定因 素，因此神经网络分析法的预测效果也存在着一定的不确定性。相比而言，目前应用比 较广泛、理论比较成熟的是有限元法。 有限元法是一种十分有效的数值分析方法。它具有几个突出特点：( 1 ) 可用于求解 非线性问题：( 2 ) 易于处理非均质、各向异性材料；( 3 ) 能适用于各种复杂的边界条件。 而这几点正是岩土材料用其它方法难以处理的问题，因此岩土工程问题中很适宜采用有 限元法。有限元法诞生于2 0 世纪中叶，其刚刚发展起来时，便引起了岩土力学界的浓 厚兴趣。1 9 6 6 年美国的c l o u g h 和w o o d w a r d ”l 首先将有限元法应用于土力学，做了土 坝的非线性分析。接着大批岩土力学研究者从事有限元方面的研究并取得了巨大进展。 在国内，1 9 7 3 年河海大学和南京水科院开始将有限元法应用于岩土工程研究。目前国内 大型土石坝的设计己普遍采用有限元法，其它岩土工程问题中有限元法的应用也得到了 推广。 在微机普及前的数十年，隧道工程中盾构施工引起的地层移动仅用几何学方法预 测，如b 血g g s 、r o z s a 、p e e k 、村山和松同等人的方法。后来发展的有吉越法、j e f f e r y 法等，但考虑的仍是单一地层条件1 3 4 。发展迅速的有限元法近年来较多采用，因其可同 时考虑多层地层、盾尾空隙和灌浆等因素的影响。 7 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 2 2 土体本构模型 本构关系，又称本构定律，是指材料的应力、应变关系。虎克定律是最基本也是最 简单的一种本构关系，即假定材料的应力应变关系是线弹性的。土力学中常用的计算 地基应力和地面沉降的公式，都依据了这一假定。然而，由于土体是散粒体，其本构关 系比其它材料复杂的多，土体的变形规律是很复杂的，概括起来讲，有以下几点： ( 1 ) 土体变形有明显的非线性特征。无论压缩试验测得的e p 曲线，三轴试验测得 的应力应变曲线，还是野外荷载试验测得的荷载一沉降曲线，都是如此。 ( 2 ) 应力和应变张量的球张量和偏张量之间存在交叉影响。土体在剪应力作用下， 不仅会产生剪切变形，还会产生体积变形，称为剪胀性；作用在土体上的正应力不仅会 产生体积变形，而且对土体的剪切变形也可能产生影响，称为压硬性。这种交叉，或藕 合效应，在其它材料中是很少见的。 ( 3 ) 土体的应力一应变关系曲线有加工硬化和加工软化两种型式，而一种土的应力 一应变关系曲线是属于前者还是后者，并非一成不变，一定条件下，可能发生相互转化。 ( 4 ) 应力路径、应力历史、中主应力和固结压力等，对变形均有显著影响。 ( 5 ) 天然土层在强度和刚度上往往表现为各向异性。土体各向异性表现在两个方面： 一方面在沉积和固结过程中，天然土层中的粘土颗粒及其组构单元排列的方向性造成了 土体各向异性，另一方面天然土层中的初始应力一般处于各向不等压力状态。这两种原 因造成的各向异性分别称为土体固有各向异性和土体应力各向异性。 ( 6 ) 加荷速率对土体应力应变关系也有影响。严格地讲，土体是具有弹性、塑性 和粘性的粘弹塑性体，应从流变学的观点来研究应力、应变和强度特性。 ( 7 ) 排水条件对土体变形也有影响。一般情况下，土体由固体颗粒、水和空气组成。 这种非饱和土在荷载作用下三相变形间的耦合作用使变形形状变得非常复杂。对于饱和 土，在外部荷载作用下，不排水条件下，通常认为其体积不变，而在排水条件下土体发 生固结，体积改变。故在不同排水条件下，应力应变性状不同。 此外，温度对应力应变关系的影响也应注意，尤其是冻土、寒土地区，以及昼夜 温差变化很大的地区。 由于实际工程中土体应力应变关系的复杂性，实际上没有一种模型能考虑所有的 影响因素，也没有一种模型能够适用于所有土类和加载情况。为了能建立用于解决实际 工程问题的实用模型，通常会采用各种简化措施，土体本构模型大体上可以分为弹性模 型、弹塑性模型、粘弹塑性模型、内时塑性模型及损伤模型等几类。较常采用的主要有 两大类：一是弹性模型中的非线性弹性模型理论，它以弹性理论为基础，在各微小的荷 大连理工大学硕士研究生学位论文 载增量范围内，把土体看作弹性材料，从一个荷载增量变化到另一个荷载增量时，土体 的弹性常数发生变化以考虑非线性，比如d u n c a n 和c h a n g 等( 1 9 7 0 ，1 9 8 0 ) 3 5 - 3 6 】建立的 一口非线性弹性模型，e 一占模型建立在广义虎克定律基础上的，只适用于土体破坏以 前，且不能反映土体的剪胀性，也不能反映中主应力对模量的影响。二是弹塑性模型理 论，弹塑性理论又分为塑性增量理论( 又称塑性流动理论) 和塑性全量理论( 又称塑性形变 理论) ；由于塑性形变理论实质上是把弹塑性变形过程看成是非线性弹性变形过程，因 此严格来说塑性形变理论的应用只是在等比例加载条件下才成立，近些年建立的土体弹 塑性模型大部分是依据塑性增量理论建立的。塑性增量理论中，将物体在弹塑性变形阶 段的应变分为弹性应变和塑性应变，弹性应变用广义虎克定律计算，塑性应变用塑性增 量理论计算。常用的理想弹塑性本构模型有p r a n d t l r e l i s s 模型、d r u c k e r - p r a g e r 模型和 m o h r - c o u l o m b 模型等。 2 2 1d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型 d l i i l c r l l 。c h a n g 等( 1 9 7 0 。1 9 8 0 ) 建立的e b 非线性弹性模型是国内外应用较多的模型 之一。d i m c a n 和c h a n g ( 1 9 7 0 ) 根据k o n d n e r ( 1 9 6 3 ) 1 3 7 的建议采用下述双曲线方程表示 由三轴试验得到的土体应力一应变曲线： o 1 - - 0 3 ) = 上a + b s t ( 2 1 ) 式中： ，轴向应变5 ( 盯1 盯3 ) 一主应力差； a 、b 一双曲线函数参数。 d u n c a n - c h a n g 建议将上式改写为： ( ”仃s ) 2 丁 晟。( o r l 一) ， 式中：e 初始弹性模量，晟：一1 ： r 一枇肛蹴嘶，嘲； ( 仃广仃，) ，一土体破坏时的主应力差： 9 ( 2 2 ) 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 ( 仃广仃，) 。一双曲线渐近线所对应的主应力差。 ( 仃l 仃，) 弘足树 亿s ， 弘掣 ( 2 4 ) 肛网i e l ( 2 - 5 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 一叮；) ，= 婴警 ( 2 e ) 弘制“ 一等掣 2 c z ， 卸载和重复加载时弹性模量值e 。表达式为： 耻p 引 眨8 ， 式中：k 。试验常数，通过试验测定，一般情况下k 。 k 。 d i j i i c a n c h a n g ( 1 9 7 0 ) 非线性弹性模型中提出的切线泊松比方程未能得到推广应用， b = k b p 竺1 ( 2 9 ) e b 模型是建立在广义虎克定律基础上的，因此它只适用于土体破坏以前。e b 模型 为反映球应力张量对材料屈服的影响，将v o nm i s 屈服条件推广为广义y o nm i s e s 屈服条件。d r u e k e r - p r a g e r 模型正是在考虑静水压力的广义* c o nm i s e s 屈服准则的基础上 d r u c k e r 和p r a g e r ( 1 9 5 2 ) 3 9 1 首先提出在应力空间中为一圆锥形屈服面的屈服条件。 在玎平面上，其圆形屈服曲线为m o h r - c o u l o m b 屈服曲线的内切圆。屈服条件表达式为： 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 式中：，。应力张量第一不变量； ，：一应力偏张量第二不变量； 口= = ；! 呈竺 4 3 4 3 + s i n 锄 a l l + ，2 = k ( 2 1 0 ) c ，9 一分别为土体的粘聚力和内摩擦角。 后来，许多学者对系数口，k 又提出其它一些表达式。这类屈服条件可以统称为广 义v o nm i s e $ 屈服条件。d r u c k e r p r a g e r ( 1 9 5 2 ) 屈丑匣条件是广义v o nm i s e s 屈服条件中的 一种特殊情况。d r u e k e r - p r a g e r ( 1 9 5 2 ) 屈服条件在土工数值分析中得到较多应用，特别 是在岩体力学分析中。由上面的分析可知，广义y o ni v l i s e s 屈服条件在，r 平面上的屈服 曲线图形仍然是一个圆。在应力空间，它的屈服面是一个圆锥体面，中心轴线与等倾线 重合。 3 图2 - 2 广义v o n m i s e s 屈服条 f i g 2 - 2g e n e r a l i z e dy i e l dc o n d i t i o no f y o nm i s e $ = 仃3 定义，日) 为屈服函数t 则d r l l c k e r - p r a g e r 模型的屈服准则的表达式定义为： f ( 盯i i ) = 厄一a l ，一k = 0 ( 2 1 1 ) 怒 = i 大连理工大学硕士研究生学位论文 认为当材料处于弹性阶段( f 0 ) 或卸载时( ，= 0 ，同时6 f = 0 ( 2 1 8 b ) 在厅平面上，m o h r - c o u l o m b 屈服条件是一个不等角的等边六边形，如图2 - 4 所示。 在主应力空间，m o h r - c o u l o m b 屈服条件的屈服面是一个棱锥面，中心轴线与等倾线重 合。 f 。 破坏线 气f 一7 而 矿 弋、心型蠢 c 图2 - 3c o u l o m b 定律 f i g 2 3c o u l o m bl a w 1 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 4m o h | _ c o u l b 屈服面 f i g 2 - 4m o h r - c o u l o m by i e l ds u r f m o h r - c o l 】1 0 m b 屈服条件在三维应力空间的表达式为： 扣i n 9 + 压s i n ( 日+ 詈 s i n 妒一c 唧= 。 c z 式中：口一由c o s 3 0 = 4 2 j 3 ；定义。 ，一应力偏张量第三不变量： f 。- - l 面体剪应力。 对工程材料，m o h r - c o u l o m b 准则应用较多，但其屈服面存在尖顶和棱角这些奇异 点，使数值计算变得繁琐且收敛缓慢，不少学者对此进行修正。石平面上屈服面形状由 函数g ( 日) 确定，g 徊) 表示万平面上屈服曲线随l o d e 角变化的规律。 m o h r - c o u l o m b 准则的表达式为： g ) 2 永忑3 五- s i n 赢( p 丽 2 2 0 ) 为消除石平面上屈服曲线的奇异点，在确定g ( p ) 时，要求日= 等时满足： 盥盟：o( 2 2 1 ) d p 这样的函数可以写成多项式或三角方程式，通常还取 隧洞开挖对邻近桩基影响的数值分析 g ( 石6 7 。1( 2 2 2 ) g ( 一，r 6 ) = k 根据m o h r - c o u l 伽曲关系，可以把k 值用磨擦角9 来表示： k ：3 - s m q