竖向荷载及土体位移耦合条件下盾构法隧道施工引起的被动群桩工作机理研究

New settlements and deformations will arise in pile-group foundations when the tunnel is driven near the exist tall buildings. Researches carried out by the applicant before show that there are differences in the mechanism between the passive pile-group caused by tunneling and those in the case of surcharge loads and slope engineering, as the effect caused by the axial loads carried by pile-group should not be neglected. Firstly, the field monitoring of tunneling and the centrifuge tests will be carried out, and then based on the results from field monitoring and centrifuge tests, the finite element methods are adpopted to make further investigetions on the mechanism of passive pile-group caused by tunneling. Models of lateral soil movement, group effect, sheltering effect and soil arching are studied when the parameters such as the burring depth of tunnel, distance between tunnel and pile group, pile length and pile sapcing change. The mechanism of passvie pile-group caused by tunneling will be summerized when the couple effect of axial load and lateral soil movement is considered in this research. The objectives of this study is to provied the practical methods to evaluate the settlements and defromations of passive pile-group and make estimations on the bearing capacity of the passive pile group.

地铁隧道近距离穿越既有建筑桩基础时，桩基础产生新的沉降和侧移，成为被动群桩。申请人已进行的前期研究表明地铁隧道开挖引起的被动群桩与边坡工程及地面堆载等情况下的被动群桩的受力性状并不相同，桩顶竖向荷载的存在对被动群桩的影响不能忽略。申请人拟采用隧道施工现场监测、离心机试验及基于现场监测及离心机试验结果基础之上的有限元数值分析方法，对盾构法隧道施工引起的被动群桩的工作机理进行研究，通过变化隧道埋深，隧道与群桩之间的距离，群桩的桩长、桩间距等因素，研究当群桩基础存在时隧道开挖引体的土体的水平位移模式、被动群桩的群桩效应、遮拦效应及土拱效应，阐明在桩顶竖向荷载及土体位移耦合条件下被动群桩的工作机理，为估算盾构法隧道施工引起的被动群桩的位移及沉降提供理论依据，从而对被动群桩的承载力做出合理的评价。

在建筑密集的城市开挖地铁隧道时，地铁隧道近距离穿越对既有建筑物桩基础影响的是工程人员亟需解决的问题。国、内外学者采用试验手段和数值方法对隧道施工对毗邻被动群桩基础的影响进行了大量研究，但已有的研究中存在以下的问题：.1. 大多数的研究中忽略了桩顶竖向荷载的作用；.2. 很难准确得到隧道开挖引起的土压力分布模式；.3. 大多数文献主要研究单桩或桩数较少的2×2群桩基础；.4. 缺乏对隧道开挖引起的被动群桩的遮拦效应、土拱效应问题的详细探讨；.5. 有限元模拟盾构施工方法存在不足；.6. 已获得的关于桩基础受到土体运动影响的研究成果并不能借鉴。.本项针对上述6个问题做了进一步研究，得到结论如下：.1. 研究3×3群桩基础在竖向工作荷载作用下盾构隧道掘进过程引起的群桩的工作性状。桩顶竖向荷载对群桩沉降系数和位移系数有较大的影响。.2. 本项目通过变参数研究，绘制了大量盾构机掘进过程中竖向工作荷载作用下单桩、群桩土压力分布图。.3. 研究盾构隧道掘进过程毗邻的3×3群桩基础的沉降、侧移和桩侧摩阻力分布情况及影响因素。隧道开挖会引起群桩的竖向荷载在各基桩中重新分配，一般来说，中间桩的桩顶竖向荷载增加，而边桩的桩顶竖向荷载减小；.4. 研究盾构隧道掘进过程对毗邻的3×3群桩基础的影响，重点讨论了群桩中的土拱的分布特点，比较了隧道开挖引起被动群桩的土拱与边坡工程和堆载情况下典型的被动群桩的土拱不同之处。.5. 有限元模拟盾构机掘进过程。本项目有限元模型中将盾构掘进的每个开挖步分为四个阶段：盾构机与土体之间的相互作用、土体开挖、盾尾脱离和注浆硬化。在盾构机与土体之间施加在土体上的作用力：推进力、切削力和摩擦力模拟盾构开挖；利用ABAQUS的单元生死技术模拟土体的开挖及衬砌的生成。.6. 比较了竖直桩、倾斜桩在盾构施工、地面堆载及土体水平运动引起的不同土体位移形式下桩基础的工作性状。尽管盾构施工、地面堆载及土体水平运动引起的土体位移形式不同，但它们对摩擦型单桩的影响有一些共同点：土体移动使桩身产生较大的弯矩，桩顶竖向荷载的P-Δ效应不显著；.本项目的研究成果克服了以往有限元模拟盾构机掘进的不足，进一步揭示了竖向工作荷载与土体位移耦合条件下被动群桩的群桩效应、遮拦效应及土拱效应，探讨多种情况下基桩的土压力分布模式，比较了盾构施工、地面堆载及土体水平运动引起的