盾构施工对大型立交桥超长桩工作性状的影响

盾构近距离穿越大型立交桥超长桩基础会对桩基础及上部桥梁结构产生不利影响。通过对盾构近距离侧穿超长桩基础过程进行数值模拟,研究了不同深度处盾构掘进对超长桩承载性状、变形和内力的影响。研究表明：盾构近距侧穿超长桩会导致桩身出现较大变形及内力,且隧道轴线与超长桩处于不同相对位置时会对桩的特性产生不同影响。其他条件不变时,盾构从桩身上部的近距离穿越,将引起桩身最大的横向水平位移;盾构从桩身中部近距离穿越则将引起桩身产生沿盾构掘进方向的最大的水平位移;盾构从桩端附近穿越时将引起桩身产生最大的竖向位移;盾构从桩身中下部穿越时将引起桩身产生最大的附加轴力。桩身侧阻在隧道轴线附近呈“S”型,同时桩身轴力最大值也出现在隧道轴线附近。盾构导致桩身产生纵向和横向变形延伸至桥面高度的变形量相当可观。当盾构穿越高架桥梁基础时应该严格控制桩顶水平位移。     

静压沉桩引起邻近隧道水平位移计算方法研究

静压沉桩过程中会产生强烈的挤土效应,使得桩周土及邻近的地下电缆隧道产生扰动变形,如果变形过大,可能破坏隧道的防水结构,造成隧道渗漏水,严重影响隧道的正常使用及安全。在圆柱孔扩张理论及基床系数法的基础上,研究了饱和软土地区静压沉桩作用下周边地层及邻近既有电缆隧道应力及水平位移的理论计算方法;考虑群桩效应,推导了单排群桩施工造成邻近既有电缆隧道水平位移的理论计算方法,并研究了群桩效应影响系数的取值范围;最后,开展了实际工程的理论计算和数值模拟。研究结果表明：提出的方法可方便计算出单桩及单排群桩施工造成的邻近既有电缆隧道的水平位移,计算结果与数值模拟结果吻合性良好。研究可为有邻近桩基施工时电缆隧道的扰动预测及保护提供参考。     

膨胀土地基中隧道施工对群桩影响研究

在膨胀土地基中进行隧道对群桩影响的三维离心模型试验研究,目标地层损失比为2%,着重研究引起的地基沉降槽、桩的附加沉降、附加弯矩、轴力的变化规律。试验得出：隧道开挖沉降槽空间效应明显;隧道开挖从-0.75D至1.25D时,桩附加沉降呈线性增长,隧道开挖至1.25D以后,桩依然沉降明显。前桩与后桩沉降值不同,桩帽会出现倾斜;前桩上部出现负附加弯矩而下部出现正附加弯矩,而后桩仅在下部出现正附加弯矩;前桩附加弯矩最大值出现在隧道轴线附近,且比后桩附加弯矩大得多;前桩附加轴力随着隧道的开挖而增加,且每步最大值在隧道轴线附近。后桩的轴力也随隧道的开挖而增加,但每步最大值出现在桩顶附近。     

隔离桩及盾构近接施工对高铁桩基的影响分析

针对饱和砂土地区盾构隧道超近接高铁桥墩摩擦桩的工程问题,采用钻孔灌注桩及高压旋喷桩组合隔断隧桩间位移。分别对钻孔灌注桩、高压旋喷桩及盾构上下行线近接高铁桥梁桩基引起的高铁桩基的变形及变位开展现场试验,对现场实测数据及规律进行分析。结果表明,钻孔灌注桩施工使高铁桥墩产生沉降,占施工过程最大沉降量的 75%～125%;高压旋喷桩施工导致桥墩产生隆起,占施工过程最大沉降量的-50%,旋喷桩施工完成后将持续一段时间;盾构施工对高铁桥墩竖向变形产生影响,距离高铁桩基越近影响越大,同时累计沉降跟盾构施工控制有较大关系。     

隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响

在分析隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响时,基于荷载传递法和Winkler地基模型,利用两阶段分析法通过迭代求解给出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答。通过与离心机试验的短期和长期试验结果的对比,分析了隧道开挖对邻近单桩的竖向影响,从而验证该方法的合理性和适用性。讨论了隧道开挖情况下隧道中心线距地表的距离、隧道中心线与桩轴线的距离、平均地层损失比、桩长、桩径、桩身强度6种因素对邻近单桩竖向受力特性的影响,提出隧道开挖对邻近单桩的竖向受力特性的影响规律。结果表明：随着隧道中心线距地表距离的增加,桩身沉降和桩身轴力先增大然后逐渐减小;随着隧道轴线与桩轴线距离的增加,桩身沉降逐渐减小,桩身轴力增大到一定值后逐渐减小;随着平均地层损失比的增加桩身沉降不断增大,桩身轴力逐渐增大到稳定值。     

邻近不同基础建筑物地铁盾构施工相互内力影响研究与分析

在建筑物密集的城区,盾构施工通常会使周围一定范围内的既有建筑物受到影响。在考虑建筑物基础形式不同情况下,采用有限元方法对邻近不同位置建筑物工况下的盾构隧道施工进行了模拟和分析。研究表明：建筑物基础形式不同,对隧道衬砌的受力状况的影响也不同,在邻近建筑物的盾构隧道施工时衬砌要承受更大的内力值。对于隧道邻近浅基础建筑物的工况,隧道开挖对建筑物的影响比较大;但对于桩基础建筑物,邻近基础一侧隧道开挖引起的建筑物内力变化相对较小     

A simplified analysis method for piled raft and pile group foundations with batter piles

A simplified method of numerical analysis has been developed to estimate the deformation and load distribution of piled raft foundations subjected to vertical, lateral, and moment loads, using a hybrid model in which the flexible raft is modelled as thin plates and the piles as elastic beams and the soil is treated as springs. Both the vertical and lateral resistances of the piles as well as the raft base are incorporated into the model. Pile–soil–pile, pile–soil–raft and raft–soil–raft interactions are taken into account based on Mindlin's solutions for both vertical and lateral forces. The validity of the proposed method is verified through comparisons with several existing methods for single piles, pile groups and piled rafts. Workable design charts are given for the estimation of the lateral displacement and the load distribution of piled rafts from the stiffnesses of the raft alone and the pile group alone. Additionally, parametric studies were carried out concerning batter pile foundations. It was found that the use of batter piles can efficiently improve the deformation characteristics of pile foundations subjected to lateral loads. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

隧道盾构施工引起邻近建筑物及其桩基变形的数值分析

以天津地铁2号线隧道盾构施工为背景,取沿盾构轴线右侧一6层框架居民楼为研究对象,基于ABAQUS软件,建立了隧道和邻近建筑物及其桩基的计算模型,分析盾构施工对邻近建筑物及其桩基础变形的影响。结果表明,隧道盾构施工导致地表沉降,引起框架结构及其桩基变形,框架整体向隧道盾构一侧倾斜。其中框架梁靠近中柱一端沉降较大,而框架中柱及其桩基也较两侧边柱及其桩基的沉降大。同时表明,盾构施工对邻近建筑物及地下桩基变形产生的影响是整体相关的,在隧道盾构施工时应引起相关设计与施工部门的注意。      

盾构法开挖隧道对桩基础影响的有限元分析

利用有限元软件ABAQUS,采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟天津市地铁1号线盾构施工。计算结果表明,有限元模型能够很好地模拟盾构施工过程。利用此模型研究隧道开挖对桩基础的影响。隧道开挖引起的桩顶沉降、桩身侧移主要发生在盾构机推进面逐渐接近桩的过程中,当盾构机推进面通过桩所在的位置后桩顶沉降、桩身侧移增加不明显;与隧道水平距离相同时,由于长桩能够充分发挥桩身下部的侧摩阻力,隧道开挖引起的长桩的桩顶沉降小于短桩的桩顶沉降;隧道开挖过程中12 m长桩的桩身发生了整体倾斜,16、19 m长桩的桩身出现了弯曲变形,16、19 m长桩的桩身最大弯矩发生在地面下12～13 m之间,即在隧道轴线附近;开挖过程中桩顶出现沿隧道推进方向的往复位移;桩顶作用的竖向荷载越大,由隧道开挖引起的桩顶沉降越大     

桩基础荷载对邻近已有隧道影响的有限元分析

目前,城市密集的高层建筑桩基础对临近隧道的影响问题越来越突出,为了更好地理解桩群荷载对已建成隧道的影响,主要进行了两方面的研究：（1）利用平面应变有限元方法分析了桩列荷载作用对邻近已有隧道的变形及受力影响,并研究了桩群参数变化（包括桩间距以及桩基础与隧道结构净距）对现存隧道的影响;（2）分析计算了上海太平洋2期广场工程对邻近地铁1号线隧道的影响。分析结果表明：隧道单侧存在桩列荷载作用时,隧道变形以沉降为主,水平位移较小,同时隧道结构向桩基础方向产生一定扭曲,这对于运营地铁是十分不利的;桩基础荷载造成隧道所受弯矩分布向桩基础方向偏转;随着桩间距、桩与隧道净距的增加,隧道拱顶下沉量以及弯矩变化最大值相应减小,沿隧道方向桩间距变化影响大于垂直隧道方向桩间距变化影响。     

隧道开挖对桩基工程影响的数值分析

隧道开挖对邻近桩基工程影响的问题引起了国内外诸多学者关注。在概述目前研究成果的基础上,探讨了采用有限差分数值模拟技术模拟建筑物桩基的方法以及参数取值问题,并就北京某地铁隧道近距离穿越某桩基工程进行了模拟,分析了隧道开挖施工而引起周围土体及桩基的变形特点。其结果可为地铁建设中预测地铁开挖对于周围环境的影响提供参考。     

桥梁桩基主动托换中顶升荷载的简化计算

以福州地铁1号线盾构隧道下穿洗马桥的桩基主动托换工程为依托,针对桥梁上部结构-桩身-土体三者共同组成的复杂超静定结构,运用数值模拟方法和现场实测数据,分析了在不同顶升荷载作用下复杂超静定结构的内力与位移响应,重点讨论了托换过程中上、下部结构的相对刚度及其对顶升荷载的影响;根据顶升荷载作用点以下桩身轴力接近0的条件,确定了桥墩盖梁与薄壁桥台梁两种典型工况下的桩基顶升荷载分别为1 800 kN和2 600 kN。现场监测结果表明,顶升过程中上部结构的位移值和桩身轴力变化值,均与计算结果吻合较好。在此基础上,提出基于上、下部结构刚度比的顶升荷载简化计算方法,研究结果可为类似复杂超静定结构的桩基主动托换工程提供参考和借鉴。     

Response evaluation for horizontally loaded fixed‐head pile groups using 3‐D non‐linear analysis

The response of laterally loaded pile foundations may be significantly important in the design of structures for such loads. A static horizontal pile load test is able to provide a load–deflection curve for a single free‐head pile, which significantly differs from that of a free‐ or fixed‐head pile group, depending on the particular group configuration. The aim of this paper is to evaluate the influence of the interaction between the piles of a group fixed in a rigid pile cap on both the lateral load capacity and the stiffness of the group. For this purpose, a parametric three‐dimensional non‐linear numerical analysis was carried out for different arrangements of pile groups. The response of the pile groups is compared to that of the single pile. The influence of the number of piles, the spacing and the deflection level to the group response is discussed. Furthermore, the contribution of the piles constituting the group to the total group resistance is examined. Finally, a relationship is proposed allowing a reasonable prediction of the response of fixed‐head pile groups at least for similar soil profile conditions. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

砂土中隧道开挖对邻近桩基竖向影响的简化计算方法

基于砂土中隧道开挖引起的土体竖向位移经验公式,分析隧道开挖对邻近桩基础的竖向影响。采用两阶段计算方法,将邻近桩基础视为竖向被动桩,依据砂土中隧道开挖引起地表及地表以下土体产生的沉降槽,考虑桩土相互作用的非线性,得到砂土中隧道开挖对邻近桩基础轴力影响的简化计算方法,并与土工离心试验结果进行对比,验证了该方法的合理性。在研究过程中,分析了隧道覆盖层厚度、隧道直径、隧道与桩之间的距离、隧道土体损失率、桩长、桩径等因素。研究结果表明,桩身轴力随着覆盖层厚度的增加而减小,随隧道直径和土体损失率的增大而增加;隧道与桩之间距离为2.5倍隧道直径时对轴力的影响最大;随着桩长、桩径的增加,桩身轴力逐渐增加。     

盾构施工对桩基的影响及桩基近邻度划分

隧道盾构施工过程中因盾构对土体的扰动和盾构脱出而没有及时注浆或注浆量不够,通常会对隧道邻近的桩基造成影响,如桩基内力发生改变从而使桩基变形、移位等,影响了桩基的承载力和正常使用。正交试验是一种高效、快速的找出某种指标的主要和次要影响因素的方法。通过建立盾构施工过程中近邻桩基的弹塑性有限元模型,结合正交试验和方差分析,得到了盾构施工对近邻桩基的影响因素大小。结果表明,盾构隧道施工过程中对近邻桩基沉降影响大小的因素依次为：桩与隧道的距离、桩顶荷载、应力损失和土体物理力学性质;桩基在(2.5～3.0)D0（D0为隧道直径）以外,则桩基基本上不受盾构开挖的影响;桩顶沉降与桩顶原来的荷载相关性显著,桩顶荷载的大小反映了土体应力水平的高低。根据方差分析的显著性检验结果提出桩基近邻度的概念和计算公式,把盾构隧道周围的桩基分为非常近、近邻、远邻和非常远等4类桩,表明Ⅰ类桩和Ⅱ类桩受到盾构施工的影响较大,施工前应对桩基采取必要的保护和加固措施,Ⅲ类桩视情况进行处理,Ⅳ类桩一般不需要处理。     

考虑土拱效应的疏排桩支护基坑内力和变形分析

采用同济大学中型岩土离心机进行了2组疏排桩支护基坑的离心机模型试验,结合三维有限元数值分析探讨了采用规范方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形的适宜性,并提出了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩侧土压力的理论计算方法,最后建立了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩身内力和变形的计算模型。研究结果表明：对于桩间距与桩径之比为2、3和8的疏排桩支护基坑,桩间土体无法形成土拱效应;对于桩间距与桩径之比为4～7的疏排桩支护基坑,桩间土拱效应明显;规范法计算得到桩身内力与变形结果要比离心机试验结果偏大,与规范方法相比,采用文中提出的计算方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形更为合理。     

考虑桩间土体抗滑作用的单排抗滑桩受力计算方法

为了充分考虑桩间距范围内滑体对抗滑桩受力的影响,从单排抗滑桩加固边坡的整体稳定角度出发,在采用传递系数法分析指定设计安全系数情况下抗滑桩的内力时,提出对一个桩间距范围内的加固坡体进行整体分析,将抗滑桩所在部位单独划分条块,该条块包括桩体受荷段及其两侧桩间距范围内的滑体。推导了与此分析模型相应的桩体受荷段底端内力计算公式,并给出了在滑坡推力线性分布条件下作用于受荷段的净滑坡推力计算表达式。分析结果显示,在不考虑与完全考虑受荷段两侧桩间距范围内滑体抗力作用时,得到是桩体内力及位移的上、下边界值。实例分析进一步表明,理论分析与数值模拟结果具有良好的一致性。所提出的方法比传统方法更有利于抗滑桩设计的经济性。     

Beam–solid contact formulation for finite element analysis of pile–soil interaction with arbitrary discretization

This paper presents an embedded beam formulation for discretization independent finite element (FE) analyses of interactions between pile foundations or rock anchors and the surrounding soil in geotechnical and tunneling engineering. Piles are represented by means of finite beam elements embedded within FEs for the soil represented by 3D solid elements. The proposed formulation allows consideration of piles and pile groups with arbitrary orientation independently from the FE discretization of the surrounding soil. The interface behavior between piles and the surrounding soil is represented numerically by means of a contact formulation considering skin friction as well as pile tip resistance. The pile–soil interaction along the pile skin is considered by means of a 3D frictional point‐to‐point contact formulation using the integration points of the beam elements and reference points arbitrarily located within the solid elements as control points. The ability of the proposed embedded pile model to represent groups of piles objected to combined axial and shear loading and their interactions with the surrounding soil is demonstrated by selected benchmark examples. The pile model is applied to the numerical simulation of shield driven tunnel construction in the vicinity of an existing building resting upon pile foundation to demonstrate the performance of the proposed model in complex simulation environments. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Vertical response of pile raft foundations subjected to tunneling‐induced ground movements in layered soil

A simplified analysis method has been developed to estimate the vertical movement and load distribution of pile raft foundations subjected to ground movements induced by tunneling based on a two‐stage method. In this method, the Loganathan–Polous analytical solution is used to estimate the free soil movement induced by tunneling in the first stage. In the second stage, composing the soil movement to the pile, the governing equilibrium equations of piles are solved by the finite difference method. The interactions between structural members (such as pile–soil, pile–raft, raft–soil, and pile–pile) are modeled based on the elastic theory method of a layered half‐space. The validity of the proposed method is verified through comparisons with some published solutions for single piles, pile groups, and pile rafts subjected to ground movements induced by tunneling. Good agreements between these solutions are demonstrated. The method is also used for a parametric study to develop a better understanding of the behavior of pile rafts influenced by tunneling operation in layered soil foundations. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

地震荷载下长短桩复合地基的群桩效应系数分析

长短桩复合地基中,地震发生时,短桩在降低长桩所受剪力和弯矩影响中起到重要作用。本研究对弹性地基中的钢管桩基础实行了静态有限元分析,以及动态离心模型试验,通过桩径、桩长、桩间距等参数进行剪切波速,长桩剪力弯矩的对比分析,得到一种新的水平向群桩效应系数计算方法,并通过对模型建筑物的模拟,验证了该方法的有效性与实用性。结果表明,静态有限元数值模拟分析和离心模型试验结果有较好拟合,不同震级作用下通过该方法均能给出较为合理的系数。本文结果可为长短桩复合桩基的抗震性能提供重要参考,实际工程中,通过调整桩径,桩长,短桩数量等参数,可以提出更为合理的设计施工方案。