地下工程开挖对桩筏基础影响的竖向参数分析

隧道开挖对邻近桩筏基础的影响受土层的分布、桩基础的排列、桩基础的尺寸、隧道埋深、隧道与桩筏基础的距离和隧道的施工方法等因素的影响，因此，为了给设计和施工提供一定的指导，有必要对各种影响因素进行研究，总结影响规律。由于在隧道开挖时桩基往往是已经存在的基础，设计方案中难以改变，且Kitiyodom等(2005)已经对桩基础的尺寸、排列等因素进行了一定的研究，因此，本书将着重于对土层分布对被动桩筏基础的影响进行分析，同时也将补充分析桩基排列以及隧道相关参数对被动桩筏基础的影响。

1.隧道相关的参数

与隧道设计相关的参数主要在于隧道选线时所确定的参数，包括隧道埋深、隧道与桩基的距离，在隧道开挖时，采用不同的施工工艺以及施工控制措施将造成不同的开挖面地层损失，因此，与隧道施工相关的参数主要是地层损失比。本小节将利用本书方法对这三个因素对被动桩筏基础的影响进行分析。分析中的计算参数如表3-1所列。表中，L为桩长，d为桩直径，R为隧道开挖半径，x为隧道距桩的距离，H为隧道轴线埋深，ε0为地层损失比，Es为土层模量，E p为桩身模量，vs为土体泊松比，v p为桩身泊松比。

A.隧道与桩的距离(x)

采用均质地基中隧道开挖对单桩的影响分析模型(图3-9)，隧道与桩的距离为研究对象，分别将距离设置为0、4.5、9、13.5 m，其他计算参数如表3-1所列。

表3-1　隧道参数分析

　　从图3-23可见，随着距离的增大竖向变形和轴力都随之减小，在距离较大的时候，桩身反而出现了拉力。

图3-23　隧道与桩的距离对被动桩的竖向影响

B.隧道埋深

为了明确隧道位置与桩长的关系，本书利用隧道埋深与桩长的比值(H/L)来表示隧道埋深，分别设置H/L为0.2、0.6、1.0和1.4计算隧道周边单桩受力特性，其他计算参数如表3-1所列。

从图3-24可以看到桩基最大沉降出现在H/L=1的时候，而轴力最大值出现在H/L=0.6时。说明在隧道选线时，需要根据两个标准来控制对周边建筑的影响，首先，为了减少邻近建筑的沉降，隧道应避免在桩底附近位置穿越，其次，为了保护桩身自身的安全，隧道应避免从桩基中部位置穿越，隧道埋深在桩埋深0.5～1倍桩长范围内是一个比较合理的位置。

图3-24　隧道埋深对被动桩基的竖向影响

C.地层损失比

本书方法中，隧道的施工方法和质量主要反映在地层损失比上。因此，本书也对地层损失比对被动桩基的影响进行了分析，分析中，地层损失比分别设置为1%、2%、3%、4%和5%，其他参数见表3-1。

如图3-25所示，桩身竖向位移和轴力都随着地层损失比的增加而增加，图3-26显示，最大桩身竖向位移和轴力随着地层损失比线性增长。所以选用合理的施工方法、控制施工质量有助于减少隧道开挖引起的桩身沉降和轴力。

图3-25　地层损失比对被动桩的竖向影响

图3-26　地层损失比对最大沉降与轴力的影响

2.土层分布

如前文所述，隧道开挖假设为不排水开挖，土层泊松比为常数0.5，所以，土层分布主要反映在土层弹性模量的不同上，本书拟对两层土和三层土体系中土层的弹性模量比对邻近隧道的被动桩基的影响进行分析。

A.双层地基

如图3-17所示双层土体体系，设置上、下土层的模量比为0.25、0.5、1和2，其他参数如表3-2所列。同时，为了研究上、下土层的刚度对邻近隧道被动桩基的影响，本书分两部分考察土层模量比对邻近隧道被动桩基的影响，第一部分维持上层土弹性模量不变，改变土层模量比；第二部分维持下层土弹性模量不变，改变土层模量比。

表3-2　双层体系中计算参数

　　a.下卧土层模量影响

在该部分，设置上覆土层的模量为24 MPa，下卧层土的模量随着上、下土层的模量比的变化而改变。

图3-27和图3-28所示分别为双层地基中下卧土层模量对邻近隧道的被动单桩和桩筏的影响。从图上可见，虽然桩身变形和内力沿着桩身的分布规律基本一致，但是数值上随着上、下土层模量比Es1/Es2的变化而变化。从图上可见，随着上、下土层模量比Es1/Es2的增大，桩身竖向位移随之增大，且在Es1/Es2＜0.5时，桩顶位移随着上、下土层模量比的变化很小，而桩身轴力随之增加。而且可以看到，下卧土层模量的变化对桩身的轴力的影响主要集中于分布于下卧土层中的桩段，对于上覆土层中的桩段仅竖向位移影响较大。也就是说，过高地增加下覆土层的刚度不仅对控制桩筏基础的沉降没有帮助，而且会增加桩身破坏的危险。从图上可见，下卧土层的刚度对桩筏基础的影响规律与对单桩的影响规律是一致的。

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图3-27　下卧土层刚度对邻近隧道桩筏基础的竖向影响

图3-28　下卧土层刚度对邻近隧道被动桩筏的竖向影响

b.上覆土层模量影响

在该部分，在双层地基中设置下卧土层的模量为24 MPa，上覆层土的模量随着上、下土层的模量比的变化而改变。

图3-29和图3-30所示分别是双层地基中上覆土层刚度对邻近隧道的单桩和桩筏基础的影响的计算结果。从图上可见，无论是桩身位移还是内力，都随着上、下土层模量比Es1/Es2的增大而增大。也就是说，在下层土已经选定时，回填较软的土体有助于减小沉降和保护桩基安全。上覆土层刚度对桩筏基础的影响规律与对单桩的影响规律相同。

图3-29　上覆土层刚度对邻近隧道被动单桩竖向影响

图3-30　上覆土层刚度对邻近隧道被动桩筏基础竖向影响

B.三层地基

从双层地基的分析可以知道，土层模量比对邻近隧道的被动桩筏基础的影响规律与对邻近隧道的被动单桩的影响规律相同，因此，这里仅考虑三层地基中地基模量比对邻近隧道被动单桩的影响。图3-31所示为在三层土体地基中隧道开挖对单桩影响的计算模型。其中三层土土层模量比Es1∶Es2∶Es3分别设置为1∶2∶4，1∶4∶2，2∶1∶4，2∶4∶1，4∶1∶2和4∶2∶1。其他参数见表3-3。

图3-31　三层体系示意图

表3-3　三层体系中计算参数

图3-32所示为三层地基体系中土层模量比对邻近隧道的被动单桩的影响的计算结果。隧道所在土层的刚度对桩基的影响较大，而隧道所在土层的上覆土层和下卧土层的刚度变化对邻近隧道的被动桩基的影响较小。特别是当隧道所在土层刚度保持一致时，其他土层刚度变化时，轴力和侧摩阻力基本保持不变。与双层地基体系相同，多层地基中土层模量比对邻近隧道被动桩筏基础的影响规律可以参考邻近隧道被动单桩的影响规律。

3.桩基排列

图3-32　三层地基中土层模量比对邻近隧道桩筏基础的竖向影响

对桩筏基础本身的参数对邻近隧道被动桩筏基础的影响，Kitiyodom等(2005)做了比较多的研究，如桩基设计中比较关心的长径比等，本节针对桩筏基础中桩基的排列对邻近隧道的被动桩筏基础的影响展开研究。

如图3-33和图3-34所示，分层地基中邻近隧道六根桩桩筏体系，将六根桩排列为3×2桩筏(图3-33)和2×3桩筏(图3-34)两种形式。利用本书程序分别计算该两种排列方式中桩基的受力特性，研究排列方式对邻近隧道的被动桩筏基础的影响。

图3-33　层状地基中邻近隧道3×2桩筏基础

图3-34　层状地基中邻近隧道2×3桩筏基础

图3-35所示为层状地基中隧道开挖对3×2桩筏基础的计算结果。从图上可以看出，该桩筏基础中基桩受力特性和前后桩差异均与2×2桩筏基础类似，同排桩基的受力特性基本一致。图3-36所示为2×3桩筏基础的计算结果。从图上可以看出该桩筏基础中基桩受力特性和前后桩差异也与2×2桩筏基础类似。两侧边桩的受力特性基本一致，但是中间一排桩(即桩3和桩4)的沉降略大于边桩，且侧摩阻力和轴力都要略小于边桩。这说明中心桩处土体所受遮拦效应较小，而边桩处土体所受遮拦效应较大。当在不考虑桩体变形对遮拦效应影响时，中心桩处遮拦位移应比边桩大，本书考虑了桩基最终变形状态对遮拦效应的影响，即桩体变形对遮拦效应的影响后，中心桩处遮拦效应反而变小，这说明了桩体变形对遮拦效应有明显的削减作用。这也说明，相对遮拦效应来讲，桩体变形对遮拦效应的削减作用对距离更为敏感，随着距离减小，这种削减作用迅速增大，增大的速率超过了遮拦效应的增大速率，从而导致遮拦效应随距离减小不增大反而减小。因此，在进行竖向被动群桩的分析时，必须考虑这种削减作用。

图3-35　层状地基中隧道开挖对3×2桩筏的影响

图3-36　层状地基中隧道开挖对2×3桩筏的竖向影响