林炳泉;尤作磊;韩高孝
【摘 要】以某地铁线路下穿高速公路桥梁为背景,通过有限元软件Abaqus,建立三维有限元模型,并计算分析了2种施工方案下隔离桩施工引起的桥梁基础变形及桩侧摩阻力变化.计算结果表明:隔离桩施工引起的桩侧摩阻力损失不大,可忽略.合理安排施工顺序,可降低隔离桩施工对既有桥梁基础的影响. 【期刊名称】《交通科学与工程》 【年(卷),期】2016(032)003 【总页数】5页(P63-67)
【关键词】隔离桩;桥梁基础;有限元 【作 者】林炳泉;尤作磊;韩高孝
【作者单位】湖州市城市规划设计研究院,浙江湖州 313000;湖州市城市规划设计研究院,浙江湖州 313000;兰州交通大学,甘肃兰州 730070 【正文语种】中 文 【中图分类】U443.15
盾构隧道下穿施工会对周围地层产生扰动，这种扰动以地层变形的形式传递至邻近既有桥梁桩基础，使其产生附加变形和附加内力，给既有桥梁桩基础及其上部结构的正常使用带来不利影响[1]。为了减小盾构施工对桥梁的影响并保证其安全，可分别针对盾构隧道下穿既有桥梁施工时的扰动来源(隧道施工)、扰动媒介(地层变形)和扰动对象(既有桥梁桩基础)，选取控制技术措施。其中，隔离桩便是一种常
用的针对扰动媒介的控制技术。项彦勇[2]等人分析了隔离桩的工作机理，并提出了一种计算隔离结构和周围地层变形的算法。吴昌将[3-5]等人通过数值模拟和对现场实测数据的分析，研究了隔离桩的隔离效果。王长宁[6]等人以南京地铁6号线下穿高铁桥梁为背景，研究了深埋盾构隧道全断面穿越岩层时隔离桩的隔离效果和适用性。这些研究都是针对隔离桩的工作机理及其隔离效果和适用性开展的，但关于隔离桩施工本身对既有桥梁桩基础的影响却鲜有研究。作者以某地铁盾构隧道下穿高速公路桥梁为背景，拟研究隔离桩施工本身对既有桥梁桩基础的影响。 盾构隧道直径6.2 m，左、右线隧道顶埋深均为23 m。盾构隧道从中间跨穿越高速公路3跨钢筋混凝土连续梁桥。右线隧道与桩基水平最小净距约5.2 m，隧道底部高于桩端0.7 m；左线隧道与桩基水平最小净距约21.5 m，隧道底部高于桩端约2.3 m，如图1所示。中间跨桥墩下各设14根直径1 m的钻孔灌注桩，它们的桩长分别为23 m和25 m。
穿越区自上而下土层分别为人工填土、粉质粘土、强风化粉砂岩及中风化粉砂岩，桥梁桩端位于中风化粉砂岩中，盾构隧道也主要穿越该层，各土层参数见表1。地下水埋深为0.5～1.5 m，主要为孔隙潜水。
为了保证桥梁安全并减小其变形，在右线隧道外侧设置18根钻孔桩作为隔离桩(如图1，2所示)，隔离桩桩端深入隧道底以下1 m，距最近的桥梁桩基约3.7 m。采用直径为1 m的隔离桩，间距为1.5 m。 2.1 有限元计算模型
为研究隔离桩施工对桥梁桩基产生的影响，本研究对2种不同的施工方案进行了计算分析。方案①隔离桩分6批施工：第1批桩施工(1#,6#及12#桩)；第2批桩施工(3#,8#及17#桩)；第3批桩施工(5#,10#及16#桩)；第4批桩施工(2#,7#及13#桩)；第5批桩施工(4#,9#及15#桩)；第6批桩施工(11#,14#及18#桩)；方案②隔离桩分2批施工：第1批桩(1#,3#,5#,7#,9#,11#,13#,15#及17#桩)同时
施工，待第1批桩混凝土浇筑完毕后，第2批桩(2#,4#,6#,8#,10#,12#,14#,16#及18#桩)再施工。隔离桩施工时，采用泥浆护壁，泥浆比重1.15～1.25。
采用有限元软件Abaqus进行计算分析，计算模型和网格划分如图3所示。采用结构化网格划分技术，对模型进行网格划分，单元类型为C3D8R。模型的计算土层区域取纵向30 m，横向20 m，深度方向50 m。桥梁桩基、承台和中风化粉砂岩为线弹性材料，其余土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则，土层计算参数见表1。模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界，桩顶和承台刚接。桥梁桩基和承台均取弹性模量30 GPa，泊松比0.2。 对于施工方案①，在隔离桩施工前，先进行初始地应力计算，并将位移清零。隔离桩施工分6批，由于模型中包含5层土体，在计算过程中将隔离桩的开挖按不同土层进行分步计算(即每批次桩体开挖分5步计算)，再进行隔离桩的浇筑施工分析，相当于每批隔离桩施工需进行6步计算，则6批隔离桩施工需进行36步计算。再加第一步初始地应力计算，方案①共需37个分析步。同理，方案②共需13个分析步。
为了分析隔离桩施工对群桩基础变形和内力的影响，考虑到代表性和受影响程度，选择桥承台4个角点以及角点最近处的桩基作为评价的对象，角点位置标号如图2所示(其中：角点1,2靠近右线隧道开挖线；X方向为顺桥向；Y方向为横桥向；Z方向竖直向下)。
表1 土层参数Table 1 Parameters of the soil地层土体容重/(kN·m-3)压缩模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)基本承载力/kPa素填土
18.56.9010.010.01501b1-2粉质粘土19.86.2031.813.82602b2-3粉质粘土20.18.2856.816.1310强风化粉砂岩21.513.5040.018.0450中风化粉砂岩23.71416--1300
图3 有限元计算模型Fig. 3 The model of the finite element calculation 2.2 计算结果
方案①的计算结果如图4所示。由于承台各角点与中心点位移具有相同的变化规律，因此，本研究以承台中心点位移为例来分析隔离桩施工对桥梁桩基的影响规律。从图4中可以看出，承台中心点位移在每一批次施工过程中均呈现先增加后减小的特点。随着隔离桩开挖位移的增加，浇注隔离桩混凝土后的位移减小。这表明X向的位移随着施工批次的增加而逐渐增加(如图5(a)所示)。X向的最大位移为-1.34 mm。承台中心点Y向的位移(横桥向)与隔离桩所处的横向位置有较大的关系。隔离桩离承台近对Y向位移的影响大，离承台远对Y向位移的影响相对要小(如图5(b)所示)。Y向的最大位移为-0.45 mm，影响不大。承台中心点Z向的位移(沉降)随着防护桩施工进程的平加而逐渐增加，Z向的最大位移为0.25 mm(如图5(c)所示)。方案①隔离桩施工完成后承台中心点和各角点的位移见表2，桩侧摩阻力损失情况(均相对于初始状态)见表3。摩阻力损失不大，可忽略。
图4 承台角点位移(方案①)Fig. 4 Displacements of the corner of the pile cap(program①)
方案②的计算结果如图6所示。从图6中可以看出，承台中心点X向(顺桥向)的位移在每一批次施工过程中是先增加后减小的。随着防护桩
图5 不同施工批次下的承台角点位移(方案①)Fig. 5 Displacements of the corner of the pile cap under different construction batch(program①)表2 角点及中心点位移(方案①)Table 2 Displacements of the centre and the corner(program①)
方向位移/mm中心点角点1角点2角点3角点4X-1.34-1.70-1.40-1.29-1.41Y-0.45-0.36-0.37-0.55-0.55Z0.250.500.52-0.05-0.05
开挖位移的增加，浇注防护桩基混凝土后的位移减小。这表明X向位移随着施工批次的增加而逐渐增加。X向的最大位移为-2.61 mm。承台中心点Y向的位移(横桥向)影响不大，其最大位移为-0.17 mm。承台中心点Z向的最大位移(沉降)为-0.08 mm,影响很小。方案②隔离桩施工完成后承台中心点和各角点的位移见表4，桩侧摩阻力损失情况(均相对于初始状态)见表5。摩阻力损失不大，可忽略。 表3 桩侧摩阻力损失(方案①)Table 3 The loss of the lateral friction(program①)桩长/m损失摩阻力/kPa1#桩2#桩3#桩4#桩
0.50.260.250.080.054.21.081.020.290.197.80.910.880.350.2011.50.630.600.290.2014.80.670.560.350.1118.10.430.380.190.1020.80.240.190.140.1323.50.090.090.080.05
图6 承台角点位移(方案②)Fig. 6 Displacements of the corner of the pile cap(program②)表4 角点及中心点位移(方案②)Table 4 Displacements of the centre and the corner(program②)
方向位移/mm中心点角点1角点2角点3角点4X-2.61-2.69-2.52-2.53-2.69Y-0.17-0.16-0.13-0.17-0.20Z0.08-0.10-0.120.020.03 表5 桩侧摩阻力损失(方案②)Table 5 The loss of the lateral friction(program②)桩长/m损失摩阻力/kPa1#桩2#桩3#桩4#桩
0.50.250.150.050.034.20.900.810.170.167.80.720.660.270.1711.50.500.430.160.1914.80.670.470.190.1018.10.410.300.160.1020.80.220.150.130.1123.50.080.080.070.04 3 结论
隔离桩按6批次施工引起的桥梁承台顺桥向位移-1.34 mm，比较按2批次施工引起的位移 -2.61 mm 要小得多，它的横向位移和沉降要大一些，但均不是很大。
隔离桩按6批次施工引起的最终桩侧摩阻力损失比2批次施工的稍大，但整体数值均很小，可忽略。合理安排施工批次和施工顺序，可降低隔离桩施工对既有桥梁的影响。
参考文献(References)：
Study on the influence of isolating piles construction on the existing bridge foundation by the finite element analysis LIN Bing-quan1, YOU Zuo-lei1, HAN Gao-xiao2
(1.Urban Planning and Design Institutein in Huzhou City,Huzhou 313000,China；2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070,China) Abstract：Taking one shield tunnel passing through a bridge of a highway as a background,a 3D finite element model was established by Abaqus.The deformations of the bridge foundation and variations of the frictional resistance around piles were analyzed under two construction schemes.It is indicated that the loss of frictional resistances around piles was small and could be ignored.Furthermore,a reasonable arrangement of the construction order can mitigate the influences of isolating piles construction on the bridge foundation.
Key words：isolating piles; bridge foundation; FEM 收稿日期：2016-03-30
作者简介：林炳泉(1983-)，男，湖州市城市规划设计研究院工程师。 文章编号：1674-599X(2016)03-0063-05 中图分类号：U443.15 文献标识码：A
采用有限元软件Abaqus进行计算分析，计算模型和网格划分如图3所示。采用结构化网格划分技术，对模型进行网格划分，单元类型为C3D8R。模型的计算土层区域取纵向30 m，横向20 m，深度方向50 m。桥梁桩基、承台和中风化粉砂岩为线弹性材料，其余土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则，土层计算参数见表1。模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界，桩顶和承台刚接。桥梁桩基和承台均取弹性模量30 GPa，泊松比0.2。 对于施工方案①，在隔离桩施工前，先进行初始地应力计算，并将位移清零。隔离桩施工分6批，由于模型中包含5层土体，在计算过程中将隔离桩的开挖按不同土层进行分步计算(即每批次桩体开挖分5步计算)，再进行隔离桩的浇筑施工分析，相当于每批隔离桩施工需进行6步计算，则6批隔离桩施工需进行36步计算。再加第一步初始地应力计算，方案①共需37个分析步。同理，方案②共需13个分析步。
为了分析隔离桩施工对群桩基础变形和内力的影响，考虑到代表性和受影响程度，选择桥承台4个角点以及角点最近处的桩基作为评价的对象，角点位置标号如图2所示(其中：角点1,2靠近右线隧道开挖线；X方向为顺桥向；Y方向为横桥向；Z方向竖直向下)。
图3 有限元计算模型Fig. 3 The model of the finite element calculation 2.2 计算结果
方案①的计算结果如图4所示。由于承台各角点与中心点位移具有相同的变化规律，因此，本研究以承台中心点位移为例来分析隔离桩施工对桥梁桩基的影响规律。从图4中可以看出，承台中心点位移在每一批次施工过程中均呈现先增加后减小的特点。随着隔离桩开挖位移的增加，浇注隔离桩混凝土后的位移减小。这表明X
向的位移随着施工批次的增加而逐渐增加(如图5(a)所示)。X向的最大位移为-1.34 mm。承台中心点Y向的位移(横桥向)与隔离桩所处的横向位置有较大的关系。隔离桩离承台近对Y向位移的影响大，离承台远对Y向位移的影响相对要小(如图5(b)所示)。Y向的最大位移为-0.45 mm，影响不大。承台中心点Z向的位移(沉降)随着防护桩施工进程的平加而逐渐增加，Z向的最大位移为0.25 mm(如图5(c)所示)。方案①隔离桩施工完成后承台中心点和各角点的位移见表2，桩侧摩阻力损失情况(均相对于初始状态)见表3。摩阻力损失不大，可忽略。
图4 承台角点位移(方案①)Fig. 4 Displacements of the corner of the pile cap(program①)
方案②的计算结果如图6所示。从图6中可以看出，承台中心点X向(顺桥向)的位移在每一批次施工过程中是先增加后减小的。随着防护桩
图5 不同施工批次下的承台角点位移(方案①)Fig. 5 Displacements of the corner of the pile cap under different construction batch(program①)表2 角点及中心点位移(方案①)Table 2 Displacements of the centre and the corner(program①)
方向位移/mm中心点角点1角点2角点3角点4X-1.34-1.70-1.40-1.29-1.41Y-0.45-0.36-0.37-0.55-0.55Z0.250.500.52-0.05-0.05
开挖位移的增加，浇注防护桩基混凝土后的位移减小。这表明X向位移随着施工批次的增加而逐渐增加。X向的最大位移为-2.61 mm。承台中心点Y向的位移(横桥向)影响不大，其最大位移为-0.17 mm。承台中心点Z向的最大位移(沉降)为-0.08 mm,影响很小。方案②隔离桩施工完成后承台中心点和各角点的位移见表4，桩侧摩阻力损失情况(均相对于初始状态)见表5。摩阻力损失不大，可忽略。 表3 桩侧摩阻力损失(方案①)Table 3 The loss of the lateral friction(program①)桩长/m损失摩阻力/kPa1#桩2#桩3#桩4#桩
0.50.260.250.080.054.21.081.020.290.197.80.910.880.350.2011.50.630.600.290.2014.80.670.560.350.1118.10.430.380.190.1020.80.240.190.140.1323.50.090.090.080.05
图6 承台角点位移(方案②)Fig. 6 Displacements of the corner of the pile cap(program②)表4 角点及中心点位移(方案②)Table 4 Displacements of the centre and the corner(program②)
方向位移/mm中心点角点1角点2角点3角点4X-2.61-2.69-2.52-2.53-2.69Y-0.17-0.16-0.13-0.17-0.20Z0.08-0.10-0.120.020.03 表5 桩侧摩阻力损失(方案②)Table 5 The loss of the lateral friction(program②)桩长/m损失摩阻力/kPa1#桩2#桩3#桩4#桩
0.50.250.150.050.034.20.900.810.170.167.80.720.660.270.1711.50.500.430.160.1914.80.670.470.190.1018.10.410.300.160.1020.80.220.150.130.1123.50.080.080.070.04 3 结论
隔离桩按6批次施工引起的桥梁承台顺桥向位移-1.34 mm，比较按2批次施工引起的位移 -2.61 mm 要小得多，它的横向位移和沉降要大一些，但均不是很大。隔离桩按6批次施工引起的最终桩侧摩阻力损失比2批次施工的稍大，但整体数值均很小，可忽略。合理安排施工批次和施工顺序，可降低隔离桩施工对既有桥梁的影响。
参考文献(References)：
Study on the influence of isolating piles construction on the existing bridge foundation by the finite element analysis
LIN Bing-quan1, YOU Zuo-lei1, HAN Gao-xiao2
(1.Urban Planning and Design Institutein in Huzhou City,Huzhou 313000,China；2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070,China) Abstract：Taking one shield tunnel passing through a bridge of a highway as a background,a 3D finite element model was established by Abaqus.The deformations of the bridge foundation and variations of the frictional resistance around piles were analyzed under two construction schemes.It is indicated that the loss of frictional resistances around piles was small and could be ignored.Furthermore,a reasonable arrangement of the construction order can mitigate the influences of isolating piles construction on the bridge foundation.
Key words：isolating piles; bridge foundation; FEM 收稿日期：2016-03-30
作者简介：林炳泉(1983-)，男，湖州市城市规划设计研究院工程师。 文章编号：1674-599X(2016)03-0063-05 中图分类号：U443.15 文献标识码：A
2.2 计算结果
方案①的计算结果如图4所示。由于承台各角点与中心点位移具有相同的变化规律，因此，本研究以承台中心点位移为例来分析隔离桩施工对桥梁桩基的影响规律。从图4中可以看出，承台中心点位移在每一批次施工过程中均呈现先增加后减小的特点。随着隔离桩开挖位移的增加，浇注隔离桩混凝土后的位移减小。这表明X向的位移随着施工批次的增加而逐渐增加(如图5(a)所示)。X向的最大位移为-
1.34 mm。承台中心点Y向的位移(横桥向)与隔离桩所处的横向位置有较大的关系。隔离桩离承台近对Y向位移的影响大，离承台远对Y向位移的影响相对要小(如图5(b)所示)。Y向的最大位移为-0.45 mm，影响不大。承台中心点Z向的位移(沉降)随着防护桩施工进程的平加而逐渐增加，Z向的最大位移为0.25 mm(如图5(c)所示)。方案①隔离桩施工完成后承台中心点和各角点的位移见表2，桩侧摩阻力损失情况(均相对于初始状态)见表3。摩阻力损失不大，可忽略。
方案②的计算结果如图6所示。从图6中可以看出，承台中心点X向(顺桥向)的位移在每一批次施工过程中是先增加后减小的。随着防护桩
开挖位移的增加，浇注防护桩基混凝土后的位移减小。这表明X向位移随着施工批次的增加而逐渐增加。X向的最大位移为-2.61 mm。承台中心点Y向的位移(横桥向)影响不大，其最大位移为-0.17 mm。承台中心点Z向的最大位移(沉降)为-0.08 mm,影响很小。方案②隔离桩施工完成后承台中心点和各角点的位移见表4，桩侧摩阻力损失情况(均相对于初始状态)见表5。摩阻力损失不大，可忽略。 3 结论
隔离桩按6批次施工引起的桥梁承台顺桥向位移-1.34 mm，比较按2批次施工引起的位移 -2.61 mm 要小得多，它的横向位移和沉降要大一些，但均不是很大。隔离桩按6批次施工引起的最终桩侧摩阻力损失比2批次施工的稍大，但整体数值均很小，可忽略。合理安排施工批次和施工顺序，可降低隔离桩施工对既有桥梁的影响。
参考文献(References)：
Study on the influence of isolating piles construction on the existing bridge foundation by the finite element analysis
LIN Bing-quan1, YOU Zuo-lei1, HAN Gao-xiao2
(1.Urban Planning and Design Institutein in Huzhou City,Huzhou 313000,China；2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070,China) Abstract：Taking one shield tunnel passing through a bridge of a highway as a background,a 3D finite element model was established by Abaqus.The deformations of the bridge foundation and variations of the frictional resistance around piles were analyzed under two construction schemes.It is indicated that the loss of frictional resistances around piles was small and could be ignored.Furthermore,a reasonable arrangement of the construction order can mitigate the influences of isolating piles construction on the bridge foundation.
Key words：isolating piles; bridge foundation; FEM 收稿日期：2016-03-30
作者简介：林炳泉(1983-)，男，湖州市城市规划设计研究院工程师。 文章编号：1674-599X(2016)03-0063-05 中图分类号：U443.15 文献标识码：A
隔离桩按6批次施工引起的桥梁承台顺桥向位移-1.34 mm，比较按2批次施工引起的位移 -2.61 mm 要小得多，它的横向位移和沉降要大一些，但均不是很大。隔离桩按6批次施工引起的最终桩侧摩阻力损失比2批次施工的稍大，但整体数值均很小，可忽略。合理安排施工批次和施工顺序，可降低隔离桩施工对既有桥梁的影响。
【相关文献】
[1] 韩秋石.盾构隧道下穿施工对既有桥梁桩基础的影响及其控制技术研究[D].西安：长安大学,2015.(HAN Qiu-shi.Study on the effect of the construction that shield the tunnel from down-traversing the pile foundation of the existing bridge and its control technology[D].Xi’an:Chang’an University,2015.(in Chinese))
[2] 项彦勇,贺少辉,张弥,等.导洞隔离桩墙结构对浅埋暗挖隧道周边地层移动的限制作用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3317-3323.(XIANG Yan-yong,HE Shao-hui,ZHANG Mi,et
al.Constraint effect of the pilot-drift and separation-pile structure on ground movements induced by shallow tunneling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(19):3317-3323.(in Chinese))
[3] 吴昌将,张子新,丁文其,等.盾构侧穿临近古建筑的施工影响分析及保护措施加固效果研究[J].岩土工程学报,2012,34(1):158-165.(WU Chang-jiang,ZHANG Zi-xin,DING Wen-qi,et al.Influences of the construction of side-crossing shield tunnel on adjacent ancient architectures and reinforcement effect of protection measures[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2012,34(1):158-165.(in Chinese))
[4] 崔光耀,王明年,路军富,等.客运专线机场路隧道下穿高架桥近接桩基施工位移控制技术[J].中国铁道科学,2011,32(3):68-73.(CUI Guang-yao,WANG Ming-nian,LU Jun-fu,et al.Adjacent pile foundation construction displacement control technology of passenger-dedicated line of Jichang road tunnel crossing under viaducts[J].China Railway Science,2011, 32(3):68-73.(in Chinese))
[5] 范国文,王先堂.暗挖双连拱隧道穿越浅基础高层楼群区施工技术[J].铁道工程学报,2003(3):109-116.(FAN Guo-wen,WANG Xian-tang.Construction technique for the subsurface
excavation of a double-hinged arch tunnel crossing high-rise building area with a shallow foundation[J].Journal of Railway Engineering Society,2003(3):109-116.(in Chinese)) [6] 王长宁,韩高孝.深埋盾构隧道在岩层中穿越桥梁时隔离桩适用性研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2015,28(2):45-49.(WANG Chang-ning,HAN Gao-xiao.Research on the applicability of isolating piles when the shield tunnel is deeply buried crossing
bridges[J].Journal of Shijiazhuang Tiedao University:Natural Science,2015,28(2):45-49.(in Chinese))
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容