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桩群沉降与并排双隧穿越荷载传递机理

Y. Hong ^b, M.A. Soomro ^a,^[1] , C.W.W. Ng ^c

a土木工程系，工程科学技术大学，Qaid-e-Awam巴基斯坦Sindh

b土木工程与建筑学院，浙江大学，中国

c土木与环境工程系、香港科技大学、清水湾、九龙、香港特别行政区

摘要：地下运输系统的开发通常涉及双隧道，在施工期间可能遇到现有的桩群。由于许多以前的研究主要集中在单隧道对单桩的影响，沉积和荷载传递机制的桩组双隧道的没有很好的调查和理解。为了解决这两个问题，在这项研究中进行了两个三维离心机试验，以模拟并排双隧道（桩基两侧一个接一个地挖掘）在两个关键位置相对于桩组，即旁边（测试TT）和桩组的脚趾下方（测试BB）。此外，离心机试验的数值反分析通过使用低塑性模型进行，其考虑小应变刚度。测量和计算结果表明，测试TT中的桩组引起的倾斜显着大于测试BB，最大百分比差为120％。另一方面，在测试TT中，与测试BB相比，桩组的沉降稍小（约13％）。这是因为测试TT中的桩组部分位于隧道引起的地下沉降的主要影响区内，而测试BB中的整个桩组受到地下沉降的主要影响区域的限制。由于双隧道的两个不同的负载转移机制被识别，即，在测试TT中的桩组中的负载从桩轴向下转移到桩趾，而测试BB中的桩组中的负载从桩趾向上转移到桩轴。除了沿着每个桩的载荷转移之外，在双隧道期间，桩之间也发生载荷再分布。在测试TT和BB中，在桩头处的轴向载荷仅在靠近推进的隧道面的堆叠处减小，并且减少被重新分配给其他三个桩。桩之间的载荷重新分布导致在试验TT中轴向力的最大增加为10％。

关键词：双隧道；群桩；沉降；荷载传递机理；三维离心模型；有限元分析

介绍

隧道是满足拥堵城市快速增长的交通需求的有效手段。 隧道的建设很可能会遇到现有的地下结构，如桩基。 为了理解现有桩的隧道效应，基于现场监测[39]，离心模型[2,15,18,23,26,27]，数值分析和分析分析[4,5 ,12,19-21,28,29,41]。

尽管以前对这个问题进行了大量的研究，但很少注意到对桩群的双隧道效应，Pang等人报告的研究工作除外[39]。他们报告了一个现场和数字调查现有的桩组在新加坡粘土附近的中间深度受到并排双隧道。报告了在第一隧道结束时桩的地面沉降，轴向力和弯矩的分布。然而，隧道诱发的桩响应，如桩组的沉降，每桩的荷载传递和桩的荷载重新分布，并不是他们研究的焦点。 Ng等人[36]研究了基于centrifuge和数值调查的承受背负式（即垂直排列）双隧穿的桩组的响应。与背负式配置相比，看起来在实际工程中更常遇到并排（即水平垂直排列）双隧道效应[11,16,31,35,37]。

考虑到上述问题，本研究旨在调查双隧道桩组的沉降和荷载传递机理。为了实现这一目标，两个三维离心机进行了实验，以模拟并排侧双隧道对干砂的轴向负载22桩组的两侧离心（一前一后）。在两个测试之间不同的唯一变量是双隧道的埋藏深度，其位于桩组的旁边（测试TT）或下趾（测试BB）。离心机试验通过三维有限元分析进行反分析，其中使用了一种低塑性本构土模型。比较和解释测量和计算结果，特别注意由于双隧穿的桩组的沉降和载荷传递机制。

离心模型试验

测试程序和设置

图1示出了两个离心机测试（即测试TT和BB）的示意图（正视图）。 模型容器的平面尺寸为1250 mmtimes;1250 mm（即原型尺度为50 mtimes;50 m），深度为850 mm（原型尺寸为34 m）。 这两项测试在香港科技大学土力工程离心设备[34]中进行，离心加速度为40 g。

模型和原型之间的缩放因子总结在表1中。

测试TT和BB均在中密度干砂（通过冲积沉积法制备）中进行，平均相对密度分别为66％和64％。 所用砂的机械性能，Toyoura砂，总结在表2中。如图1（a）所示，测试TT旨在研究由于在桩趾旁边并排双隧道的轴向加载的2 2桩组的响应。 桩帽从地面升高110 mm，因此每个桩的埋入深度为490 mm（原型为19.6 m）。 将8.6 kg的负载安装在桩帽的顶部上以模拟5.5 MN的工作负载（在原型中）。 为了确定这个工作负荷，在“绿地”条件（没有隧道）下进行了一个水中桩组负荷试验（试验L）。基于测量的载荷 - 沉降曲线和沉降接受失败由Ng等人提出的断层沉降（断层沉降=桩直径的4.5％） [30]，计算出8.3 MN的极限承载力（原型）。考虑到安全系数（FOS）为1.5工作荷载可以确定为5.55 MN（86 N在模型规模）。每根桩的直径和长度为20毫米（原型中为0.8米）和600 mm（原型中为24.0 m）。每个隧道的直径（D）为152 mm（原型中为6.08m）以2.7的覆盖比直径比（C / D）进行。从隧道中心线到其最近桩的水平距离为0.75D。除了C / D比（即3.7）外，测试BB（参见图1（b））的实验设置几乎与测试TT中采用的相同。在每个测试（即，测试TT和BB）中，模拟每个隧道的三维离心机。图2（a）示出了典型测试（即测试TT）的平面图。如图所示，每个模型隧道（沿其纵向方向）的长度为380 mm，相当于2.5D。每个隧道挖掘由五个施工阶段组成，每级0.5D的距离和1％的体积损失。更多细节由Ng等人给出[37]。

图 1离心机试验的立面图：（a）TT和（b）BB。 所有尺寸以mm为单位。

表格 1离心试验相关的标度因子。

仪表桩组

如图1所示。 2，采用2 2模型桩组进行离心试验。每个模型桩由铝管（杨氏模量= 70 GPa）制成，其外径和厚度分别为17和2 mm。每个模型桩的轴向刚度（E _aA_a）和弯曲刚度（E_a I_a）分别为7473 kN和273 Nm²。基于表1中总结的比例因子，每个桩的相应的E _pA_p和E _pI_p

分别为原型中的11,957 MN和701 MNm²。因此，每个模型桩等效于外径为0.8 m，厚度为0.2 m（根据其轴向刚度）的圆柱形中空钢筋混凝土（RC）桩或外径为0.8 m的圆柱形固体RC桩 （根据其弯曲刚度）。

每个桩装备有十个级别的半导体应变计（SGs）粘结在桩的外表上间距为60 mm（原型尺度为2.4 m）以测量轴向力。SGs通过单一地施加到每个桩的轴的1.5 mm厚的环氧树脂涂层保护。

使用光学增量器测量环氧涂层的表面粗糙度。测量约15mu;m的绝对界面粗糙度R_max。通过用Toyoura砂的平均粒径（D50 = 0.17 mm）将测量的R_max归一化，（由Kishida和Uesugi [17]定义）的非正态粗糙度R_n为0.09。根据Fioravante [6]，Rn小于0.02和大于0.10的界面可以分别被认为是平滑和粗糙的界面。因此，本研究中的环氧涂层桩轴可以描述为相对粗糙。此外，通过进行两个直接剪切试验测量Toyoura砂和环氧树脂涂覆的桩轴之间的界面摩擦角。Toyoura砂 - 环氧树脂界面的测量平均摩擦角为29°。为了实现界面摩擦角的充分移动，需要在砂 - 环氧树脂界面处的相对位移为5 mm。

如图1所示。 如图2（b）所示，通过安装在桩帽中心（即“L2”）的线性可变差动变压器（LVDT）测量桩组的沉降。 基于测量的沉降推断桩组的横向倾斜在桩帽的两个边缘（由“L1”和“L3”）和两个LVDT之间的距离。

测试材料的机械性能

在离心机试验中采用由亚角颗粒组成的Toyoura砂。它具有0.17 mm的平均直径（D50），其为绒头直径的1/129。法格勒桑等人。[7]报道，小型模型试验中土壤的粒径可以忽略当它小于重要模型尺寸的1/30时，如桩直径。这表明在本文报道的离心机测试中的粒度效应可能是可忽略的。所用砂的机械性能，即Toyoura砂，概述于表2中。

表格 2在数值分析中采用Toyoura砂的模型参数。

图 2（a）典型离心机试验的平面图，即试验TT（所有尺寸以mm为单位的模型标度）; （b）线性可变差动变压器（LVDT）在桩帽上的布置。

离心机模型的制备

在每个试验中，通过冲积沉积法（即，将干燥的Toyoura砂下入模型箱中）以1g制备模型砂质地。在下雨过程中，保持砂的恒定下落高度（即，500 mm），以产生中密度砂（相对密度为约65％，基于在先前的校准）。当砂床达到隧道倒角应位于的高度时，将模型隧道放置在其设计位置的砂床上。然后继续进行plu-vial沉积砂。类似地，当沙床达到桩组的脚趾水平时，将桩组（包括桩帽）临时固定在其设计位置（将帽固定到临时支撑梁）。然后在桩周围冲积沉积砂子。当砂堆在随后的下雨期间接近桩帽时，将导板（相对于垂直平面以30°的角度倾斜）安装在砂斗的开口下方，以引导砂落入桩内的间隙中。在这种情况下，的下落高度变为300 mm，导致相对密度约为65％。

在制备每层后，通过测量所用砂的重量和体积推导出层的平均密度。图3

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