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群桩作用下的隧道掘进时张力效应的数值参数研究
Y.Hong,M.A.Soomor,C.W.W.Ng,L.Z.Wang,J.J.Yan,B.Li
文章历史：发表于2015年4月16日
摘要：由于在地下的隧道掘进可能在桩中诱导不利的拉伸应力，和在最近看到的几个事例中一样。然而，在桩群和桩筏中的隧道掘进诱导张力的系统性研究很少报道以及在文献中进行比较。此外，仍然不清楚需要多少工作负荷来防止桩中的轴向载荷经受张力。为此，进行了三维有限元分析（使用先进的土壤模型）的两个系列（共计70次）以模拟直接在2times;2桩组和在砂中的2times;2堆筏的中隧道掘进。在每个系列中，考虑两个变量，即隧道诱发的体积损失和作用在桩帽/筏上的工作负荷，数值结果通过两次离心试验验证。据透露，由于在桩组下面的隧道掘进，桩的下部通过沉降土（通过动土的负表面摩擦）向下拖动。通过沿着桩的上部移动正表面摩擦（即PSF）来抵抗诱导载荷（拉伸力）。与桩组不同，在桩筏中隧道掘进诱导的拖曳载荷大部分（高达75％）被筏阻挡而不是被PSF阻挡。相应地，桩堆筏中的中性平面位于比桩组中的更浅的深度（具有高达36％的百分比差）。桩组和桩筏的最大拉伸应力分别等于混凝土拉伸强度的52％和72％。在桩筏中引起较大的拉伸应力，因为筏倾向于阻止桩沉降，导致比在桩组中观察到的更大的向下相对土桩位移。为了消除隧道诱导的张力，桩组和桩堆筏所需的工作负荷分别高达其轴向能力的73％和82％。然而，相对高的工作负荷可能导致隧道衬砌顶部较大的拉伸应力（高达C50混凝土抗拉强度的89％）。
关键词：三维、数值参数研究、低塑性、隧道掘进、群桩、堆筏、拉伸力
介绍
为了在拥挤的城市中进一步开发地下空间，不可避免地在现有桩基础之下直接建造隧道[31,12,13,20,21,14,25,22]。不利的拉伸应力可以由于下面的隧道效应在桩中产生，如Jacobsz等人观察到的。 [13]，基于来自英国的海峡隧道铁路链路（CTRL）项目的现场测量。在这个项目中，35公里长的双隧道建造在多个桩支撑桥梁下，如图所示。对具有代表性的桩（参见图1（c）中的码头7）仪器以测量在隧道掘进期间它们的轴向应变的变化。测量表明，当下面的隧道掘进诱发了0.3％的体积损失，隧道效应引起的拉伸应力（1.9 MPa）几乎达到C30混凝土桩的极限抗拉强度（2 MPa，根据MHUC [19]）。
除了上文提到的模型，桩的隧道诱导张力也从数值分析[14]和中心模型试验[25,26,9]揭示。 Lee [14]进行了三维数值分析，模拟单桩下的隧道开挖和弱风化岩石中的3times;3和5times;5组桩（无桩帽）。计算结果表明，由于隧道掘进在桩中产生的增量拉应力可以高达桩的C30混凝土拉伸强度的64％（即2 MPa，根据MHUC [19]）。 Ng et al[25,26]和Hong et al[9]报道了模拟隧道效应的离心机试验尚未得到系统的研究和比较。此外，仍然不清楚需要多少工作负荷来防止桩中的轴向载荷大于绝对张力。由于这些原因，本研究旨在进行调查和比较（a）桩组和桩筏中隧道诱导拉力的特性，以及相关的载荷传递机制和（b）桩组和桩筏保持桩受压缩所需的工作载荷在隧道掘进后。
为了达到上述目的，使用商业有限元软件包ABAQUS进行三维数值分析（FEA），该软件包已广泛用于研究隧道对城市地区现有结构的影响[17,23,33， 3,15,35,32]。
总的来说，进行了两个系列分析（总共70次）来模拟直接在桩组和桩筏下的隧道挖掘。在每个参数研究系列中，考虑两个变量，即隧道诱发的体积损失和作用在桩帽/筏上的工作负荷。在数值参数研究中，采用了一种考虑应变路径依赖土壤刚度的欠塑砂模型。低塑性模型及其模型参数已经通过应力路径三轴试验进行校准，并通过模拟隧道 - 土壤在砂中相互作用的离心试验进行验证[25]。基于计算结果，解释、比较和讨论了由于隧道效应引起的桩群和桩筏的应力。计算图表是为了估计桩下组和桩筏中由于隧道掘进而产生的最大拉伸应力的大小和位置，并用于估计防止桩承受张力所需的工作载荷。
图1 （a）仁威路桥的三个典型部分，显示隧道; （b）波纹道天桥及（c）海峡隧道铁路连接工程的堆叠桥梁中的A406高架桥
有限元分析
数值参数研究方案
进行了两个系列（总共70次）的数值分析，以研究桩组和经过隧道掘进的桩筏的影响。 每个系列由35个数字运行组成，其中考虑了作用在桩组或桩筏上的各种体积损失和工作载荷。 表1总结了本研究中进行的所有数值分析。表中的数值分析程序同样适用于在桩群或桩筏下方模拟隧道的情况。如表所示，本研究采用的最小工作负荷（即，1.5 MN），其意在表示作用在桥墩上的负载，基于AASHTO LRFD桥设计规范
表1模拟桩组或堆筏下隧道的数值分析总结
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变量 |
结果 |
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体积损失：% |
工作荷载：MN |
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0.3 |
1.5 |
体积损失影响 |
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0.6 |
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1.0 |
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1.5 |
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2.0 |
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0.3、0.6、1.0、1.5、2.0 |
2.5 |
工作荷载影响 |
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3.5 |
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4.5 |
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5.5 |
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6.5 |
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7.5 |
注：表中的数值分析程序同样适用于模拟桩群和桩筏下方隧道的情况
[1]除了表中总结的数值分析外，还进行了三个额外的数值分析，以模拟“绿色领域”中的隧道效应，并模拟“绿色领域”中桩群和桩筏的荷载试验。 这三个数值分析的目的是获得隧道诱导沉降槽在“绿地”和桩组和桩筏的最大轴向能力。
有限元网格和边界条件
图2示出了典型有限元网格（用于模拟在下面进行隧道掘进的桩筏）的等距视图。如图所示，现有的2times;2堆筏位于中密砂（相对密度为65％）的新建隧道正上方。每个钢筋混凝土桩的直径和长度分别为0.8和20 m。四个桩刚性地连接到钢筋混凝土筏，其厚度为1m。直径为6米（D）的隧道埋在地表以下22.2米的深度处（即覆盖深度比= 3.7）。隧道长48米，相当于8D。它在16个阶段挖掘，每个阶段的前进距离为0.5D。隧道拱顶和桩趾之间的垂直距离大约为0.4D（即2.2米）。在模拟经过隧道掘进的桩组的数值分析中，每个桩的嵌入深度和桩帽的几何形状与桩筏的相同，桩帽的高度高度在地表以上4米。
网格的横向和底部边界分别使用滚子和固定支撑固定。网格由17732个元素和20072个节点组成。八节点砖块元素用于建土壤、桩帽和作用在盖子上的自重模型。四节点壳单元用于模拟桩和隧道衬砌。已经通过将当前网格减半并重新运行数值分析来评估网格密度的适用性。结果发现，基于全网格和半网格尺寸的计算结果减半只有2％，这表明当前网格足够精细。
构建模型和模型参数
基本的低增塑模型用于描述颗粒材料的非线性关系[34,6]。 它由八个基本模型参数（/ 0 c，hs，n，ed0，ec0，ei0，a和b）组成。 参数fc，hs和n分别表示在临界状态下的剪切阻力的有效角度、颗粒硬度（即压力无关的刚度）和一维压缩的幂律中的指数。 参数ed0，ec0和e10分别指零压力下的最小空隙率，最大空隙率和临界空隙率。 a和b的值分别表示土壤的膨胀角和剪切刚度。 增加的a和b分别意味着更加稀释和更大的土壤响应。
为了解释土体刚度的应变依赖性和路径依赖性（在小应变下），Niemunis和Herle [27]通过结合晶间应变的概念进一步改进了基本的低发育模型。他们引入了五个附加参数：mR，mT，R，br和v。R，mR和mT的值控制弹性范围的大小，以及180°和90°应力路径反转时的初始剪切模量 -q空间（其中p0和q表示有效平均正应力和偏应力）。 剩余的两个参数，即br和v，用于控制劣化曲线的形状。
具有小应变刚度的低塑性砂模型已经通过用户定义的子程序（以umat格式）在商业有限元软件包ABAQUS [8]中实现，其由P.A.在Fortran中编码。 von Wolffersdorff，D.Mascaron;iacute;n和C. Tamagnini [5]。
在这个假设的研究中，采用Toyoura砂的参数，因为与Herle和Gudehus [7]和Ng等人的砂的低发育模型相关的参数被校准和报告[25]。 Toyoura砂的第一个六个模型参数（/ 0 c，hs，n，ed0，ec0，ei0）由Herle和Gudehus报道[7]。为了获得控制大应变（即a和b）和小应变（即mR，mT，R，br和v）下的砂行为的剩余模型参数，Ng等[25]对中密度Toyoura砂（相对密度= 65％）进行应力路径三轴试验。考虑四个不同的最近应力曲线（应力路径h = 0°，90°，-90°，180°的方向上的变化），在恒定的正应力（即100kPa）下进行四个三轴压缩试验。应力路径三轴试验的其他细节由Ng et al。 [25]。通过在大应变（偏差应变gt; 1％）下测量的应力 - 应变关系进行校准，发现a和b的最佳值分别为0.14和6。通过对具有不同的最近应力曲线（即mR，mT，R，br和v）的刚度退化曲线（在小应变下）进行曲线拟合，获得控制路径依赖和应变依赖的土壤刚度的五个参数。除了模型参数，静止土压力（K0 = 0.5）的系数是基于有效剪切角估计的电阻（/ 0 c = 31°，如Ishihara [10]报道）和Jaacute;ky的[11]方程 Toyoura砂的所有模型参数总结在表2中。在本研究中，不考虑空间变异性对土壤参数的影响[16]。
模型桩组由铝合金制成，模型为线弹性材料，杨氏模量，泊松比和单位重量分别为70 GPa，0.2和27 kN / m3。
使用ABAQUS [8]中的重复节点将土桩接口模拟为零厚度的元素。 该界面根据库仑摩擦定律进行模拟，需要规定界面摩擦系数（l）和极限位移（clim）。 在这个假设的研究中，l和爬升值假定为0.5和2.5mm，这是沙和粗糙堆之间的界面的典型值[29]。 以同样的方式模拟土壤隧道衬砌之间的界面土壤 - 桩界面。
数值分析的过程
每个数值分析根据以下程序建模：
（1）建立网格的初始边界和初始应力条件（Ko = 0.5）。
（2）激活表示桩组的砖元素（mod-被称为“希望在位”）。
（3）通过在要挖掘的第一隧道节段的隧道面处指定零水平位移来模拟隧道的前进。然后通过去除其内部的土壤元素来“挖掘”该段内部的土壤。同时，代表隧道衬砌的壳单元被激活。 在隧道掘进之前，体积损失是通过指定隧道衬砌和挖掘土壤之间的环隙间隙的面积预先确定的。 例如，如果预计1％的体积损失，则要调整要挖掘的土壤的面积使得隧道衬里和挖掘土壤之间的环隙相当于1％的体积损失。 因此，本研究中模拟的体积损失与其他因素无关，如隧道的前进距离。
（4）重复步骤3挖掘下一段，并安装隧道衬砌，直到最后（第16段）完成。
图2 典型数值运行的有限元网格（即穿隧道的堆筏）：（a）全网，（b）堆筏的网格。
表2数值分析中采用的低塑性砂模型参数[25]
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描述 |
值 |
参考 |
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临界状态下剪切阻力的有效角度 |
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Ishihara [10] |
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稳定土压力系数，K0 全文共16591字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[143417]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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