地铁隧道开挖中的桩基施工技术应用研究_开题报告

一、文献综述

(一)、国内外相关研究进展

1、挤土桩土体破坏模式

与非挤土桩比较，挤土桩的旌工过程对于周边环境的影响更加明显。打设挤

土桩过程中，一般持续时间较短，对周围土体而言基本是一个不排水受挤过程土体将发生垂直隆起和水平位移：当桩周土为饱和软土时，将产生相当高的孔隙

水压力，土中的有效应力大幅度降低；沉桩结束后，孔隙水压力随着时间逐渐消散，即所谓再固结过程，再固结使土体有效应力增长，桩间土面下沉，土体强度

恢复，这时桩侧摩阻力减少(甚至有时会出现负摩阻力)，桩尖端阻力却随之增长。有关文献“’将粘土中打桩的挤土效应分为以下四个方面：(1)桩周土完全重塑或土体结构的部分改变；(2)桩周土的位移及应力状态的改变：(3)桩周土体中超孔隙水压力的产生及其消散：(4)土体强度的长期恢复。

对沉桩挤土引起土体位移的模式有诸多探讨，代表性的有以下几个：（1）Terzaghi针对浅层贯入而提出的位移模式。桩尖下土体破坏面一直延伸到地表，从桩侧呈楔形破坏挤出。（2）Meyerholf针对深层贯入而提出的位移模式。桩尖土体呈李形破坏，近地表处土体隆起比深部土体隆起大。（3）Massarch对打入硬密粘土中模型桩周围的土体位移进行描述。近桩表面土体，由于粘聚力作用，其运动主要为在垂面上向下位移，然后从桩两侧挤出。近地表处，土体主要向上隆起，随着桩深入，土体主要沿径向位移。观测表明，除桩尖和地面附近的绝大部分桩身周围，土体变形类似于一个圆柱孔扩张所引起的变形。圆孔扩张理论就建立在这一位移模式的基础之上。

2、挤土效应定量分析方法

(1)理论研究 Samvel G．Paikousky etal对开口管桩的土塞形成作了理论分析，指出土塞形成前后，管桩贯入时挤土机理的不同。M．F．Randolp Hetal对管桩的土塞进行了一维简化分析，对排水条件下的土塞问题进行了讨论。日本学者Tatsvnori Natsvmoto etal利用应力波理论将土塞视作一系列弹簧与质点的串联，并分析了在桩贯入过程的动、静力学性态。研究为了解管桩的半挤土效应作了理论上的前期准备。桩施工在引起土体挤压变形的同时，还会造成土体介质中孔隙水压力的积聚与消散。LOetal提出了估计打桩产生的最大孔隙水压力的方法，Hagertyetal在LOetal的基础上，运用应力路径法，提出了用土体凝聚力、内摩擦角中及上覆有效应力。在国内，张咏梅、张善明按实测资料，提出了估算单桩及群桩的孔压及其分布方法。研究表明：虽然打桩引起的孔隙水压力上升是短暂的，但由于孔隙水压力上升必然导致有效应力降低，故对土体的破坏是无法忽视的。在群桩挤土效应的理论分析方面，目前一般采用将群桩按一定组合进行分区，将每一分区的桩近似为当量单桩，然后按单桩分析群桩的挤土。这种分析方法主要存在以下几个问题：①忽略了桩施工的先后次序对桩间上及已施工桩的影响，②用当量单桩的远场解代替群桩的近场解，缺乏充分的理论依据，③回避了各分区内的单桩旌工次序及施工速度的影响。群桩挤土应力、应变及位移场的纯解析方法进展缓慢，从理论上推导出这种完善的解析解是难以实现的。

(2)数值分析 有限单元法己广泛地应用于土木工程中。但由于沉桩问题的复杂性，学者们对其进行有限元模拟时都作了一定的假定。总结如下：①基于圆孔扩张理论的有限单元法。沉桩由于在数倍桩径范围内的土体变形是大变形，用圆孔扩张理论很难给出一个大变形情况下的解析解。因此，有些学者利用圆孔扩张理论并结合有限元把沉桩模拟为土体逐渐劈裂，然后扩张到桩径的过程。②考虑桩土相互作用及力贯入的有限单元法。这种方法允许桩土之间的相对滑动，当桩土接触面上有拉应力时，容许桩土分离。虽然这种方法能够考虑桩土界面的相互作用，但该算法花费机时太多，且很难模拟整个沉桩过程。研究者自己也认为，这种方法是进行理论研究的强有力工具，但不宜应用于实际工程。③考虑桩土相互作用及位移贯入的有限单元法。位移贯入法与力贯入法是相对应的，它是通过在桩顶施加位移来实现压桩过程的，能够和实际的压桩情况较为符合，且所用的计算时间短，张明义，邓安福，干腾君利用位移贯入法分析了一定深度预钻孔的桩体压入过程，在分析中考虑了弹塑性本构关系等复杂问题。采用的思路和Mabsout有类似的地方，可以分析桩的承载能力。但由于没有在整个桩土界面设置接触面，故不能分析桩从地表面到设计深度的整个压桩过程。有限元分析方法在一定程度上能够考虑到土体的本构关系、大变形和桩土的相互作用。但还存在如下问题：(1)符合实际情况的压桩过程很明显，对于沉桩而言，这个问题是应该考虑的首要问题。若采用了不适当的有限元分析方法就不能很好的模拟沉桩过程。如圆孔扩张理论的有限元没有考虑桩与土的相互作用，采用力贯入法的加载方式由于耗时太长而不能应用于实际工程，位移贯入法虽然能够有效地解决计算时间问题，但需要在整个桩土界面设置接触面。(2)整个桩身范围内的位移场对于静压桩的挤土效应来讲，水平位移及竖向位移的变化应该是分析的一个重点，但以上采用的有限元方法中并没有给出整个压桩深度内的土体位移场，大部分只是对应力场做了定量的分析。(3)群桩的挤土效应分析，由于挤土效应与沉桩的施工顺序有较大的关系，因此在有限元分析时，能否结合施工顺序对群桩挤土效应进行分析也是一个关键问题。(4)计算机耗时问题，虽然计算机的性能得到了大幅度的提高，但沉桩涉及到几何非线性、材料非线性和接触非线性等复杂问题，因此若采用不适当的分析方法会耗时过多，从而不能很有效地分析和解决问题。

3、桩基施工对周围环境的影响。

（1）土体变形及邻桩移位的监测对桩施工引起邻近桩身上抬进行了实测，并就复打问题展开了讨论。实测与模拟研究表明：在软粘土中打入一个数量众多的大桩群时，将会造成桩身侧移，桩顶上抬，桩轴线挠曲。当土体灵敏度较高时，打实心桩或闭口管桩时会产生很高的孔隙水压力，并可能使土体液化，接着再打邻桩时，先打入桩在液化粘土上浮力作用下会发生桩身上拾。若先打入桩周围土体己经再固结，或土体本身就是非灵敏土，打桩会引起先打桩周围土的隆起，上隆的士对原有的桩旌加一个向上的提升力，当该力足够大时，原有桩也会发生上抬。桩身上抬会随着旌工进行，在一定程度上积累。该问题在工程上的复杂性在于是否需要复打。实测中还发现土的侧移引起桩的相应侧移也是常见的情况。侧移使桩群的设计重心改变：同时因为侧移的非一致与非均匀性，桩将承担附加的内应力。利用在桩身上安装应力传感器，测得桩身存在张应力，由于附加应力的存在，单桩承载力将减少，严重的还会出现断桩事故。（2）邻近建筑物的变形观测。在国内，宝冶指挥部在宝钢测得距厂房六米处打桩造成焦炉基础混凝土垫开裂，基础中心线偏移，在石化装置改造工程打桩期，对邻近装置进行了长期观测，发现打桩期间装置上抬33厘米，并且随后由于土体中孔隙水压力的消散，在四个月内回落了23厘米。认为：“主体及装置的回落需要一段时间，先期的隆起常会破坏建构筑物，因此从建筑物安全角度考虑，打桩期间可以不考虑固结”。显然该观点是有利于附近环境安全的，但其保守的一面会减缓旌工的进展。（3）地下管线的变形观测市政地下管线多种多样，按其力学特性而言可分为两大类，即柔性管线(如电缆线)和刚性管线(如硅雨水管)。其中刚性管线易受挤土应力而损坏，而柔性管线可随周围主体一起变形。胡中雄对华东电管局高楼打桩监测后，提出了管线变形的估算方法，并认为应以管线位移作为控制打桩速率的指标。章履远对位于管线集中地段的某医院门诊综合楼压桩施工全过程进行了设点观察，提出了用压入桩入土体积u与管线距离L之比来控制压桩速率。（4）打桩引起的孔隙水压力观测。樊良本在杭州某教学大楼桩施工阶段对孔隙水压力分布作了观测，发现孔隙水压力增量U=3．417—0．61919D。实测数据表明：孔隙水压力在打桩过程中呈起伏变化，其上升幅度可达I．O-1．6rh，且主要分布在桩区内部，桩区外的影响范围约20m左右。资料数据显示：打桩期间孔隙水压力上升，有效应力下降，而在打桩结束后，孔隙水压力消散并转化为有效应力。（5）对邻近隧道影响观测与模拟。隧道开挖引起的地面沉降的问题一直受到学术界与工程界的重视，但对相反的问题，及其他工程施工对隧道的影响则研究的较少。加拿大学者曾对多伦多地铁上建造高层时，桩施工及基坑开挖时地铁隧道变形及轴线偏移进行了观测，并用有限元进行变形预测与计算．德国学者V．Gottler利用离心模型机，对建筑物基础引起的隧道附加载荷作了分析，并对德国国家隧道衬砌设计规范提出了修改建（6）开挖与桩旌工的相互影响近年来基建规模相当庞大，发展地段又相对集中，经常出现两个邻近工地相继施工，两者相距不过十几二十米，由于进度不一，加上不同施工企业问难以协调，多次出现一个工地在打桩，另一个工地开挖基坑，二者影响的叠加，往往会使工程本身及环境出现安全问题。

二、本文所作的主要工作

综上所述，国内外对于打桩(挤土桩)过程中对于周边环境的影响的研究工作开展较早，且涉及多个方面，但并未形成一个统一的认识，多处于定性描述阶段，即使新兴的有限元方法也存在着一些明显的缺陷，打桩过程在桩刺入土中的动态过程与有限元方法本身的小变形、连续体假设发生冲突，因此必须采用复杂的方法进行解决，这直接影响到了解的精度以及与实际状况的吻合程度，因此在实际工作中多以加强监测来指导施工。而在研究土与结构的相互作用时，采用有限单元法解决工程问题已很成熟。大量的计算分析结果与实测结果吻合较好，说明采用此种方法所得结论具有很现实的指导意义。但国内外研究多仅限于结构本身的桩箱基础，桩筏基础的桩与土的相互作用，其研究的着眼点为保证建筑物的沉降满足结构使用要求。而对于建筑物本身的建造过程中导致的周围土体的附加应力增加，而使得周边的地下结构产生附加沉降很少涉及。本^范文拟针对一地铁周边桥梁实际工程对于地铁隧道的影响进行讨论，以期望总结出相关的规律为地铁的监护工作提供理论支撑。本文拟进行如下研究：

(1)依托实际工程在结构设计，基础设计中，充分考虑到其桩基对于地铁隧道的影响的特点，提出可行的技术方案。

(2)利用大型有限元分析软件手段针对区间隧道与桩基不同问距的情况进行分析，研究其是否符合地铁保护的规定。

(3)通过对于工程的风险分析，选择合理的施工方案以求规避风险。

二、^范文提纲

1绪论

1.1国内外相关研究进展

1.1.1挤土桩土体破坏模式

1.1.2挤土效应定量分析方法

1.1.3桩基施工对周围环境的影响

1.2本文所作的主要工作

2概述

2.1有限单元法一般原理

2.1.1连续介质的离散化

2.1.2单元位移插值函数的选取

2.1.3单元特性分析

2.1.4体特性分析

2.1.5有限元分析结果

2.2材料非线性问题

2.2.1适用于土工材料的屈服准则

2.2.2应力一应变关系

2.3非线性有限元方程及其求解方法

2.3.1具体迭代步骤

2.3.2单元屈服判断及应力一应变的调整

2.3.3收敛准则

2.4桩基对隧道影响分析

2.4.1计算模型

2.4.2有限元建模

2.4.3计算参数选择

2.4.4工程与地铁隧道相互影响分析

3工程实例分析

3.1工程概述

3.1.1项目概况

3.1.2桩基施工

3.1.3主要工程量

3.1.4工程地质概况

3.1.5工程水文概况

3.1.6周边环境

3.2施工重难点及相应对策

3.2.1桩基础施工中对地铁隧道的保护措施

3.2.2施工过程中对河道围堰断流

3.3灌注桩施工方案

3.3.1概况

3.3.2施工筹划

3.3.3施工工艺流程

3.3.4施工方法

4工程风险分析及相关技术对策

4.1工程风险分析

4.2分析评估结论及工程实施要求

4.3隧道盾构推进中需注意的事项

5主要成果与结论

5.1主要成果与结论

5.2存在问题及展望

致谢

三、参考文献

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