3.3 高架橋樁基樁端應力分析 高架橋樁基樁端應力變化規律如圖 5 所示。
從圖 5 中可以看出，樁基樁端應力隨施工的進行呈逐漸遞增趨勢。左洞右幅施工，樁基 1 的樁端應力遞增幅度較大，遞增量可達 0.570 MPa，占整個遞增量的 57%。后繼施工中，樁基 1 樁端應力變化幅度較小，平均每步遞增量僅為 0.026 MPa，最終施工完畢后，樁基 1 樁端最大應力為 3.620 MPa。由廣州市軌道交通五號線詳細勘測階段巖土工程參數建議值表提供的高架橋樁基樁端圍巖的承載力標準值為 3.100 MPa 可以得出：樁基 1 樁端圍巖的承載力不足，由于樁基底端位于粉砂巖中風化層中，其巖石相對比較堅硬，且樁基埋深較大，無法對樁基底端圍巖進行加固處理[10，11]。因此，建議采用隧道洞內加固和樁周土體聯合加固的方法來控制樁端應力。樁基 2 的樁端應力在前 5 步施工中變化較大，平均每步變化幅度為 0.103 MPa，最終狀態下的樁端應力超過了巖石的承載力標準值，也需要采用預加固措施，才能保證樁基和上部結構的安全。從圖 5(b)中也可以看出，樁端應力呈對稱分布，中間大兩端小。4 人行橋樁基計算結果4.1 人行橋樁基內力及安全系數分析人行橋樁基軸力及安全系數變化規律如圖 6 所示。 人行橋樁基軸力隨施工基本上沒有發生變化，最大軸力為－462 kN，且軸力分布為上端大下端小，受力模式為摩擦樁。人行橋樁基頂部荷載主要由樁周摩擦力來平衡，這就有必要研究樁周摩阻力隨隧道開挖過程的變化情況，以確定對既有人行橋樁基采用何種加固措施，才能確保人行天橋的安全。4.2 人行橋樁基位移分析 人行橋樁基位移變化規律如圖 7 所示。 人行橋樁基最大側向位移為 2.75 mm，且在左洞右幅施工達到最大，發生在樁頂。后繼施工中，側向位移又開始回落，最終側向位移僅為 1.00 mm，人行橋樁基發生的是整體傾斜，傾斜率為 0.14‰，左洞上半部右幅施工和左洞臨時支護拆除對人行橋樁基的縱向位移影響較大，平均每步變化幅度為5.00 mm，此施工期間發生的縱向位移占最終位移量的 65%。通過以上分析可以得出，左洞右幅施工和左洞臨時支護拆除是人行橋樁基位移變化劇烈的關鍵工序。4.3 人行橋樁基樁周土體剪應力分析 人行橋樁基樁周土體剪應力變化規律如圖 8 所示。 人行橋樁基樁周土體剪應力隨施工的進行呈遞增趨勢。左洞上半部施工，樁周土體剪應力遞增幅度較大，平均每步遞增量可達 2.2 kPa，此施工期間的遞增量占整個遞增量的 80%多，是人行橋樁基樁周土體剪應力遞增幅度較大的關鍵工序；最終施工完畢后，樁周土體剪應力為 78.0 kPa。由廣州地鐵五號線詳細勘測階段巖土工程參數建議值表提供的樁周土體剪應力標準值為 30.0 kPa，計算得出的樁周土體剪應力均大于土體剪應力標準值。因此，必須擴大左洞洞周加固范圍，確保人行天橋的安全。從圖 8(b)中可以看出，樁周土體剪應力是兩端大中間小的分布特性。5 結 論 針對廣州地鐵五號線西村站暗挖隧道的設計和施工方案，進行了有限元數值模擬分析，論證了地鐵車站暗挖隧道施工過程中，其附近既有樁基的受力特性及位移變化規律，提出了相應的施工關鍵工序，供設計和施工參考。由此可得出如下主要結論： (1) 在隧道施工過程中，樁側摩阻力呈負摩阻力狀態，對樁基的受力非常不利，必須采用有效措施減小樁側的負摩阻力效應，提高樁體的承載能力。 (2) 高架橋樁基最薄弱的部位出現在底端以上10 m 處，最小安全系數僅為 4.7，與初始安全系數相比，降低了 40%，相應的樁基承載能力就降低40%，故需注意關鍵工序的施工；樁基 1 最大軸力為－3 978 kN，同比遞增了 20%，最大彎矩為－588kN·m，遞增了 1.8 倍多；樁基 2 最大軸力為－3 906kN，同比遞增了 30%，最大彎矩為 526 kN·m，遞增了 2 倍多；中洞、左洞臨時支護拆除是高架橋樁基安全性降低的關鍵工序。 (3) 在中洞、左洞施工期間，高架橋樁基發生了整體傾斜，最大傾斜量可達 3.8 mm，右洞施工期間，側向位移雖沒有較大變化，但由整體傾斜過渡到屈曲變形，這種變形模式對樁基的受力是不利的；高架橋樁基縱向位移比較小，但兩樁基的不均勻沉降會導致上部結構的應力重分布，出現應力集中現象，最大沉降差為 2 mm。 (4) 高架橋樁基屬于端承樁，樁端圍巖將承受絕大部分的橋梁荷載。計算結果表明，樁端圍巖承載力不足，由于樁基底端位于粉砂巖中風化層中，其巖石相對比較堅硬，且樁基埋深較大，無法對樁基底端圍巖進行加固處理，建議采用隧道洞內加固和樁周土體聯合加固的方法來控制樁端應力。 (5) 人行橋樁基內力變化較小，從內力分布來看，人行橋樁基屬于摩擦樁，其上部荷載主要由樁周土體剪應力來平衡。計算結果表明，樁周土體剪應力標準值小于計算剪應力。因此，在隧道施工之前，必須對人行橋樁基樁周土體進行預加固處理。 (6) 人行橋樁基發生的是整體傾斜，傾斜率為0.14‰；人行橋樁基縱向位移較大，特別是左洞上半部右幅施工和左洞臨時支護拆除對人行橋樁基的縱向位移影響較大，為了保證人行橋樁基上部結構的安全，需要擴展左洞拱部洞內加固的范圍。參考文獻(References)：[1] 張志強，何 川. 地鐵盾構隧道近接樁基的施工力學行為研究[J].鐵道學報，2003，25(1)：92–95.(Zhang Zhiqiang，He Chuan. 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Boundaryelement method in analogue for the process of forces transmission between pile and soil in homogeneous foundation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1994，16(6)：64–71.(in Chinese))[13] 張素情，侍 倩. 樁側負摩阻力的有關研究[J]. 建筑技術開發，2004，31(4)：23–25.(Zhang Suqing，Shi Qian. Study on the negative skin friction of pile shaft[J]. Building Technique Development，2004，31(4)：23–25.(in Chinese))
從圖 5 中可以看出，樁基樁端應力隨施工的進行呈逐漸遞增趨勢。左洞右幅施工，樁基 1 的樁端應力遞增幅度較大，遞增量可達 0.570 MPa，占整個遞增量的 57%。后繼施工中，樁基 1 樁端應力變化幅度較小，平均每步遞增量僅為 0.026 MPa，最終施工完畢后，樁基 1 樁端最大應力為 3.620 MPa。由廣州市軌道交通五號線詳細勘測階段巖土工程參數建議值表提供的高架橋樁基樁端圍巖的承載力標準值為 3.100 MPa 可以得出：樁基 1 樁端圍巖的承載力不足，由于樁基底端位于粉砂巖中風化層中，其巖石相對比較堅硬，且樁基埋深較大，無法對樁基底端圍巖進行加固處理[10，11]。因此，建議采用隧道洞內加固和樁周土體聯合加固的方法來控制樁端應力。樁基 2 的樁端應力在前 5 步施工中變化較大，平均每步變化幅度為 0.103 MPa，最終狀態下的樁端應力超過了巖石的承載力標準值，也需要采用預加固措施，才能保證樁基和上部結構的安全。從圖 5(b)中也可以看出，樁端應力呈對稱分布，中間大兩端小。4 人行橋樁基計算結果4.1 人行橋樁基內力及安全系數分析人行橋樁基軸力及安全系數變化規律如圖 6 所示。 人行橋樁基軸力隨施工基本上沒有發生變化，最大軸力為－462 kN，且軸力分布為上端大下端小，受力模式為摩擦樁。人行橋樁基頂部荷載主要由樁周摩擦力來平衡，這就有必要研究樁周摩阻力隨隧道開挖過程的變化情況，以確定對既有人行橋樁基采用何種加固措施，才能確保人行天橋的安全。4.2 人行橋樁基位移分析 人行橋樁基位移變化規律如圖 7 所示。 人行橋樁基最大側向位移為 2.75 mm，且在左洞右幅施工達到最大，發生在樁頂。后繼施工中，側向位移又開始回落，最終側向位移僅為 1.00 mm，人行橋樁基發生的是整體傾斜，傾斜率為 0.14‰，左洞上半部右幅施工和左洞臨時支護拆除對人行橋樁基的縱向位移影響較大，平均每步變化幅度為5.00 mm，此施工期間發生的縱向位移占最終位移量的 65%。通過以上分析可以得出，左洞右幅施工和左洞臨時支護拆除是人行橋樁基位移變化劇烈的關鍵工序。4.3 人行橋樁基樁周土體剪應力分析 人行橋樁基樁周土體剪應力變化規律如圖 8 所示。 人行橋樁基樁周土體剪應力隨施工的進行呈遞增趨勢。左洞上半部施工，樁周土體剪應力遞增幅度較大，平均每步遞增量可達 2.2 kPa，此施工期間的遞增量占整個遞增量的 80%多，是人行橋樁基樁周土體剪應力遞增幅度較大的關鍵工序；最終施工完畢后，樁周土體剪應力為 78.0 kPa。由廣州地鐵五號線詳細勘測階段巖土工程參數建議值表提供的樁周土體剪應力標準值為 30.0 kPa，計算得出的樁周土體剪應力均大于土體剪應力標準值。因此，必須擴大左洞洞周加固范圍，確保人行天橋的安全。從圖 8(b)中可以看出，樁周土體剪應力是兩端大中間小的分布特性。5 結 論 針對廣州地鐵五號線西村站暗挖隧道的設計和施工方案，進行了有限元數值模擬分析，論證了地鐵車站暗挖隧道施工過程中，其附近既有樁基的受力特性及位移變化規律，提出了相應的施工關鍵工序，供設計和施工參考。由此可得出如下主要結論： (1) 在隧道施工過程中，樁側摩阻力呈負摩阻力狀態，對樁基的受力非常不利，必須采用有效措施減小樁側的負摩阻力效應，提高樁體的承載能力。 (2) 高架橋樁基最薄弱的部位出現在底端以上10 m 處，最小安全系數僅為 4.7，與初始安全系數相比，降低了 40%，相應的樁基承載能力就降低40%，故需注意關鍵工序的施工；樁基 1 最大軸力為－3 978 kN，同比遞增了 20%，最大彎矩為－588kN·m，遞增了 1.8 倍多；樁基 2 最大軸力為－3 906kN，同比遞增了 30%，最大彎矩為 526 kN·m，遞增了 2 倍多；中洞、左洞臨時支護拆除是高架橋樁基安全性降低的關鍵工序。 (3) 在中洞、左洞施工期間，高架橋樁基發生了整體傾斜，最大傾斜量可達 3.8 mm，右洞施工期間，側向位移雖沒有較大變化，但由整體傾斜過渡到屈曲變形，這種變形模式對樁基的受力是不利的；高架橋樁基縱向位移比較小，但兩樁基的不均勻沉降會導致上部結構的應力重分布，出現應力集中現象，最大沉降差為 2 mm。 (4) 高架橋樁基屬于端承樁，樁端圍巖將承受絕大部分的橋梁荷載。計算結果表明，樁端圍巖承載力不足，由于樁基底端位于粉砂巖中風化層中，其巖石相對比較堅硬，且樁基埋深較大，無法對樁基底端圍巖進行加固處理，建議采用隧道洞內加固和樁周土體聯合加固的方法來控制樁端應力。 (5) 人行橋樁基內力變化較小，從內力分布來看，人行橋樁基屬于摩擦樁，其上部荷載主要由樁周土體剪應力來平衡。計算結果表明，樁周土體剪應力標準值小于計算剪應力。因此，在隧道施工之前，必須對人行橋樁基樁周土體進行預加固處理。 (6) 人行橋樁基發生的是整體傾斜，傾斜率為0.14‰；人行橋樁基縱向位移較大，特別是左洞上半部右幅施工和左洞臨時支護拆除對人行橋樁基的縱向位移影響較大，為了保證人行橋樁基上部結構的安全，需要擴展左洞拱部洞內加固的范圍。參考文獻(References)：[1] 張志強，何 川. 地鐵盾構隧道近接樁基的施工力學行為研究[J].鐵道學報，2003，25(1)：92–95.(Zhang Zhiqiang，He Chuan. 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[s. l. ]：Itasca Consulting Group Inc.，1997.[9] 彭衛平，廖建三. 廣州地區建筑樁基設計參數分析與選取[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23(6)：1 032–1 036.(Peng Weiping，Liao Jiansan. Analysis and selection of building pile design parameter in Guangzhou[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2004，23(6)：1 032–1 036.(in Chinese))[10] 中華人民共和國行業標準編寫組. 建筑樁基技術規范(JGJ94–94)[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 1995.(The Professional Standards Compilation Group of People′s Republic of China. Code for Technics of Pile Foundation Work(JGJ94–94)[S]. Beijing：China Architecture and Building Press，1995.(in Chinese))[11] 中華人民共和國行業標準編寫組. 建筑地基基礎設計規范(DBJ15–3–91)[S]. 北京：中國建筑工業出版社，1991.(The ProfessionalStandards Compilation Group of People′s Republic of China. Code forDesign of Building Foundation(DBJ15–3–91)[S]. Beijing：China Architecture and Building Press，1991.(in Chinese))[12] 施景勛，葉國琛. 勻質地基中樁土間力傳遞的邊界元模擬[J]. 巖土工程學報，1994，16(6)：64–71.(Shi Jingxun，Ye Guochen. Boundaryelement method in analogue for the process of forces transmission between pile and soil in homogeneous foundation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1994，16(6)：64–71.(in Chinese))[13] 張素情，侍 倩. 樁側負摩阻力的有關研究[J]. 建筑技術開發，2004，31(4)：23–25.(Zhang Suqing，Shi Qian. Study on the negative skin friction of pile shaft[J]. Building Technique Development，2004，31(4)：23–25.(in Chinese))