树根桩加固隧道基底的开挖模拟

１０４

低温建筑技术２０１０年第２期（总第１４０期）

树根桩加固隧道基底的开挖模拟

周燕，刘志强，陈佳宾

（兰州交通大学土木工程学院，

甘肃兰州７３００７０）

【摘要】采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对树根桩加固隧道基底的开挖过程进行数值模拟分析，发现采用树根桩

加固后隧道开挖仰拱反弹明显减少，第一主应力和第三主应力均有所减小，说明在软弱黄土地区使用树根桩加固地基能起到改善土体，提高承载力，减少隧道衬砌受力，保持围岩自身稳定性的良好作用。

【关键词ｌ树根桩；软基加固；隧道；开挖模拟【中图分类号】＂ＩＵ４７３【文献标识码】Ｂ

ＥＸＣＡＶＡ．１１０ＮＳｎ仉】ＩＡｒｌｌＯＮｏＦＲｏＯＴＰ】匝厦ＳＩＮ

【文章编号】１００１—６８６４（２０ｌｏ）０２—０１０４—０２

Ｉ也姗ｒＯＲａ瓯缸小盯Ｔ１７ＮＮＩⅡ，ＢＡＳＩｓ

ＣＨＥＮＪｉａ—ｂｉｎ

ＺＨＯＵＹａｈ，ＬＩＵＺｈｉ—ｑｉａｎｇ，

（ＳｃｂｅｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｉ加小眦７３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ

ＡＢＡＱＵＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔＯｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅ

ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｏｔｐｉｌｅｓｉｎｒｅｉｎｆｏｗｅｍｅｎｔｔｕｎｎｅｌｂａｓｉｓ，ｆｉｎｄｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｉｎｖｅｒｔｒｅｂｏｕｎｄａｍｏｕｎｔｄｅ・Ｃｒｅ斌ｓｅ，ｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｆｔｅｒｔｈｅｒｏｏｔｐｉｌｅｓｕｓｅｄｉｎｔｔｍｎｅｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．ａｓｌｏｔｌｌｅｆｉｒｅｔｍａｉｎ

ｓｔｒｅｓｓ

ｓｎ℃ｓｓ

ａｎｄｔｈｅｔｈｉｒｄｍａｉｎ

ａｒｅｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ

ｒｏｏｔ

ｐｉｌｅｓｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｒｅｉｎｆｏｒｃｅｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｏｉｍｐｒｏｖｅ

ｔｈｅｓｏｉｌｃａｐａｃｉｔｙ，ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｔｕｎｎｅｌｌｉｎｉｎｇｆｏｒｃｅｌｏｅｓｓｒｅｇｉｏｎ．

ａｎｄｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｉｎｓｏｆｔ—ｗｅａｋ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｏｔｐｉｌｅ；ｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｔｕｎｎｅｌ；ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

树根桩（ＲｏｏｔＰｉｌ邸）是一种用压浆方法成桩的小直径钻孔灌注桩，桩径通常在７０—２５０ｍｍ，长径比大于３０。通常先利用钻机钻孔，再放入钢筋笼，碎石，注浆管，经压力注浆成桩。其长度一般为６—２０ｍ，国外最长达３０ｍ。由于树根桩具有施工场地及操作空间小，对原有地基扰动小，布桩形式的多样性，施工引起的噪声和振动小。桩体沉降小，对桩体周围土体的改良等优点，树根桩的可用范围越来越广。目前国外树根桩己经较广泛地应用于地基加固和基础托换工程中。１工程概况

甘肃省平定高速公路静宁隧道属浅埋松软黄土和弱胶结岩石型长隧道，隧址区位于静宁盆地北部边缘，地貌上总体属于盆地边缘黄土梁峁区，地表覆盖层以上更新统风积黄土、饱和黄土、一般新黄土为主，下伏老黄土和泥岩。地层形成时代较新，地质构造变动影响较小，节理较发育。岩土体受风化作用、胶结程度等自身结构构造影响，力学性质上呈强度低，硬度小，成岩作用差，岩体整体性较好的特点。同时，风化作用、结构构造及胶结程度、岩体遇水软化性、不良地质对围岩划分影响较大。隧道上、下行线围岩划分为５个岩段，经统计，隧道进出口围岩以Ⅵ、Ｖ级为主，洞

身以Ⅳ级为主，其中Ⅵ、Ｖ级围岩和Ⅳ级围岩分别占隧道总长度的６５．１％和３４．９％。隧址区属自重湿陷性场地，场地地基土的湿陷等级为Ⅳ级很严重。为了提高隧道基底的承载能力，采用树根桩进行加固处理，树根桩长为３ｍ，桩径１５ｅｒａ，加固注浆纵向间距为７５ｃｍ，注浆压力为０．５—１ＭＰａ，注浆扩散直径４０ｃｍ。２建立模型

建立的模型为上下土体厚度各５０ｍ，水平方向土体长度１００ｍ，对模型的左右边界施加水平方向约束，底部施加水平和竖向约束。为得到树根桩加固隧道基底的效果评价，分别模拟在未采用树根桩加固下的隧道开挖和采用树根桩加固后的隧道开挖两种情况进行对比分析，在隧道拱腰以上部位设置２ｍ的加固圈，未加固的隧道模型底部直接为土体，加固后的隧道模型底部采用树根桩，桩长３ｍ，桩径１５ｃｍ，间距７５ｃｍ，树根桩与仰拱底部相连接，使桩与隧道衬砌协同变形，桩土之间采用法函数的接触算法，摩擦系数取Ｏ．３。隧道开挖过程简化为采用全断面开挖，这样得到的结果虽然偏大。但由于分析的重点为树根桩加固前后的衬砌变形与受力情况的对比，因而模型的简化不影响比较的结果，且得到的内力值偏于安全。

万方数据　

周燕等：树根桩加固隧道摹底的开挖模拟

１０５

经过现场采取土样，室内土工试验得到土体参数为：土体弹性模量２５ＭＰａ，泊松比Ｏ．４，重度２０Ⅲ／ｍ３，粘聚力４０ｋＰａ。内摩擦角１５０。根据设计资料，取桩体弹性

模量２．０×ｌｏ＇ＭＰａ，泊松比０．２２，重度２２蝌／ｍ３，隧道衬

砌将一衬和二衬一起考虑，取为０．８ｍ，弹性模量２．５×１０４ＭＰａ，泊松比０．２，重度２５ｋＮ／矗，隧道拱腰以上周围设置２ｍ的加固圈，加固圈土体弹性模量２５０ＭＰａ，泊松

比０．３，重度２３Ⅲ／ｍ３，粘聚力６０ｋＰａ，内摩擦角３００。衬

砌和桩体均采用实体单元，虽然实体单元不能显示出弯矩和轴力，但能清晰的显示衬砌内外表面上的应力情况，便于结果的分析查看，模型均单元采用ＡＢＡＱＵＳ内４节点平面应变单元ＣＰＦ＿，４，部分网格畸变较大的区域采用三节点平面应变单元ＣＰＦ３，隧道有限元模型如图ｌ所示。

（丑）带边界的有限元模型

∞树根桩及衬砌有限元模型

图１有限元模型

３施工过程模拟

整个施工过程的模拟由四个分析步骤组成。（１）计算自重应力场：在隧道开挖之前，由于土体的固结作用，土层中早已存在初始应力场｛盯ｏ｝，为消除初始地应力，必需得到土体在自重作用下的应力，因而在建立的模型上施加重力，输出在重力作用下的各个单元的应力情况，得到初始的应力文件。

（２）消除初始地应力影响：在原始模型上导入初始地应力文件后施加重力荷载分析，此时得到的土层初始位移接近于零，而应力不为零，说明能很好的模拟初始应力场的存在。

（３）

土体开挖后部分荷载的释放：隧道开挖后不

能及时支护，开挖后围岩变形将自承一部分开挖荷载，荷载释放率取４０％。模拟中将开挖土体的弹性模量改为原来的６０％。此时并不移去开挖土体，从而达到模拟荷载释放的情况。

（４）开挖土体，施加衬砌：利用单元的“生／死”功能，杀死开挖的土体单元，激活衬砌单元，从而将土体开挖后的剩余６０％的荷载转为由衬砌承担，得到衬砌应力。４计算结果

计算结果见表２，表中列出了隧道在开挖过程中的水平位移，竖向位移，第一主应力，第三主应力值。

（１）黄土由于其自身的软弱性，自承能力较差，

万　

方数据在受到开挖扰动后，会产生比较大的变形，在拱底没有进行加固的情况下，开挖后仰拱底部土体有很大反弹，反弹位移达到６．８６６ｅｒｎ，同时也使得衬砌水平位移增大，而衬砌顶部由于预先进行的加固处理，能够很好的控制其沉降。在对仰拱底部进行加固后，在隧道开挖后能够很好的将荷载传递到衬砌结构上，抑制仰拱底部的反弹，加固后仰拱最大位移为２．７１１ｃｍ，同时也能减少水平位移。因而在黄土这种软弱围岩中，开挖前对四周土体加固，使其成为一个有一定承载能力的封闭圈。对保证安全开挖，减少开挖变形有着很大的作用。

表２

树根桩加固前后隧道开挖分析比较表

比较项目加固前加固后荷载释放４０％拱顶下沉２．６８８ａｎ。拱顶下沉２．７４４ｅｍ，

后竖向位移

仰拱底回弹３．６２ａ【ｌｌ。

仰拱底回弹２．０勉咖。

荷载释放４０％左侧拱脚向右１．２３１ｃｍ。左侧拱脚向右１．１４２ｅｍ，后水平位移右侧拱脚向左１．２１ａｎ右侧拱脚向左１．１３５ｃｍ开挖后竖拱顶下沉３．２８８ｅｍ．拱顶下沉３．１８４ｅｍ，向位移

仰拱底回弹６．８６６ｅｍ仰拱底回弹２．７１１ｅｒａ

开挖后水左侧拱脚向右３．１１３咖，左侧拱脚向右２．４０９ｅｒａ，

平位移

右侧拱脚向左３．１３５ａｎ

右侧拱脚向左２．４０９ｅｒａ

开挖后地隧道中心线处下沉１０．７ｍｍ，隧道中心线处下沉７．２ｒａｍ．表沉降边界处下沉１．１ｍｍ

边界处下沉０．１ｍｍ衬砌第一最大主应力３．１∞ｈ吼

最大主应力１．８４４ＭＰａ

主应力

和一Ｏ．０９＾Ⅱ，ａ

和一０．５６４５胁

衬砌第三最小主应力最小主应力

主应力

一１６．∞Ⅷ、

一９．０５３ＭＰａ

注：负号表示受压

（２）开挖后围岩变形大必然导致地表土体沉降的增大，在未进行隧道底部加固时，除隧道中心线处有１０．７ｍｍ下沉外，边界处仍有１．１ｍｍ的沉降，地表土体受影响范围比较大，加固后在边界处仅为０．１ｍｍ，基本上已经不受影响。

（３）

未加固隧道仰拱由于变形较大，第一主应力

的值也比较大，达到３．１０２ＭＰａ的拉应力，最大主应力集中出现在仰拱内侧及拱脚的外侧，拱腰位置出现０．９ＭＰａ的压应力。加固后的隧道第一主应力的正值减小到１．８４４ＭＰａ，负值增加到一０．５６４５ＭＰａ（负值表示受压），说明基底的土体加固对整个衬砌结构受力有一个调整作用，使得受力更趋于合理。

参考文献

［１］蒋续平．树根桩在地基基础加固中的作用［Ｊ］．湖南地质，２００２，

２ｌ（３）：２１ｌ一２１３．

［２］陈绪绿，黄洪聪，刘玉华．树根桩在上海市政工程中的开发利

１０６

低温建筑技术２０１０年第２期（总第１４０期）

某塔楼基础桩型的选择设计分析

吴彪１，贾敏才１’２，郭建军１

（１．同济大学地下建筑与工程系．上海２０００９２；

２．同济大学岩土及地下工程教育部重点试验室。

上海２０００９２）

【摘要】结合某工程，根据各土层的物理力学性质，将多种承载力理论计算值和载荷试验综合对比，确定桩的选型和承载力，然后通过桩基础设计，对沉降量的估算和软弱下卧层的验算后，最终确定该桩型为可行方案，可为该地区的桩基础设计提供一定的经验。

【关键词】桩基础；预应力管桩；沉降；软弱下卧层【中图分类号Ｊ

１工程概况

某地块位于苏州市工业园区金鸡湖东部的中央河商业街，为会展商务区，约长１７０ｍ，宽５０ｍ，两幢塔楼１４层，位于东西两侧；裙房３层，位于塔楼周边；地下室１层，埋深约４．Ｏｍ，满地块布置。塔楼拟采用框筒结构，单柱最大荷载的标准值约达２２０５０ｋ．Ｎ。拟建场地地处长江三角洲冲、湖积平原地区，土层属长江下游冲、湖积地层。主要物理力学参数如表１所示。２塔楼桩基础设计

２．１

ＴＵ４７３．１３

【文献标识码】Ｂ【文章编号】１００１—６ｓ６４（２０ｌｏ）０２—０１０６—０３

性等因素影响，比较常用的三种桩型为预制方桩，预应力管桩，钻孔灌注桩。因荷载较大，导致桩比较长，用预制方桩则沉桩比较困难，挤土效应强烈，对周边环境影响较大。在工业园区周边建筑已比较密集的情况下，不宜用，考虑采用预应力管桩或钻孔灌注桩。

表１

土的物理性质参数

塔楼基础持力层选择与评价

由于该地块分为塔楼、裙房、纯地下室三个区域，

由于荷重差异大，对于塔楼部分，荷载大，选择天然地基上的浅基础显然无法满足承载力的要求，需选择深基础一桩基础。桩基的持力层选择除考虑单桩竖向承载力应满足设计要求外，还应考虑塔楼沉降总量的控制、两幢塔楼、塔楼与裙楼及地下室之间差异变形等。塔楼部分层数较高，为１４层，荷载大，单柱最大轴力标准值达２２０５０ｋＮ，对单桩承载力及沉降控制要求高。由于深部第（８）层粉土夹粉质粘土层的承载力明显比上部土层大，从图１所示的苏州地区工程经验来看，０５００预应力管桩在进入第（８）层时承载力增加比较明显，因而可选第（８）层作为桩基持力层，若桩尖进入该层足够的深度，能获得较高的单桩承载力。２．２桩型选择分析

桩型的选择受到周边环境、地质条件、沉桩可行

膏撇膏ｅ斗窜斗枣耳ｅ耳ｅ斗ｅ斗窜斗辜斗枣砰ｅ耳留—幻Ｋ嘣ｅ耳馓斗章斗＠州翻枣斗＠州对Ｋ喁枣斗眯斗ｅ斗ｅ■ｅ斗ｅ嶙ｅ拍ｃ斗ｅ斗ｅ斗＠州如Ｋ啊枣斗枣斗ｅ斗ｅ斗龟＊枣膏《嚼辜

用城市改造中的岩土工程问题学术讨论会论文集［Ｍ］．杭州：浙江大学，１９ｑＯ．

［３］杨永浩．树根桩技术试验研究及其应用［Ｊ］．地基处理，１９９２，３

（４）：２／一３６．

［４］王建平，黄继洲．不同地质条件下树根桩承载力性状分析［Ｊ］．

土工基础，１９９７，ｌ（３）：３４—３８．

【收稿日期】２００９—１１—２３

［作者简介】周燕（１９８５一），女，河北邢台人．硕士研究生，从

事地基基础专业。

［６］庞烈鑫．树根桩在黄土隧道基底加固中的应用研究［Ｄ］．成都：

西南交通大学，２００６．

［５］史建国．树根桩在地基加固中的应用研究［Ｄ］．长沙：中南大

学。２００２．

（编辑陈伟）

万方数据