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《中南大学》 2010年
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桩基础荷载对既有地铁隧道的受力和变形的影响分析

黄晓阳  
【摘要】:在地铁沿线周边进行桩基础的建设会对隧道结构的稳定性造成不良影响。当桩基础荷载逐步增加时,桩周土体位移会扩展到隧道处,对其受力状态产生影响,引起隧道结构的位移和断面的不均匀收敛,造成隧道衬砌开裂渗水、地铁轨道倾斜等问题,进而影响到地铁的正常运营。因此,研究桩基础荷载对既有地铁隧道的影响显得尤为重要。 本文利用MIDAS/GTS有限元程序,建立三维模型,研究桩基础荷载对既有地铁隧道的影响,考虑了多种影响因素下隧道受力和变形的特点,最后总结了隧道在桩基础荷载下的受力状态、变形模式以及治理措施。具体内容如下: 1.研究了单桩桩顶荷载作用下隧道的受力和变形,分析了隧道的存在对桩基础受力和位移场的影响,考虑了桩长、桩径、桩顶荷载、桩隧间距、衬砌厚度、衬砌刚度、断面形式等参数变化时隧道最大位移的变化规律和隧道衬砌结构的变形特征。研究表明: ①隧道开挖形成的应力场和隧道的衬砌结构刚度对桩基础侧摩阻力的发挥和位移场有影响。 ②随着桩长、桩径和桩顶荷载的增大,隧道的位移值也增大。桩长的影响与隧道的埋深有关,当桩长与隧道埋深的比值为1时,隧道的位移最大。随着桩隧间距的增大,隧道的位移值逐渐减小,呈指数变化。衬砌厚度和刚度越大,最大沉降越小,但最小沉降越大。 ③两侧有桩时隧道整体下沉,最大位移增加量很大,但最大位移和最小位移差值较小。圆形断面的沉降要略大于三心圆形断面,但是底部的沉降差要小于三心圆断面,所以对于运营阶段的隧道来说,圆形断面要优于三心圆断面。 ④当桩长小于隧道埋深时,隧道断面的最大受力点在拱腰和拱项之间,并随着桩长的增加而下移;当桩长处于隧道埋深和隧道最低深度之间时,隧道最大受力点随桩长的增加而下移;当桩长大于隧道最低深度时,随桩长的增加最大受力点上移。桩隧距越大,隧道的最大受力点越低。桩顶荷载越大,最大压力的作用位置越高。 2.模拟分析了群桩基础在荷载作用下对地铁隧道的受力和变形的影响,考虑的影响因素有:桩隧间距、平行于隧道方向桩间距、垂直于隧道方向桩间距、桩排数等,同时还考虑了隧道的纵向变形。模拟分析了隔离桩的遮拦效应,得出了隔离桩对隧道受力状态、位移大小和变形特征的影响,并考虑了隔离桩桩长、桩隧距变化时对土体位移的遮拦效果。研究表明: ①随着桩隧间距的增大,隧道的位移越来越小,位移的减小速率随着桩隧间距的增大而减小。随着平行于隧道方向桩间距的增大,隧道最大位移逐渐减小,且减小的速率越来越小。垂直方向桩间距的影响要小于平行隧道方向桩间距的影响,随着间距的增加,隧道的位移相应减小,但减小的速率相对较小。 ②隧道的纵向刚度增大,最大沉降减小,纵向沉降曲线趋于平缓。 ③隔离桩能减小邻近受荷桩的桩顶位移和隧道最大位移,减小量为10%~40%。隔离桩使隧道断面的最大受力点发生偏转,能减小轨道沉降差。随着隔断桩的桩长的增加,隧道的位移减小;当隔断桩桩长大于等于邻近桩桩长时,隧道位移的减小较快。大于1.25倍桩长后,隔断桩对土体位移的阻挡作用继续加大,但是增加的速率减小。桩隧距越大,隧道位移减小百分比越大,隔离桩的效果越明显;隔离桩距受荷群桩越近,隧道的最大位移越小。 3.总结提出了隧道断面在外荷载影响下的变形模式,总结了目前常用的几种隧道位移控制措施,在此基础上,利用本文模拟分析得出的结论对其中两种措施作了补充和修改。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TU473.1

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