黄土隧道地基湿陷变形评价方法探讨

 隧道穿越自重湿陷性黄土地层时,可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而产生结构破坏。针对隧道衬砌结构的湿陷性黄土地基,结合隧道围岩及地基的自重湿陷变形特征,首先,提出浅埋隧道围岩压力、衬砌结构自重荷载构成基底压力和隧道两侧基底面分布土层自重共同作用下地基土的附加应力计算方法,以及考虑地基土自重应力的湿陷压缩应力计算方法。其次,在基本物性与构度、构度与结构压缩屈服应力、孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和结构压缩屈服应力比值关系的基础上,建立自重湿陷系数和湿陷系数的计算方法。依据大厚度自重湿陷黄土场地不同埋深范围黄土具有不同自重湿陷系数门槛值的特征,得到了场地的自重湿陷变形和隧道地基的湿陷变形的计算方法。最后,通过数值计算分析,模拟隧道地基湿陷变形不同沉降差作用下衬砌结构应力场和塑性域发展,随着不均匀湿陷变形的增加,隧道衬砌结构塑性区范围不断增大,并结合铁路路基沉降控制标准,建议隧道地基湿陷变形0～5 cm为一级、5～10 cm为二级、大于10 cm为三级。     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

黄土隧道地基湿陷压缩应力的计算方法

黄土隧道地基湿陷变形产生的不均匀沉降是导致衬砌结构破坏的重要影响因素。首先,在应用松散介质围岩压力的Terzaghi公式和松散岩柱公式确定隧道围岩压力的基础上,考虑衬砌结构自重荷载,得到了衬砌结构基底压力的两种计算方法。然后,应用半无限弹性空间解答,考虑衬砌结构基底压力和隧道两侧上覆地层土自重压力,得到了隧道地基土竖向压缩应力的解析解,从而提出了一种黄土隧道地基湿陷压缩应力的解析计算方法。利用隧道基底压力的两种解答,比较分析了不同埋深隧道的基底压力和自重应力的差异;利用隧道地基土竖向压缩应力计算方法,比较分析了隧道地基土竖向压缩应力和场地自重应力的差异,得到了地基土竖向压缩应力和场地自重应力比值沿深度的分布变化规律。并与数值计算结果比较,表明解析计算方法确定的湿陷压缩应力安全可靠,为合理评价黄土隧道地基的湿陷性提供了压缩应力条件。     

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道影响试验研究

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道结构的影响是较为突出的岩土工程问题之一,为深入研究黄土层湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,通过改进长安大学离心机浸水装置和监测设备,系统开展了浸水条件下湿陷性黄土层对地铁隧道结构影响的离心模型试验,试验结果表明:地铁隧道周边黄土浸水湿陷会导致土层重度增加,隧道拱顶土层内部拱效应因湿陷而消散,土层自重压力增加且完全由隧道结构承担,从而会导致隧道结构受力和变形不利,传统的深埋隧道结构设计理论需考虑湿陷条件下拱顶土压力的不利增长因素;地铁隧道基底下黄土地基的浸水湿陷会明显诱发隧道结构的附加作用应力,但一定厚度的非湿陷性黄土或有效处理过湿陷性黄土层抵御下伏土体湿陷变形的能力不容忽略,非湿陷土层厚度越大,对于抵御湿陷变形的能力越强;隧道基底土层不均匀浸水湿陷会导致隧道拱顶部呈现受拉状态,底部呈现受压状态,隧道拱顶所承受的附加应力更大,约为拱底附加压应力的3倍,隧道基底的自重湿陷变形对隧道顶部衬砌结构所造成的破坏更严重。     

黄土隧道的湿陷变形规律及其对衬砌结构的作用

黄土围岩潜在的湿陷变形不利于隧道工后的安全稳定,为深入研究黄土围岩湿陷变形对隧道结构的影响机制,在已建黄土隧道场地开展大面积试坑浸水试验,研究湿陷性黄土围岩的渗水分布场、湿陷变形发展规律及隧道结构的受力变形规律。表明隧道开挖促使黄土围岩原生竖向节理、裂隙发育,易形成贯通地表的竖向裂缝,增大了深层黄土竖向渗水能力,地表水易于向深层土运移。隧道开挖扰动了黄土围岩原有结构,改变了深层黄土的湿陷变形特性,遭浸水作用后产生较原位土层湿陷变形更大的沉降变形。当水分入渗接近隧道埋深,围岩承载拱作用的减弱甚至消失,会显著地增大隧道围岩压力及传至基底的压缩应力,并在拱脚位置形成应力集中,引发拱脚下沉,而仰拱中部地基的弹性抗力抑制中部沉降变形发展,显著的不均匀沉降差导致仰拱中部开裂,形成纵向裂缝。对于埋深较浅的黄土隧道,应避免隧道上方地表出现长期浸水的情况;设计施工中应充分考虑拱脚地基承载能力不足的情况,可加强仰拱刚度以抵御不均匀沉降的发展。     

砂井浸水试验在黄土隧道地基湿陷变形评价中的应用研究

针对室内压缩试验和现场试坑浸水试验难以准确评价黄土隧道基底深埋地层湿陷变形的问题,提出采用砂井浸水试验对黄土隧道地基的湿陷变形进行测试评价。通过对比分析相邻大厚度湿陷性黄土场地开展的砂井浸水试验、试坑浸水试验及相应室内试验结果,论证砂井浸水试验用于测试评价黄土隧道基底深埋黄土地层湿陷变形的合理性和可靠性。试验结果表明,砂井浸水试验条件可保证井壁周围土柱湿陷变形的有效释放,且砂井埋深越大,井底地层潜在的湿陷变形释放越完全,其更适用于量测深埋黄土地层的湿陷变形;该试验方法可更为真实地模拟黄土隧道地基湿陷发生的力、水条件,且场地条件要求低、需水量少、周期短、费用低,具备在黄土高原地区隧道沿线大量开展的条件,可解决隧道穿越的黄土梁峁地区地层湿陷性复杂多变所造成的单点评价结果代表性十分有限的问题;并分析目前砂井浸水试验技术方案存在的不足,提出相应的改进措施。     

大厚度黄土地层浸水湿陷对地铁隧道影响的模型试验研究

黄土力学特性对地层水环境变化极为敏感,水敏性黄土地层浸水对工程结构影响明显。为系统研究大厚度黄土地层浸水对地铁隧道的影响,自主研制可以再现基底和地表浸水工况的模型箱,综合考虑浸水影响因素制定不同工况,开展不同工况下隧道结构力学响应的模型试验,分析黄土地层浸水对地铁隧道的影响机制,建议湿陷性地基剩余湿陷量控制标准。结果表明:(1)随浸水深度增加,隧道基底和地表局部浸水均会引起土压力重分布,受地层的荷载传递机制影响,土压力变化趋势不均匀;基底全幅浸水土压力随着浸水深度增加逐渐减小,地表全幅均匀浸水土压力逐渐增大,两者变化趋势相对均匀。(2)基底局部浸水导致隧道地基局部承载力降低,引起隧道衬砌弯矩发生不规律变化,基底全幅均匀浸水导致隧道地基承载力均匀降低,衬砌各点的弯矩变化相对均匀;地表局部浸水隧道上方地层结构强度局部丧失,荷载逐渐作用于隧道衬砌上引起衬砌弯矩快速增大,地表全幅均匀浸水衬砌弯矩随着浸水深度的增加而增加。(3)基底局部浸水和地表局部浸水时,隧道发生了明显的水平位移和竖向位移;基底全幅浸水和地表全幅浸水隧道主要以竖向位移为主,水平位移不明显,基底浸水引起的隧道位移比地表浸水更大,局部不均匀浸水导致的差异沉降对隧道具有附加扭转作用,对隧道整体受力更不利。(4)当隧道基底湿陷地层为30 cm时,仅仅湿陷10 cm对隧道整体影响不大,允许有10 cm的剩余湿陷量,建议湿陷性地基的处治深度为20 cm。研究结果可为大厚度黄土地区地铁隧道前期设计及后期运营提供借鉴。     

湿陷性黄土隧道应力应变特性的离心模型试验研究

湿陷性黄土对建筑物的安全稳定的影响较大,因此研究处于湿陷性黄土中的隧道的应力分布规律及沉降变形特征对工程施工有重要意义。本文以西安市轨道交通临潼线(纺织城至临潼北二环)某断面为研究对象,采用离心模型试验方法,揭示了处于湿陷性黄土中的隧道在黄土遇水湿陷下的应力分布特征及应变规律,为实际工程施工及地基处理方案设计提供依据。结果表明,黄土浸水湿陷后,衬砌的拱顶,拱肩,边墙,仰拱底环向应力均增大,拱脚所受环向应力有所减小,应力变化最大的位置出现在拱脚和仰拱底;隧道基底沉降曲线类似于开口向下的二次抛物线,沉降最小沉降值出现在拱底;浸水后土压力成"W"型分布,土压力增大约12%。变化最大的位置出现在仰拱底的位置。     

黄土的结构屈服及湿陷变形的分析

黄土是一种典型的结构性土,其湿陷性是浸水后黄土结构破坏的反应。黄土的结构性可用构度指标定量地描述,它既包含了土的物质组成,还包含了不同沉积年代黄土的结构特征。加载和浸水均可引起黄土结构性衰减,加载结构性衰减可由一定含水率黄土的压缩结构屈服应力和压缩变形曲线表征;浸水结构性衰减可由浸水的压缩结构屈服应力减小和压缩变形曲线的变化表征。针对不同场地、不同沉积年代的Q_3黄土和Q_2黄土,依据不同含水率黄土的压缩曲线,分析了不同黄土构度指标与其压缩结构屈服应力之间的关系,以及黄土压缩变形过程中孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和压缩结构屈服应力比值对数之间的关系。表明不同沉积年代黄土的构度随其反映基本物性的综合物理特征量单调变化,压缩结构屈服应力与构度之间近似呈线性关系,压缩结构屈服前后的孔隙比比值和压缩应力比值对数之间服从近似一致的变化规律。建立了由黄土沉积年代和基本物性指标确定构度,进而确定压缩结构屈服应力;依据孔隙比比值与压缩应力比比值对数的关系,分别描述天然含水率黄土和浸水饱和黄土的压缩曲线;进而,确定饱和自重作用下黄土的自重湿陷系数,计算场地自重湿陷变形的评价方法。该方法应用于西安地区黄土场地自重湿陷评价,得到了与现场浸水试坑试验实测自重湿陷量比较一致的结果,论证了考虑黄土结构性的湿陷性评价方法的合理性和准确性,为建筑黄土地基湿陷变形和大厚度湿陷性黄土地下结构地基湿陷变形评价提供了一种新途径。     

三轴应力条件下黄土湿陷性试验及评价方法研究

为使黄土的湿陷性评价方法更加准确合理,利用改装的应力控制式三轴仪和单向压缩固结仪分别测出三轴试验条件下和单向侧限条件下黄土的自重湿陷系数,并结合湿陷性黄土原位浸水试验的分层沉降数据,研究了不同试验条件下黄土的自重湿陷变形规律及评价方法。研究结果表明：三轴应力条件下黄土的自重湿陷系数曲线拟合的公式可用于计算兰州地区湿陷性...     

构度指标与黄土力学特性指标的关系研究

西北地区基础设施建设涉及地基、边坡、洞室、支护及环境等岩土工程,由于黄土对水敏感性、特有结构性及结构强度,常因黄土的结构性损伤及结构强度遇水衰减而产生许多岩土工程问题,如:“基础不均匀沉降、边坡滑坡、洞室工程塌方、支护位移变形、围岩稳定性及岩土生态环境问题”,这些岩土工程问题都与黄土的力学性质有关,且黄土的力学特性起主要作用。构度指标反映了土的初始结构性,是个基本物性指标,本文主要研究构度指标对黄土力学特性指标的影响。研究表明:构度指标随压缩系数增大而减小,随压缩模量增大而增大,随湿陷系数增大而增大;在处理黄土工程问题、分析黄土力学特性等方面,构度指标具有很好的实用性、合理性。     

西安洪庆地铁车站地基湿陷性研究

以西安地铁洪庆站为研究对象,针对现行“湿陷性黄土地区建筑规范”评价方法所得结果误差较大的问题,开展了现场原位试坑浸水试验,表明了该车站位于自重湿陷性黄土场地。通过数值分析方法,模拟车站施工过程,分析了不同埋深条件下车站基底分布实际竖向应力,揭示了地铁车站修建过程中地层内的卸荷特征,建立了不同埋深车站基底及围护结构基底竖向压缩应力分布函数。应用Flamant弹性解,建立了基底黄土实际竖向压缩应力随埋深变化的计算公式。通过结构压缩屈服应力与综合物理特征量的关系、压缩孔隙比与初始孔隙比比值与压缩应力与结构压缩屈服应力比值的关系,建立了计算浸水饱和黄土湿陷系数的“浸水结构破坏湿陷性”评价方法,并与现场试坑浸水试验结果进行比较,验证了评价方法的可靠性。对黄土地区城市轨道交通工程设计中湿陷变形量预测和地基处理深度的合理确定具有一定的参考借鉴意义。     

隧道内挤密桩改善湿陷性黄土地基

在湿陷性黄土地区,由于未能消除地基土体的湿陷性,在施工或使用中由于水的侵入导致黄土湿陷,从而导致隧道内地基失稳而遭破坏或使道路、地下管线等被毁的事故称为黄土湿陷灾害。在隧道基面上设置若干个挤密桩孔,并在挤密桩孔内铺设填料层构成挤密桩。用挤密桩进行地基处理结构简单,施工时产生震动较小,噪声污染小,不仅能够达到隧道内消除地基黄土湿陷性的目的,同时,还能够保证隧道工程内部支护结构的稳定和施工安全。     

黄土隧道设计与施工中的几个问题

通过总结分析黄土地层的饱和、固结、湿陷、可灌性与降排水性等对黄土隧道稳定性的影响,提出了黄土隧道工程中应注意的问题;对黄土隧道衬砌结构设计中需要考虑的侧压力系数、变形模量取值问题,围岩压力计算及围岩与衬砌结构相互作用等问题进行深入剖析,并提出了设计中应注意的问题;对于浅埋黄土隧道,建议采取“拟塌落拱有限元方法”进行分析;以某饱和黄土隧道工程为依托进行了几种常用施工方案的数值对比分析,表明NATM施工、掏槽施工或压桩施工均难以满足成洞条件,且先行降、排水措施和初期喷浆支护难度较大,应采取超前管棚注浆等新工艺才能满足饱和黄土隧洞的成洞要求;针对黄土地层盾构隧道施工,建议采用控制“地层刚度”和修正“盾构工艺参数”的方法来控制地表隆沉。     

大厚度自重湿陷黄土湿陷变形评价方法的研究

黄土湿陷变形是地基工程的关键问题。依据大量的现场试坑浸水试验和室内湿陷性试验结果,区分不同黄土地区,分析了场地浸水自重湿陷变形实测值与计算值之间的关系,表明陇西地区、陇东—陕北—晋西地区、关中地区和其他地区自重湿陷变形计算值的修正系数分别为2.0,1.7,1.2,0.4。依据典型场地黄土自重湿陷系数、自重湿陷变形、地层结构随深度的变化特征,通过现场试验实测不同埋深黄土自重湿陷变形的平均自重湿陷系数与室内试验测试自重湿陷系数的加权平均值之间的关系,揭示0~10 m,10~15 m,15~20 m不同埋深范围黄土原位浸水产生自重湿陷变形时,对应的室内试验自重湿陷系数的加权平均值依次为0.015,0.020,0.025,确定了大厚度自重湿陷性黄土的自重湿陷系数起始门槛值。关中地区不同场地Q2黄土的自重湿陷变形实测值一般小于7.0 cm。该地区不同场地Q2黄土的自重湿陷系数的均值约为0.029,其自重湿陷系数的起始门槛值可取0.025。     

大厚度湿陷性黄土地层的现场砂井浸水试验研究

针对大厚度黄土湿陷变形室内试验评价不准确,现场原位浸水试坑试验评价方法周期长、费用高且难以适应线性工程技术要求等不足,提出了一种新的现场试验评价方法:砂井浸水试验方法。其核心是利用湿陷变形土体与未湿陷变形土体之间产生相对沉降差及地裂缝,通过湿陷性黄土场地设置砂井,将水直接导入某一深层湿陷性黄土地层及砂井圆周边土体,以此来测定砂井井底下地层和砂井孔深范围内黄土的湿陷变形量。该方法具有操作简便、花费小、周期短和灵活性高等特点。依托宝兰客专建设项目,在具有代表性的大埋深自重湿陷性黄土场地开展了4个不同深度的砂井浸水试验,测试了砂井场地的沉降变形及井底湿陷性土层的沉降变形,同时配合井底土层含水量的量测,分析了井底黄土的湿陷性变形特征。参考现有规范中建议的该地区自重湿陷量修正系数,对比砂井浸水试验结果与室内试验结果,初步论证了砂井浸水试验的合理性,及其在大厚度湿陷性黄土线性工程上运用的优势。     

湿陷性黄土区复杂地基上高层建筑岩土勘察设计要点浅析

高层建筑基底压力大,对沉降敏感,破坏后果很严重,相较于其他一般建筑,对地基和基础的稳定性要求更高,而湿陷性黄土在未受水浸湿时强度较高,浸水后,土结构迅速破坏,进而产生不均匀沉降,造成基础破裂。为了解决在湿陷性黄土峁、梁地区高层建筑建设过程中碰到的岩土工程技术问题,在查阅文献资料的基础上,结合工程实际经验,对湿陷性黄土峁、梁地区高层建筑工程勘察、设计及施工中主要考虑的问题进行分析,采用严格分阶段进行勘察、地基处理消除湿陷、按设计填筑土方并对坡面防护、桩基无水分段施工然后快速浇筑并扩大检测范围等手段,使得湿陷性黄土区上的高层建筑基础得以安全可靠投入使用。由此可知,详尽的勘察、针对性设计、良好的施工加之可靠的检测是湿陷性黄土区复杂地基上进行高层建筑所必不可少的。