泥炭质土层盾构施工扰动引起隧道长期沉降的研究

为了研究泥炭质土层盾构施工扰动引起隧道的长期沉降问题,将隧道周围土体视为连续、均质、各向同性的饱和黏弹性介质,采用五元件模型描述泥炭质土的流变特性,耦合Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立了隧道衬砌在完全不透水的情况下,盾构施工扰动引起周围土体超孔隙水压力消散的控制方程。采用分离变量法、保角映射、Laplace变换及逆变换等数学方法对该控制方程进行求解,得到了隧道周围土体超孔隙水压力消散的解析解,最后对土体的竖向应变进行积分获得了隧道长期沉降的计算公式。结合一工程算例分析了昆明泥炭质土层超孔隙水压力消散及隧道长期沉降的变化规律,研究结果表明:与上海软黏土相比,在初始阶段泥炭质土层中超孔隙水压力的消散速度较快,然后迅速变缓并趋于稳定。泥炭质土层中隧道的长期沉降持续时间更长且沉降量更大,在900 d的时间内隧道沉降趋于稳定,其累积沉降量约高达150 mm。此外,昆明泥炭质土的流变特性显著,如将土体中超孔隙水压力消散90%作为主固结沉降的完成时刻,则土体次固结沉降约占隧道总沉降量的36%,是隧道长期沉降中不可忽视的一个重要组成部分。     

考虑部分排水和土体流变性影响的应变保持试验数值分析

旁压应变保持试验(SHT)是测定土体水平固结系数的有效原位测试方法之一。通常采用Clarke建议的步骤,由于包含了一些简化的假设而导致对固结系数的不准确地评估。以Drucker-Prager理想弹塑性模型为基础,利用有限元法模拟饱和黏土中SHT,分析了Clarke等固结时间因数曲线(根据Randolph和Wroth解)的适用条件,并考虑渗透性及应变加载率引起的部分排水的影响,对Clarke曲线进行修正,建议了误差曲线。进一步地采用Drucker-Prager理想弹塑性与土体流变的耦合模型模拟SHT,分析土体流变性对超孔隙水压力消散的影响。研究表明:土体流变对超孔隙水压力消散的影响,除了通过应力松弛改变边界应力水平而使超孔隙水压力下降,还通过改变超孔隙水压力的分布而减缓其渗透固结速度;渗透系数越小,土体流变性对超孔隙水压力的消散速度影响越明显。忽略土体流变性会高估水平固结系数,可高估几倍到数十倍。     

盾构隧道施工引起的工后地面沉降研究

 对盾构施工引起的隧道轴线上方土体超孔隙水压力和工后地面沉降进行研究,提出盾构隧道施工引起的土体应力释放率计算方法。基于Henkel 超孔隙水压力理论,推导与隧道衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力值。假定与衬砌相邻的各点具有相同的应力释放率,得到隧道拱顶处土体的超孔隙水压力计算方法。运用应力传递理论,提出隧道轴线上方土体的超孔隙水压力分布模式。假定压缩层厚度为隧道覆土厚度,采用太沙基一维固结理论,得到隧道轴线上方地面工后固结沉降理论计算公式。算例分析结果表明,该方法的预测值与实测值非常吻合。     

基于分数阶本构模型的隧道工后固结沉降

基于分数阶三元件模型,假定盾构隧道施工引起的隧道轴线上方初始超孔隙水压力为三角形分布,隧道衬砌为半透水边界,通过太沙基一维固结理论和拉普拉斯变换推导了盾构隧道施工引起的轴线上方土体长期沉降公式.然后运用此公式预测了上海地铁1号线的工后沉降,并分析了隧道衬砌的渗透系数对长期沉降的影响.结果表明:分数阶三元件模型比普通的三...     

水泥搅拌桩施工扰动模拟

进行地基处理时容易对土体产生施工扰动,土体结构破坏,引起土体强度降低,对工程产生不利影响。本文采用有限元方法,对桩周土体采用剑桥模型,进行了水泥搅拌桩施工过程模拟,得出了施工引起的超静孔压分布和消散规律:随着深度的增加,超孔压的峰值呈现递增趋势,并且离桩心越近,不同深度间超孔压峰值相差越大。施工结束后超孔隙水压力即开始消散,固结1d已消散了80%～90%,固结9d,超孔隙水压力基本消散。超孔隙水压力沿径向呈指数形式迅速衰减,随着深度的增加,影响深度也逐渐增大。     

桩周黏弹性土体固结分析

沉桩过程中桩周土体产生超静孔隙水压力,桩承载力的提高很大程度上依赖于超静孔隙水压力的消散。采用Merchant流变模型模拟土体黏弹性,考虑土体径、竖向耦合固结,研究沉桩后土体的再固结问题。假定沉桩后产生的超静孔压满足圆孔扩张理论,根据连续性条件,获得研究问题的控制方程。采用分离变量法、结合Laplace变换求得其级数解答。将该解答编制成应用程序,对一算例进行了分析。算例分析表明,深度在5.0m范围内土体的孔压消散受竖向固结影响较为明显;土体黏弹性减慢固结速度主要表现在中期接近后期阶段。     

黏弹性软土中隧道超静孔隙水压力解析研究

假定土体为饱和多孔黏弹性介质,采用Burgers四元件流变模型来描述,结合建立在Terzaghi-Rendulic固结理论基础上的固结-流变耦合模型,采用复变函数解法,利用复变量将原平面上的研究域保角映射到像平面上的圆环域内,在像平面上求解以超静孔隙水压力为变量的控制方程,进而得到原平面域上软土盾构隧道的超静孔隙水压力的解析表达式。并在此基础上,研究了衬砌排水边界条件下盾构隧道的孔隙水压力问题以及土体特性对孔隙水压力的影响。     

分数阶黏弹性地基中洞周超孔隙水压力消散特性分析

针对黏弹性地基中洞周超孔隙水压力消散问题,首先,采用分数阶Merchant模型来描述洞周饱和软黏土的流变特性,并借助拉普拉斯变换及逆变换方法,推导该模型柔度函数;其次,基于饱和软黏土二维固结状态下超孔隙水压力消散的偏微分方程,采用保角变换和分离变量方法,推导超孔隙水压力关于时间和空间变量的两个独立方程及其在拉普拉斯域内的解析表达式;再次,基于Crump方法,建立时域内超孔隙水压力的数值计算方法,并将超孔隙水压力解答退化为弹性和整数阶黏弹性地基的情况,与已有解答进行对比,验证其可靠性;最后,基于建立的解答,对洞周超孔隙水压力的消散特性进行研究,分析分数阶阶次、模量比、黏滞系数和边界条件的影响。结果表明:分数阶阶次和黏滞系数对超孔隙水压力消散的影响均呈现为两个不同的阶段。在消散初期,分数阶阶次和黏滞系数越大,超孔隙水压力消散越快;而在消散后期,分数阶阶次和黏滞系数越大,超孔隙水压力则消散越慢。模量比越大所对应的饱和软黏土层越软,超孔隙水压力消散越慢,且模量比的影响在超孔隙水压力消散中后期更为明显。洞周排水边界条件对超孔隙水压力消散的影响,消散初期主要体现在靠近洞周一侧,之后,逐渐向远离洞周一侧延伸和传递。     

软土地区盾构施工引起的土体固结沉降数值分析

利用二维有限元软件,结合盾构隧道开挖后的土体初始超孔隙水压力理论计算方法,模拟了软土地区盾构隧道施工引起的土体工后固结沉降。算例分析结果表明:该模型能够较好地模拟地面固结沉降曲线,与实测值较吻合;通过隧道中心水平线处的超孔隙水压力值,随着离隧道中心的距离增大而急剧减小,超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处;固结沉降速率随时间增长而逐渐减小;隧道中心线上方土体产生向靠近隧道侧水平移动,而中心线下方土体则相反。     

高真空击密法加固机理研究及应用

强夯法处理饱和软土地基的关键是孔隙水的排出和超孔隙水压力的快速消散。该工法既是针对这一关键问题进行研究和提出解决办法的。本文第一遍高真空排水固结通过特制与安设的高真空排水设备的排水,可迅速在所需处理的土体范围内生产高真空,促使孔隙水和孔隙气体快速排出而导致土体固结。随之而插入的高真空管作用下产生孔隙水压力差而加速孔隙水排出与超孔隙水压力消散,进一步导致土体的排水固结。高真空排水对饱和软土的固结作用。     

矩形顶管施工引起的地面沉降变形研究

以南宁市轨道交通1号线南湖站Ⅰ号过街通道顶管工程为背景,分别考虑顶管机及后续管节对土体的作用力引起开挖面周围土体的施工时变形、土体损失引起地面永久沉降、注浆对土体损失补偿引起的地面抬升、地层中超孔隙水压力消散发生失水固结效应引起的工后沉降等因素,揭示了在注浆压力作用下矩形顶管隧道周围土体的变形模式,推导了由注浆填充引起的土体竖向变形计算方法,给出了扰动范围土体内超孔隙水消散引起的工后固结沉降的计算公式。运用Mindlin弹性理论解、随机介质理论、分层总和法分别对该工程由土体应力状态变化、地层损失、注浆填充和失水固结4个方面引起的地面变形进行计算,根据计算结果与实测数据的对比分析,对矩形顶管施工扰动引起的地表沉降变形特性进行系统研究,叠加后的计算结果与实测数据变化规律基本一致,且数值吻合较好。     

高压富水区限排隧道围岩与衬砌水压力场研究

以穿越重庆市中梁山高水压岩溶区的石板隧道为例,采用有限元稳态渗流分析方法,对地下水控制排放下隧道衬砌周围与围岩内的水压力场进行了研究,分析了半包防水与全包防水条件下衬砌上的水压力分布规律,以及全包防水条件下注浆与否围岩内的孔隙水压力特征。研究表明:(1)采用全包防水,不但可以改善隧道的防水条件,而且可以缓解仰拱的水压力,这对于隧道衬砌的耐久性是有利的;(2)隧道排水率对隧道衬砌周围的水压力有显著影响,当地下水较丰富时,注浆可使隧道排水率增加、衬砌压力减小;(3)围岩注浆可以减小隧道排水对围岩水压力的影响范围,且孔隙水压力在注浆圈范围内变化梯度很大。     

盾构施工引起土体超孔隙水压力峰值的计算及 影响因素分析

摘 要： 运用应力释放理论及应力传递理论,推导了盾构施工引起周边土体任一点的 超孔隙水压力峰值 的计算公式。并通过算例分析表明：与衬砌相邻的土体超孔隙水压力峰值呈 近似 圆形（底部大于顶部）;随着离隧道中心距离的增加,土体超孔隙水压力峰值呈凹曲线衰减。同时发现盾构直径及埋深对土体超孔隙水压力峰值的影响是相反的。当直径减小或是埋深增大,均会使得与衬砌相邻周边土体超孔隙水压力峰值的底部与隧道中心水平线处的差异更加明显,反之亦然。隧道底部的等值线最密,即变化最快;隧道上方区域的等值线间距逐渐变大,即变化变缓。在一定深度处,超孔隙水压力峰值在隧道轴线上方为最大,远离隧道轴线则减小;随深度增大,其最大值有增大趋势。     

圆柱形空腔固结解析解及应用

基于圆柱形空腔扩张理论的初始超静孔隙水压力分布,采用分离变量法,在考虑空腔壁处任意排水条件下,求解得到圆柱形空腔扩张引起的超静孔隙水压力消散的一般弹性解析解。讨论分析了剪应力和不同排水条件对超静孔隙水压力初始分布及其消散的影响;同时,与现场固结试验实测的孔压消散曲线进行了对比分析,理论计算与实测结果相符合,表明了该解析解对现场测定土体固结系数和分析打桩引起的孔压消散具有一定的实用价值。     

土体气压劈裂的室内模型试验

气压劈裂是向岩土体中注入高压气体形成裂隙,增加流体的流动通道,从而提高低渗透性土体的渗透系数。通过室内模型试验探讨了土体在高压气体作用下的响应及劈裂现象。试验结果表明,向土体中喷入高压气体会在土体中生成超静孔压,超静孔压大小与喷气压力相关;超静孔压较大时,土体发生气压劈裂,生成的裂隙又为超静孔压的快速消散提供了通道,大部分超静孔压在裂隙闭合前消散;随着超静孔压的消散,裂隙随之减小,但不会完全闭合,留存残余微裂隙。     

任意埋深水下隧道渗流场解析解

总结现有关于水下隧道渗流场解析研究的优点和不足,基于稳态渗流控制方程,结合保角变换方法,严格推导了水下隧道渗流场的解析解。该解能求解任意埋深考虑注浆圈作用的水下衬砌隧道渗流量以及水压力分布,并能退化到无衬砌水下隧道以及水下不透水管道两种极端情况,应用Comsol软件建立数值模型验证了新解答的正确性。利用本文解研究了隧道埋深、衬砌渗透系数、衬砌厚度等因素对隧道渗流量、衬砌外水压以及总水头分布的影响。研究发现当隧道埋深较小时,最大水压力出现在隧道顶部,而埋深较大时,则出现在隧道底部;衬砌外圈平均水压力及分布不均匀程度随着埋深的逐渐增大先减小后增加;其他参数不变时,存在某个埋深或者衬砌厚度使衬砌外水压力接近均布。     

预测压气法隧道施工中的漏气量的模型研究

在阐述压气法隧道施工原理的基础上,建立了水–气二相流模型来模拟压气法隧道施工过程中超压空气驱替隧道周围土体的孔隙水的水–气二相流过程。该模型同时考虑了土体中气相和水相的流动以及水相和气相相互作用的影响,比较符合水–气二相渗流过程的物理意义。通过工程算例,计算出不同施工进度下开挖面和隧道混凝土衬砌上的空气损失速率以及空气入流对隧道周围土体渗流场的影响,结果表明:在均质的地质条件下,开挖面上的漏气速率一般为常数,而衬砌上的漏气速率将随着隧道长度的增加而线性增大。最后,提出了利用水–气二相流模型进一步提高压气法隧道施工的漏气量的数值模拟精度,需要深入研究的两点意见。