准三轴应力条件下泥浆渗透及泥皮护壁研究

泥水盾构以压力泥浆支护开挖面,泥膜的形成对开挖面稳定性非常重要,尤其在高渗透性地层,泥浆极易穿透地层直接渗出而不能形成所需的支护压力。以武汉典型地层为例,通过自主研发的准三轴泥浆渗透测试仪器,测试在地层应力作用下泥浆的渗透性能。试验结果表明:上覆土层压力及侧压力对泥浆的渗透有较大的阻碍作用,同时通过测试泥皮的抗剪强度,验证泥皮的护壁作用。     

泥水盾构泥浆渗透试验及成膜规律研究进展

泥水盾构维持开挖面稳定的关键在于及时形成致密的微透水或不透水泥膜,但泥膜在开挖面上的形成机理尚不明确。为了进一步弄清泥膜的形成机理,有必要针对泥水盾构开挖面泥膜形成规律的研究进展进行总结与分析。通过总结国内外学者关于泥膜形成机理的研究成果,分析泥膜形成的一般规律,指出目前研究中存在的不足并给出建议。研究得出,泥浆渗透试验主要有竖向和横向两种形式,但试验方案以及试验装置还有待改进;泥浆性质和地层特性是影响泥膜形成的主要因素;泥浆性质可以通过添加物进行调整;通过总结泥浆颗粒与砂土地层颗粒的匹配关系获得泥膜形成的一般规律。     

泥水盾构泥膜渗透性及其对开挖面稳定性影响

泥膜是维持泥水盾构开挖面稳定的关键因素。通过渗透柱试验研究了加压泥浆向砂土渗透、并在砂土表面形成泥膜的行为,获得了泥膜渗透性与时间的关系。结果显示泥水盾构在开挖时,由于刀盘不断切削泥膜,开挖面上只能形成微透水的泥膜;当拼装管片时,刀盘停止转动,开挖面上则会形成难透水的泥膜。建立了在开挖面上设置微透水的泥膜的二维数值模型,通过瞬态渗流分析获得土体孔压的最大值。根据地层孔压计算了失稳区域内的渗透力,获得了不同泥浆压力下在泥膜表面和地层中的分配比例。当有效泥浆压力越大,孔压在泥膜和失稳区以外地层的下降幅度就越大,对维持开挖面稳定的贡献越小。基于极限平衡法,提出了泥水盾构开挖面极限泥浆压力的计算方法,结果显示目前工程中采用的方法高估了开挖面极限泥浆压力。     

泥水盾构开挖面泥膜的弹性模量

泥水盾构掘进过程中,由于泥水仓压力与开挖地层压力的差异、开挖地层的渗透特性以及泥水的流体力学性质,导致泥浆向开挖地层渗透,逐渐形成泥膜。泥膜不但起到“止水”的效果,而且本身也具有一定的力学性质。本文以过滤模型为基础,假设泥膜为弹性介质,利用弹性模量的定义,求解出了泥膜的弹性模量。随着开挖面的掘削,泥膜随着时间不断的形成,其弹性模量也随着时间发生变化。泥膜弹性模量的求解使得泥水盾构正面稳定的判断更加的准确,盾构施工参数的控制更加科学。     

饱和黏土中沉桩挤土形成超静孔压分布理论解答研究

饱和黏土中沉桩挤土会形成较大的超静孔隙水压力,其时间及空间分布相关特性影响场地土体工程性质和土木及水利工程设计施工的技术经济的合理性。为得到沉桩挤土形成的超静孔压分布理论解答,首先根据三维挤土附加总应力解答分析成桩后挤土造成的超静孔隙水压力分布规律,结合附加总应力计算方法,采用Henkel公式推导三维挤土造成的超静孔隙水压力理论解答;然后,结合工程实例,应用三维固结计算级数解,对沉桩挤土的位移、应力、超静孔隙压力分布规律和成桩后孔压消散的完整过程进行较为系统地计算和验证,为桩基工程的设计和施工提供理论依据和计算方法。     

钱塘江粉土对泥浆和泥膜渗透特性影响

杭州未来规划33条过江通道,多数采用泥水盾构技术,因为泥浆会在开挖面形成阻止地下水的泥膜。在实际工程中,钱塘江粉土会混入泥浆导致泥浆和泥膜的特性发生变化,可能导致工程事故的发生,针对这一现象,系统探讨钱塘江粉土对泥浆性能和泥膜渗透特性的影响,通过滤失试验分析比较16种不同压力下的泥浆试样,获得了泥膜的孔隙比-渗透系数-压力的相互关系参数,并计算了不同压力下不同泥浆形成的泥膜渗透系数。加入钱塘江粉土后,含有PAA-Na(1200)的泥浆粘度增大最明显,增大了1.79倍;而含有CPAM的泥浆所生成的泥膜平均渗透系数增大172倍,含有APAM的泥浆渗透系数缩小为原来1/20。钱塘江粉土的加入可能导致同样压力变化下渗透系数变化更小,为预防相关工程问题提供科学依据与解决方案。     

软土地区基坑开挖超静孔隙水压力分布的有限元分析

依托某基坑工程案例,利用ABAQUS有限元软件对软土基坑开挖时的超静孔隙水压力进行有限元分析,研究超静孔隙水压力的分布规律及其对围护结构土压力的影响,结果表明：基坑开挖卸荷会在坑底及周围土体中产生负的超静孔隙水压力,坑底以下区域负的超静孔隙水压力分布较为集中且数值较大,坑外区域数值较小;负超静孔隙水压力的消散会引起挡墙前后有效土压力的减少,墙前减少更快,这对基坑工程是不利的,实际工程中应尽量缩短施工工期;邻近超载作用下会引起基坑负超静孔隙水压力绝对值的减少,这对基坑工程也是不利的。     

泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究

针对泥水平衡盾构工法遇到渗透性较大的砂性土体,或在特殊地质条件下出现泥浆与土体性质不匹配的情况,泥膜不能有效的阻止泥浆对土体产生渗透,泥浆的有效压力以渗透力的形式作用于开挖面土体,形成了开挖面稳定性的泥浆渗透模型.结合村山公式,考虑泥水的渗透区域与滑动面之间的几何关系对有效泥水压力进行折减,得到了泥浆渗透模型的开挖面稳定性安全系数,并采用此渗透模型探讨了泥浆渗透对开挖面稳定性的影响,通过实际工程算例的对比分析,表明该渗透模型是合理、有效的.     

黏性土层中泥水盾构泥浆作用对开挖面土体强度和侧向变形特性影响研究

采用真三轴仪和环境扫描电子显微镜(XL30 ESEM-FEG),从宏微观上初探了黏性土层中泥水盾构开挖面的稳定机理,研究了不同应力水平下泥浆作用对开挖面土体强度和变形特性的影响,并通过颗粒流数值模拟对实验结果进行了验证。结果表明:①对于黏土类渗透系数较低(K<10-8 m/s)的地层,由于泥浆几乎不流入地层而不能形成泥膜,无法依靠泥膜建立开挖面的稳定机制,但过滤解质间水流产生解质摩擦力及适当的泥浆支护压力对土体颗粒产生的挤压作用均有利于开挖面保持稳定。②过滤解质挤压作用的发挥存在有效泥浆支护压力上、下限值。当支护压力小于其压力下限值时,泥浆作用对土体强度和变形的影响均不大;当支护压力大于其压力上限值时,泥浆中水的渗透开始逐渐软化土体,导致了土体强度的降低、变形增大;而当支护压力处于上、下限之间时,挤压作用的发挥使得过滤解质的压缩,相互间的范德华力增大,透水性降低,外在表现为泥浆作用使得土体强度提高,变形量减小。③基于黏性土与水接触时的软化特性,盾构在长时间停止掘削时,不宜单纯采用泥浆压力来保持开挖面的稳定,而应充分利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定。更多还原     

波浪作用下弹性海床的动力反应及其影响因素分析

基于二维广义动力Biot固结理论,提出了线性或线性波浪作用下饱和弹性海床时域内动力响应的有限元数值解法,静力平衡条件和Biot固结方程组成的边值问题方程组可视为其特例,在比较算例中,数值计算得到的超静孔隙水压力和有效应力幅值沿海床深度的分布与解析解十分吻合,进而通过具体数值计算分析了土体剪切模量,渗透系数和孔隙率等因素对弹性海床超静孔隙水压力和有效应力幅值的影响程度,土骨架和孔隙流体的加速度对超静孔水压力和有效应力幅值沿海床深度的分布影响很小。     

砂性地层孔隙特征对泥水盾构泥浆成膜的影响

透水砂性地层开挖面上成膜特征是影响开挖面稳定性的关键因素,而地层孔隙特征与成膜特征量化关系的建立是进行相关分析的必要条件。通过在不同孔隙特征地层中开展渗透成膜试验,确定了地层孔隙特征和成膜特征的量化指标,基于二者量化关系的构建,研究了地层孔隙特征对泥浆成膜特征的影响规律。研究表明,地层滤失量曲线双参数模型可以描述地层滤失量变化特征,模型参数a,b可量化滤失量曲率特征、成膜时间和成膜阶段等成膜特征,具有明确的物理意义。基于参数a,b和孔隙体积v的幂函数关系,确定了地层孔隙特征和成膜特征的量化关系。研究成果可为泥水盾构穿越透水砂性地层合理确定泥浆配比方案和施工参数,保证开挖面稳定提供试验和理论基础。     

地铁列车振动荷载对穿越泥水盾构泥膜渗透系数的影响

泥水盾构穿越饱和砂土地层中的运营地铁时,在地铁列车振动荷载的作用下,开挖面前方土体中会产生超孔隙水压力,从而降低泥膜承受的压力差,使泥膜回弹,渗透系数增大,进而影响开挖面稳定。通过动三轴试验,研究了不同类型砂土在地铁列车振动荷载的作用下的超孔隙水压力增长规律,并利用改进的Kozeny-Carman公式分析了其对泥膜渗透系数的影响。研究表明:地铁列车振动荷载振幅与在其作用下产生的砂土最大超孔隙水压力之间的关系可用指数函数表示;砂土中粗颗粒间的孔隙起控制作用时的最大动孔压比和泥膜最大渗透系数增大比约为细颗粒间的孔隙起控制作用时的最大动孔压比和泥膜最大渗透系数增大比的50%和60%;当动应力比不大于0.15时,振动荷载振幅的增大对最大动孔压比的增加影响并不明显;相对密实度对最大动孔压比的影响并不明显;卸荷程度相同时,轴向卸荷比水平卸荷对最大动孔压比的影响约大一倍;一般情况下,地铁列车振动荷载最大可使泥膜渗透系数增大约15倍;当泥膜渗透系数不大于7.73×10-8 cm/s时,可不必考虑运营地铁列车振动荷载对泥膜渗透系数的影响。     

泥水盾构支护压力设定范围及其影响因素分析

与土压平衡盾构对掘进面的被动支护不同,泥水盾构是依靠液态介质实现对掘进面的主动支护。泥水支护的关键是选择合适的泥水和支护压力从而形成并维持泥膜的完整性。基于泥水劈裂(渗透破坏)和仓筒理论给出了泥水支护压力的上下限。结合静水压力、土体特性、盾构直径和覆土厚度等因素研究了支护压力区间特性(可设定范围)。研究表明:支护压力下限主要受静水压力和土体摩擦角的影响,其中静水压力起决定性作用。一般情况下,泥水压力设定可以取为静水压力+20 kPa;支护压力上限为泥水劈裂(渗透破坏)压力,主要受静水压力和覆土厚度的影响。增加覆土厚度可以提高地层的泥水劈裂(渗透破坏)抗力,从而改善地层的泥水支护特性,增大泥水支护压力区间长度。然而,增加静水压力只可以平移泥水支护压力区间,而不能使其增大。泥水支护压力区间长度还受土体摩擦角的影响,而其它因素影响较小。考虑泥水支护区间长度的影响,实施带压换刀的隧道覆径比不宜小于0.8～1.0。     

Experimental study on slurry-induced fracturing during shield tunneling

Facial support in slurry shield tunneling is provided by slurry pressure to balance the external earth and water pressure. Hydraulic fracturing may occur and cause a significant decrease in the support pressure if the slurry pressure exceeds the threshold of the soil or rock material, resulting in a serious face collapse accident. Preventing the occurrence of hydraulic fracturing in a slurry shield requires investigating the effects of related influencing factors on the hydraulic fracturing pressure and fracture pattern. In this study, a hydraulic fracturing apparatus was developed to test the slurry-induced fracturing of cohesive soil. The effects of different sample parameters and loading conditions, including types of holes, unconfined compressive strength, slurry viscosity, and axial and circumferential loads, on the fracturing pressure and fracture dip were examined. The results indicate that the fracture dip is mainly affected by the deviator stress. The fracturing pressure increases linearly with the increase in the circumferential pressure, but it is almost independent of the axial pressure. The unconfined compressive strength of soil can reflect its ability to resist fracturing failure. The fracturing pressure increases with an increase in the unconfined compressive strength as well as the slurry viscosity. Based on the test results, an empirical approach was proposed to estimate the fracturing pressure of the soil.     

泥水盾构开舱时的泥膜闭气性能及改性方法

带压开舱已成为泥水盾构开舱的重要方法,泥膜闭气性能关系到带压开舱能否成功。采用自制的泥膜气密性试验装置,开展泥膜气密性实验。采用CMC、正电胶、Na₂CO₃等三种泥浆添加剂对泥浆性质、泥膜性质进行改性,探索泥膜闭气的机理。结果表明:正电胶能有效提高泥膜气密性,0.2%的正电胶添加量能提升泥膜闭气值83%左右;相同条件下形成的泥膜厚度越大,其闭气值越高;泥膜致密性可由泥膜厚度和成膜后滤水量的比值(d/Q)来进行比较,d/Q越大,泥膜越致密,但闭气值的大小由泥膜透气时的致密性决定。     

高水压条件下泥水盾构开挖面稳定离心模型试验研究

开挖面稳定是越江跨海盾构隧道工程安全的关键,尤其是高水压条件下,开挖卸荷导致开挖面稳定控制更加困难。以越江跨海盾构隧道为背景,研制了一套包含材料和设备的高水压泥水支护形式的开挖面稳定模拟试验装置,通过大型离心模型试验研究了高水压下开挖面坍塌失稳破坏模式和土、水应力变化规律。研究结果表明:①高水压条件下开挖面失稳具有突发性,土体呈现由局部–整体形式急速发展破坏,极小的泥水压力变化幅度即可导致土体迅速发展为整体破坏并传至地表,失稳过程中可观测到滑移倾角减小、破坏范围扩张;②随着泥浆压力的降低,开挖面前方土压力呈现先减小后增大最终趋于稳定值,开挖面失稳可以划分为微观变形、局部破坏、土拱形成、整体失稳四个阶段;③开挖面发生主动破坏时,孔隙水压会发生突然降低现象,这是由于高应力条件下密砂具有剪胀效应,从而引起负孔压导致孔隙水压力急剧下降。这种孔压波动会对开挖面失稳带来不利影响,加速开挖面失稳进程、导致失稳区域的扩大。研究成果对越江海水下隧道工程具有指导意义。