带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层位移和衬砌应力分析

 盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是城市轨道交通安全控制的关键课题。由于目前该领域较少考虑隧道衬砌与土体相互作用带来的影响,尤其是较少针对衬砌应力进行分析,由此提出带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层变形计算方法;同时考虑地层与衬砌之间的非对称收敛协调变形模式,建立带衬砌隧道开挖的Airy应力函数解析解答。通过实例研究,得到带衬砌隧道非对称变形模式下的地层沉降和水平位移曲线,并与实测数据进行对比验证;通过参数分析,获取土体和衬砌的材料特性、隧道几何特性以及隧道埋深等主要参数对浅埋隧道开挖地层变形和衬砌应力的影响规律。结果表明：非对称收敛变形模式对地层位移的影响明显,在此条件下得到的沉降槽和水平位移曲线与实测值吻合较好,地表最大沉降值更接近于实际;隧道半径或土层硬度对土体沉降最大值有较大影响,减小半径和硬化土层对减少土体沉降量效果显著,而衬砌几何参数的改变对沉降量的影响不大;衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈倒“8”字分布,而弯矩随着k值的增大,沿圆周方向由“8”字形向“0”字形过渡,最大轴压力和最大负弯矩发生在拱腰位置,土体侧压力系数k的取值对衬砌轴力和弯矩的分布和大小影响明显。分析成果可为正确预估软土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

冻融引起黄土隧道洞口段应力变形分析

通过试验获得了原状黄土冻融后的强度参数,并利用有限元方法分析了冻融对黄土隧道洞口段应力及变形的影响。分析结果表明,在冻融作用下,覆土厚度和冻融次数均会对拱顶位移和拱顶上部土体水平压应力产生影响。覆土厚度越大,隧道在开挖和经历冻融后,拱顶沉降也越大;且冻融第1次后对拱顶沉降影响最大。拱顶上部土体水平压应力最大值随覆土厚度的增加而增大;距拱顶较近土体的水平压应力随冻融次数增加逐渐减小,距拱顶较远土体的水平压应力值随冻融次数增加逐渐增大。     

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。     

地面堆载下盾构隧道结构韧性演化规律研究

韧性理论的提出和发展为盾构隧道结构性能评估提供了新思路。在提出考虑历史最大变形的衬砌性能指标基础上,建立包含管片、接头和非线性土弹簧的精细化三维有限元分析模型,研究了地面堆卸载作用下,不同埋深盾构隧道结构响应特征和韧性演化规律。结果表明：地面堆载下拱顶、拱底内弧面受拉,拱腰外弧面受拉,受错缝拼装影响,结构内力和损伤集中于边环纵缝相邻的中环管片处;卸载阶段隧道水平收敛减小,完全卸载后的残余变形随堆载量增加而增大,相同水平收敛情况下浅埋隧道卸载后变形恢复率大;隧道结构韧性随着水平收敛的增大快速降低,而缩短响应时间、提高修复措施效率可以提升隧道结构韧性;将隧道结构韧性分为4个等级,当结构进入极低韧性阶段时,应采取更加高效快速的综合修复方案,同时避免造成结构的二次损伤。     

层状饱和土体中衬砌对地震波的动力响应分析

以南昌地铁过江隧道为工程背景,考虑水土两相耦合作用,采用等效连续介质理论建立层状土体结构计算模型,运用有限差分方法求解层状饱和土体中衬砌结构对地震波的动力响应,分析了衬砌厚度、周边地基加固深度对地震动力响应的影响规律。计算结果表明,分层土体中的地下结构对地震波的动力响应要比均质土体中的动力响应要大;随着衬砌厚度的增加,衬砌结构的整体变形逐渐变小,衬砌结构内力增大,特别是剪力和弯矩的增幅较大;隧道衬砌内力和变形随着衬砌周边土体加固范围增大和加固土体的弹性模量的提高而减小,其中提高衬砌周边加固土体的弹性模量对地震减震效果显著,就南昌赣江过江隧道工程而言,衬砌结构周边土体加固范取1.5 m,土体弹性模量提高到原来的2倍时比较经济合理。     

复变函数法分析盾构隧道开挖引起的土体位移和衬砌变形

盾构隧道开挖引起的地层变形历来是人们所关注的重要课题。目前,既有成果较少考虑隧道衬砌与土体相互作用所带来的影响,尤其是较少针对衬砌变形进行分析,就此基于隧道椭圆化变形边界条件,提出了考虑衬砌与土体两种不同介质相互作用下的地层位移和衬砌变形复变函数解答。在该方法中,隧道埋深只影响共形映射后圆环域的环壁厚度,而解析区域依然保持圆形,具有不会对函数解析产生影响的优势;此外,该法经共形映射后保证了边界连续性,避免了既有应力函数法为保证隧道扰动土体无穷远处位移为零,而对解析解进行修正所导致物理意义不明确的缺陷。通过实例分析,得到了隧道开挖引起的地表沉降,并与实测数据进行了对比验证;通过参数分析,获取了扰动地层和隧道衬砌变形的影响规律。结果表明:复变函数解答得到的土体位移曲线与实测值吻合较好,且地表最大沉降值更接近于实测值;隧道的埋深和半径对土体位移和衬砌变形均有较大影响,衬砌厚度对其影响虽然较小,但仍不可忽略;衬砌径向位移曲线呈仰卧的鸭蛋形,关于90°/270°轴对称,拱顶和拱底被压扁,拱顶压缩量明显大于拱底,左、右两侧压缩量小于上、下两侧,表现为收缩之后又被压扁向左、右两侧突出,且随着埋深的增大,衬砌整体上浮;衬砌环向位移曲线呈侧立的苹果形,关于0°/180°轴对称,且在90°和270°处取值为零,随着隧道埋深的增大,环向位移绝对值增大。     

真空预压法对周边地基变形影响的研究

基于真空预压加固软土地基的机理，研究了该方法实施时对周边地基造成的影响，从侧向卸载的角度探讨了真空预压加固区外土体的受力和变形情况。结合工程实测资料，分析了真空预压法加固软土地基时加固区外土体水平位移和竖向沉降的特性。指出由于加固区边界无法做到完全封闭，随着加固区内真空度增加和地下水位下降，加固区外地下水位也会存在不同程度的下降，并导致土体在真空预压卸载后仍会继续发生固结和沉降。论文阐述了减少其影响的措施，所得结论可供工程实践借鉴。     

基坑施工变形与工况分析

以上海市世博会绿谷一期项目基坑开挖施工为例,分析不同基坑开挖工况对基坑及周边管线的变形影响。结果表明,工况对基坑变形影响的时空效应明显,土体卸载后向坑内变形显著,待结构完成后变形趋于稳定。对于已发生沉降的管线,进行压力注浆固化土体是一种切实可行的方法。     

桩基施工对近邻地铁隧道的影响分析

结合南大路立交桥匝道桩基施工,采用现场监测和数值模拟手段,分析了桩基施工过程中深层水平位移、地表沉降以及近邻隧道结构变形的变化。结果表明:桩基施工对周边土体产生挤压,地表发生隆起,而后隆起量降低并趋于稳定;桩基邻近匝道路基边坡施工,开挖卸载引起土体应力释放,地表产生较大隆起变形,约占最大变形量的50%;桩基施工将对隧道结构产生一定的影响:距隧道结构越近,其影响越大;桩基成孔及灌注对近邻隧道结构影响最大。     

考虑土体卸荷力学特性的基坑变形分析

基坑开挖过程中侧壁土体和坑底土体受到一定程度的卸载扰动,强度及模量均有一定程度的降低,采用常规三轴试验所确定的土体参数进行基坑变形计算将会产生一定误差。为了寻找在土体开挖卸荷作用下更适合于基坑变形计算的土体参数,对郑州某深基坑工程坑壁主要土层进行了常规三轴试验、轴向应力减小及侧向应力减小的UU-1卸载试验、轴向应力不变及侧向应力减小的IU-1.5卸载试验、轴向应力增大及侧向应力减小的LU-2卸载试验4种不同应力路径试验,得到适用于基坑变形计算的土体参数。通过数值模拟结果与现场监测数据的对比分析,发现不同应力路径对基坑侧壁土体水平位移和土体沉降影响很大,考虑轴向卸荷参数的数值模拟得到的曲线和实际监测得到的曲线比较接近,说明采用轴向卸荷实验参数对工程施工设计更具有参考价值。     

超大吨位基桩静载对桩周土的影响范围试验

针对广州某中央商务区核心区地下空间钻孔灌注桩的超大吨位静载试验,分析了静载试验加卸载过程中荷载 沉降曲线和桩周土体的位移变化。结果表明:当荷载小于试桩竖向承载力特征值时,试桩的竖向刚度几乎保持不变;荷载大于试桩竖向承载力特征值时,刚度逐渐减小但幅度很小;荷载达到试桩承载力极限值之前,随着荷载增加,桩顶沉降线性增加,每级加载桩顶沉降增量也几乎线性增加;试验加载时,越靠近大梁的土体出现卸载回弹的现象越明显,同时桩周土体由于剪切作用会发生沉降,两者同时作用造成桩周一定范围内土体隆起;加载过程对桩周土体的影响范围可定为4d(d为桩径);卸载完成后距试桩中心1.67d~2.22d范围内的土体出现隆起现象;加载过程中距试桩中心2.78d 范围以外的土体处于弹性阶段。     

堆土加卸载与基坑开挖叠加对既有隧道变形的影响研究

针对堆土加卸载与基坑开挖叠加效应导致既有地铁隧道变形较大的问题,建立考虑加卸载叠加效应影响的三维空间分析模型,研究不同堆土加卸载叠加基坑开挖卸载模式对邻近地铁隧道变形规律的影响,探讨隧道在堆土加载、移土卸载再叠加基坑开挖下的变形规律。结果表明:正上方堆土加卸载对隧道的竖向位移影响较大,是侧向堆土加卸载的3倍～5倍; 在经历堆土加卸载后,隧道会残留不可忽视的变形,其残留竖向位移约为加载后位移的62%; 堆土加卸载叠加侧方基坑开挖时,隧道变形受基坑开挖深度的影响较大,大于隧道埋深的开挖阶段会加剧隧道变形; 4种叠加模式中,正上方堆土加卸载-侧方基坑开挖卸载隧道最终竖向位移最大,约17 mm,侧方堆土加卸载-异侧基坑开挖卸载隧道最终水平位移最大,约8 mm,邻近隧道施工时应充分考虑叠加效应的影响,尽量避免这两种情况。     

An analysis of the resilience capacity of soils in North China: a study on land subsidence treatment

In order to study treatment measures for the land subsidence caused by deep groundwater overexploitation, we conducted soil compression and rebound tests to analyze the unloading and rebound regularity of deep soil on the fringes of three typical land subsidence regions in North China. Using fuzzy mathematics, we specifically explored the main factors influencing the soil mass unloading resiliency. The results indicated that the ratio between the unloading resilience volume and the loading deformation volume of soil mass in the study areas (referred to as the resilience capacity of soil mass) is between 1.6 and 37.6 %, with an average of 14.7 %. In other words, only about 14.7 % of the land subsidence deformation in the study areas can be restored. The soil masses with different properties in North China all possess elastoplasticity and the resilience capacities of soil can vary from area to area. The sandy soil is not completely elastic but has a certain degree of plasticity; the resilience capacity of soil mass is not a constant, but rather, a variable that changes with the rebound stress value. When the rebounding stress value is determined, the resilience capacity under a smaller unloading stress is larger than that under a larger unloading stress, which demonstrates that earlier land subsidence treatment can result in better effects. Meanwhile, the resilience capacity of soil mass is also enhanced with the increase of rebounding stress, indicating that the closer to the original groundwater level the restored groundwater is, the better the resilience capacity will be. After repeated loading and unloading tests have been conducted under the same stress, the resilience capacity of soil mass will, in most cases, increase to a certain extent. These results can be quite conducive to the treatment of deep groundwater exploitation-induced disasters such as land subsidence.     

软土隧道纵向剪切传递效应的三维数值模拟分析

采用三维空间模型对软弱地层中隧道衬砌结构进行数值模拟分析计算，针对隧道施工及使用阶段可能遇到的荷载及变形作用两类典型受荷状态，对比分析了这两种作用、不同作用方式下，隧道纵向剪切传递规律及其对纵横向内力的影响。找到了隧道纵向小均匀变形引起的纵向剪切传递的机理以及变形不同区段的隧道横向变形受力特征，证实了纵向剪切传递是导致隧道横向内力变化的关键因素，得到了纵向剪切传递对隧道横向结构及接头变形的抑制作用以及与隧道横断而最大附加内力的线性相关性、与隧道原始内力正负叠加效应等重要结沦，对隧道横向设计中考虑纵向变形的影响具有重要参考价值。     

Effect of vacuum removal on consolidation settlement under a combined vacuum and surcharge preloading

The combined vacuum and surcharge preloading technique is extensively used to accelerate the consolidation process of subsoils. The effect of vacuum pressure is often considered as a loading/unloading cycle of mean effective stress, such that elastic rebound occurs after vacuum removal, which cannot explain the observed postconstruction settlement in the field. In this study, the stress state of subsoils subject to vacuum and surcharge preloading is analyzed and decomposed into two components: (a) geostatic consolidation at a different depth, and (b) loading/unloading in the minor principal stress direction. A series of consolidated drained triaxial tests is conducted to simulate the soil behaviour after vacuum removal. Results show that the contribution of unloading in the minor principal stress direction outweighs the magnitude of elastic rebound after vacuum removal, and hence continued settlement dominates. A field case for highways is provided to further demonstrate the proposed mechanism.     

武汉软土的卸荷应力—应变归一化特性研究

因土体卸荷引起的工程问题与一般土工加载问题表现的特性明显不同,目前对土的卸荷应力—应变归一化特性研究并不深入。开展不同固结压力与卸荷比的K0固结剪切试验,探究卸荷条件下软土的变形规律,重点研究卸荷条件下软土的应力—应变归一化特性。结果表明,武汉软土卸荷变形特性与卸荷应力路径以及卸荷比关系密切,其应力—应变关系成双曲线关系,具有较高的非线性与归一化特性,这也使得应用邓肯—张模型去描述土的卸荷特性成为可能,该研究对于改进工程设计计算具有重要意义。     

格栅加筋挡土墙加载速率相关的变形强度特性分析及有限元模拟

根据土工格栅加筋挡土墙的模型试验,分析研究了加筋挡土墙在加载速率变化条件下的变形和强度特征.试验中通过墙背填土顶面的条形基础在垂直方向施加荷载,加载过程中基础沉降速率不断发生变化,期间还包含蠕变加载和循环加载.试验发现土工格栅加筋挡土墙存在非常显著的速率相关的行为特性,即沉降速率发生变化时,基底压力-沉降曲线也发生相应...     

矩形顶管施工期地表沉降实测分析

矩形顶管技术作为一种地下隧道开挖方法,其施工过程不可避免地会对管节周围土体产生扰动,使土体出现卸载或加载等复杂的力学行为,引发土体产生变形。文中以南京江东门地下人行过街通道工程为背景,在矩形顶管施工区域地表布设若干沉降测点,并在顶管顶进过程中实时记录测点数据,然后对获取的数据进行了归纳分析,得到了矩形顶管施工对地表沉降的影响规律。     

平面应变加、卸荷条件下考虑初始应力的原状黄土#br# 强度与变形特性试验研究

针对黄土工程中的众多平面应变加、卸载问题,利用平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪,模拟黄土原位沉积方向及不同初始应力状态,在不同围压下对不同初始应力状态原状黄土进行竖向加载和侧向卸载平面应变试验,揭示不同初始应力状态原状黄土在加、卸载不同应力路径条件下的强度和变形特性。研究结果表明：两种应力路径条件下的应力应变曲线均呈硬化型,加载曲线均高于卸载,加载强度大于卸载强度,但卸载时,土的强度发挥较快。剪切过程中,黄土的侧向变形与竖向变形均呈非线性关系。竖向加载时,土的初始应力状态k值对土强度和变形的影响与固结围压的大小关系紧密;侧向卸载时,k值的增大可以限制侧向变形的发展。竖向加载条件下的体积应变均为剪缩,侧向卸载时均为剪胀。加、卸载条件下p-q平面内的破坏强度线基本一致,近似呈线性关系。侧向卸载条件下土体破坏时的应变远小于竖向加载和常规三轴试验。随着k值的增大,加、卸载应力路径时,黏聚力均线性减小,内摩擦角均线性增大。     

软土地基超长桩静载试验中桩侧堆载影响分析

阐述了堆载法静载试验中桩侧堆载与地基变形对试桩的影响,为便于分析,定义了试桩沉降的实测值和真实值。对比分析了国家、行业及地方标准中关于试桩、锚桩(或压重平台支墩)和基准桩之间中心距离的相关规定,探讨了减小桩侧堆载对试桩沉降影响的方法。结合深圳填海区大直径超长桩静载试验工程实例,建立三维数值模型,分析了采用地基处理+“回”字形混凝土平台时,桩侧堆载和加/卸载方式对试桩受荷性状及测试结果的影响,包括桩土沉降、桩身轴力、监测点位移和试桩刚度等。研究结果表明:堆载法静载试验中,采用试桩沉降真实值时,桩侧堆载的加/卸载过程对试桩极限承载力和承载特性的影响可以忽略; 对于采用“回”字形混凝土平台的软土地基大直径超长桩静载试验,建议采用高精度水准仪或全站仪对试桩桩顶沉降真实值进行监测和校核,包括试验准备阶段桩侧堆载引起的沉降,以剔除桩侧堆载的加/卸载过程对沉降基准点竖向位移的影响。