基于Pasternak地基的盾构隧道开挖非连续地下管线的挠曲

盾构隧道开挖引起地下管线挠曲的准确预估对于其损伤评估与防护控制至关重要。引入Pasternak地基模型,采用有限差分方法推导了盾构隧道开挖地层损失下带接头管线的挠曲解答。经与离心机模型试验结果及连续弹性解对比,验证了该理论解答的适用性及其在运算效率方面的优势,并给出了地基剪切刚度的取值建议。参数分析发现,接头刚度会对管线挠曲产生显著影响,随接头刚度的增大,管线最大挠度降低,挠曲线形态趋近于连续管线;此外,接头数量及其分布也会对管线挠曲产生影响,其影响程度随接头数量的增大而削弱。     

基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向非线性变形研究EI北大核心CSCD

目前预测基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向变形的简化计算方法大多采用弹性地基模型考虑隧道–地基的相互作用,无法进一步反映土体非线性变形特征。通过引入非线性Pasternak地基模型考虑隧道–地基的非线性相互作用,推导得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形控制微分方程。通过有限差分法将隧道纵向变形控制微分方程转化为矩阵–向量形式,利用牛顿迭代法求解得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形的数值解答。通过与三维有限元算例和2个工程案例进行对比分析,验证所提方法的合理性和适用性。研究表明:当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起量较小时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法与所提方法均能较好地预测隧道纵向隆起位移量;而当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起位移较大时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法明显低估盾构隧道的隆起量,而采用非线性Pasternak地基模型预测计算方法则提供更加可靠的预测结果。     

被动状态下地埋管线的地基模量

 地下工程基坑、隧道开挖产生的自由土体位移场会引起周边地埋管线(如市政给排水管线、煤气管道等)产生附加变形并受力。基于Winkler地基模型的位移控制分析方法,将自由土体位移作为外部荷载即被动位移施加于管线上,管线与土体的相互作用采用Winkler地基弹簧模拟,弹簧常数一般根据Vesic公式得到。在基于弹性理论的推导中,Vesic公式的前提条件是弹性地基梁置于弹性半空间地表,竖向集中力或弯矩(主动荷载)置于梁的中心位置,这与地埋管线的一定埋深以及位移的施加情况是不一样的。为考虑上述2种因素对Winkler地基模量的影响,进行相应的理论探讨,提出考虑埋深影响的位移作用下地基模量的理论公式,并基于该地基模量进行隧道开挖对邻近地埋管线影响的位移控制理论分析。通过与弹性理论法、离心机试验以及实际工程观测结果的对比,验证该方法的合理性和正确性。     

隧道开挖对邻近非连续接口地埋管线的影响分析

隧道开挖引起的地面沉降会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形，甚至会引起管线的开裂破坏。将隧道开挖引起的地面沉降效应作为外界条件施加于地埋管线上，基于改进的Winkler地基模型，并采用虚拟节点以考虑管线接口处的力学特性，提出了刚度非连续接口管线在隧道开挖条件下响应的简化理论分析方法。通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比，验证了该方法的合理性。并通过与层状弹性理论解的对比，得到了该方法在非均质地基中的适用性。参数分析认为忽略管线接口存在的连续管线假设在分析接口地埋管线有不合理处。     

既有管线下盾构施工地层沉降监测和位移加载数值分析

针对深圳地铁下穿电缆隧道的实例,通过采用位移加载法模拟隧道开挖效应和弹性地基梁理论分析管土相互作用,提出将地铁上方的既有隧道视为大管径管线考虑,分析了地铁左线施工引起的地层响应,并借助相关控制标准对电缆隧道的安全性作出评价,分析结果表明:数值计算结果与实测数据吻合较好,电缆隧道也处于安全状态,可为相关类似工程研究提供借鉴。     

盾构隧道周围地下管线的力学模型研究

利用解析方法研究盾构隧道施工周围地下管线的力学行为需要建立在该施工条件下土-地下管线相互作用的力学模型来合理的描述在盾构过程中地下管线的行为变化。本文首先建立了地层沉降引起的管线附加应力的计算方法,继而通过地表沉降变形实测结果分别建立了管隧垂直工况和管隧平行工况下地表的沉降曲线。基于Winkler地基梁基本理论,分别建立了两种工况条件下的盾构隧道周围地下管线的力学模型。     

开挖卸荷引起下卧已建盾构隧道的纵向变形研究

开挖卸荷引起的下卧已建盾构隧道纵向变形是城市基础设施建设面临的热点和难点问题。将已建盾构隧道视为三参数Kerr弹性地基上的无限长梁,采用两阶段法研究基坑开挖卸荷引起下卧盾构隧道的纵向变形。对简化弹性空间法获得的地基参数进行讨论,通过与有限元模拟结果对比确定了合适的Kerr地基模型参数选取,并对Winkler、Pasternak与Kerr 3种地基模型的模拟结果进行了对比。为获得更合理的上方卸荷引起的隧道响应,推导并求解了考虑隧道侧向土体对隧道作用的平衡微分方程,解析结果与有限元结果基本吻合,与工程实例监测数据对比,验证了方法的有效性。研究表明：相对于Winkler与Pasternak模型,Kerr地基模型更具优越性;对通过简化弹性空间法得到的地基参数进行适当修正可以使弹性地基模型的模拟结果更理想;隧道侧向土体对隧道的作用比较显著,应在计算中考虑。     

类矩形盾构隧道开挖引起邻近地下管线变形研究

盾构隧道开挖环境影响的既有成果针对圆形盾构隧道施工效应做了较多研究,但针对类矩形盾构隧道施工效应的研究还较少。基于类矩形盾构隧道开挖面收敛位移变形模式,首先采用镜像法,提出类矩形盾构隧道施工诱发周围土体自由场位移的分析方法;其次,基于Winkler地基模型,将土体自由位移场施加于地下管线结构,提出类矩形盾构隧道施工诱发邻近管线变形的简化计算方法。通过工程实例分析,将土体自由场变形与实测数据进行对比验证;同时,采用有限元数值模拟方法,将管线竖向变形计算结果与本文简化方法进行对比分析。此外,针对隧道矩形长边宽度、隧道和管线埋深、管线直径、管线弹性模量、土体压缩模量、土体损失间隙参数等关键参数进行了影响分析。研究结果表明,采用类矩形盾构开挖面整体下沉收敛模式,镜像法解答得到的土体自由场位移与实测值吻合较好;提出的简化方法计算邻近既有管线变形的理论计算值与数值模拟值吻合较好。通过参数分析,可知隧道矩形长边宽度、管线埋深和管线弹性模量为敏感性参数。随着盾构矩形长边宽度的增大,管线变形曲线槽宽度显著增大;随着管线埋深的增加,管线变形显著增大;随着管线弹性模量的增大,管线变形显著减小。     

砂土中隧道施工条件下管土相互作用的室内模型试验研究

为分析砂土中隧道施工条件下管线与土体相互作用的机理,利用室内模型试验,自制模型箱,以江砂为填料,选取高密度聚乙烯管材进行试验。结果表明:在砂土中,与穿既有管线轴线相垂直的下穿隧道施工过程中,管线中间部位主要受下拉效应影响,而上拱效应则支配着管线两侧的变形;管线的存在对土层位移的影响范围约为水平向距管线轴线3倍的直径;随着地层损失量的增大,管线与土层的变形曲率比值逐渐减小,管线的弯矩与应变相应增大;隧道施工条件下管线上覆荷载有增大的趋势,管线中间部位管底土压力逐渐趋于零,管线与土层分离区宽度随着地层损失量的增大逐渐增大并趋于一恒定值;通过对管土相互作用机理的探讨,明确了沉降槽宽度系数i、中心最大沉降量smax以及管线埋深与管径比值H/D等因素对管土相对刚度的影响,基于室内模型试验结果提出了管土相对刚度的计算式。     

隧道开挖引起水平向位移被动桩的简化计算方法

目前,大部分盾构隧道开挖对邻近桩基影响的理论研究是将被动桩简化成单参数的Winkler地基模型和双参数的Pasternak地基模型,较少考虑计算精度更高的三参数Kerr地基模型。基于Kerr地基模型建立被动桩的水平挠度控制方程,结合盾构隧道开挖施加的水平附加应力,利用差分法计算得到盾构开挖对邻近桩基的数学矩阵解析表达式,进而得到被动桩的水平变形位移半解析解。两个工程实例表明,Kerr地基模型比Winkler、Pasternak地基模型的计算结果与实测数据更接近。参数分析表明:随着隧道直径的增大,被动桩水平位移会增加;增大桩基的直径,被动桩水平位移会减小;对于桩底以下隧道开挖情况,增大桩基与盾构开挖的水平距离和竖向净距,被动桩水平位移均会减小。     

埋地排水管道高聚物注浆修复受力特性分析

高聚物注浆非开挖修复技术目前已广泛应用于地下管道的渗漏脱空修复处置,但对修复后管道计算理论和方法的研究相对不足.为此,依据弹塑性理论建立管-土-高聚物相互作用分析Winkler模型和Vlazov模型,推导了高聚物注浆修复管土相互作用计算公式,基于传递矩阵法,编制了MATLAB计算程序.计算分析结果与管道试验结果进行了对...     

隧道开挖对层状地基中邻近管道影响的 DCBEM-FEM 耦合方法

目前,在城市地铁隧道施工中常常遇到邻近市政管线的影响。而较多的研究集中在隧道施工引起的周围地层变形上,考虑邻近管线 作用的隧道开挖理论分析方法并不多见。为此,针对隧道洞周引入椭圆化非等量径向土体位移控制模式,将邻近管线视为 Euler-Bernoulli 梁,同时将层状地基土体视为弹性层状地基模型,提出了 层状地基中隧道开挖引起邻近管道纵向变形的 DCBEM-FEM （位移控制边界元与有限元） 耦合分析方法。最后结合现场实测数据和位移控制有限元数值模拟进行分析,验证了本文方法的有效性。研究表明： DCBEM-FEM 耦合 方法可以较好的体现隧道开挖所引起的地层损失问题,同时本文方法在考虑邻近管线作用时具有较好的计算精度。研究成果可为合理制定城市地铁隧道施工对邻近管线的保护措施提供一定的理论依据。     

考虑结构自重影响水下隧道通风竖井的水平振动特性研究

在地震荷载下,竖井与围岩土水介质之间的动力相互作用是一个复杂的多场耦合问题。基于 Winkler 弹性地基梁理论,以附加质量的形式考虑动水压力,将土体视为支撑结构的弹性地基,通过建立欧拉梁挠曲控制微分方程,并借助传递矩阵法求解沿隧道轴向水平地震作用下竖井的内力与变形。通过与整体系统的 ANSYS 计算结果对比可知,所提出的模型与计算方法能够较好地模拟软土地基中竖井的动力特性。最后,对隧道与竖井接头刚度、自重影响下结构动内力沿竖井壁面的变化规律进行分析,由计算结果可知：改变接头的连接刚度能显著降低结构内力,提高结构安全度;对于大断面竖井的振动特性,自重影响显著,工程抗震设计中应该予以重视。     

任意荷载下管土相互作用解答

针对城市地下管线由于开挖引起的管土相互作用,给出了一种适用于描述任意位移荷载条件下管线的解析解公式,可以适用于城市隧道、基坑或其他形式的开挖引起的不同形式地层位移对城市地下管线应力变形影响的模拟。采用建议解答,对由于隧道开挖引起地下管线应力变形进行分析,并和采用管土相互作用单元的ABAQUS有限元分析程序计算结果进行了比较,结果验证了本文解析方法的可靠性。     

考虑横向性能的盾构隧道纵向等效刚度分析

盾构隧道作为一个三维问题,其横向性能与纵向性能是密切联系的,将其横向和纵向割裂为两个平面问题,虽然可使问题简单化,但无法考虑纵横向性能的匹配关系。在横向修正惯用法的基础上,将横向弯曲刚度有效率引入到纵向等效连续化模型的推导中,对考虑横向刚度影响的盾构隧道纵向等效抗弯刚度进行理论推导,得到了考虑横向刚度有效率的纵向等效抗弯刚度计算式,从而初步将纵向刚度的分析与横向刚度的变化统一起来,进而也说明了盾构隧道纵、横向抗弯刚度的相关性和匹配性。实例分析表明：盾构隧道横向抗弯刚度的大小与纵向等效抗弯刚度关系密切,表现为同方向、近线性关系变化,即纵向抗弯刚度随横向抗弯刚度的增大而增大。     

地铁隧道开挖引起临近地下管线竖向位移及内力分析

基于Winkler弹性地基梁理论,分析地下管线在地铁开挖作用下的受力情况,推导考虑硬化地基扩散作用因素影响的地下管线位移表达式、转角表达式、弯矩表达式和剪力表达式,并定量分析地下管线变形与地基扩散角、埋深等因素间的关系。理论分析表明:地下管线的最大位移在沉陷区的中间,最大弯矩和最大剪力发生在沉陷区的边缘;地基扩散角与管线的埋深对管线的最大沉降量有较大影响。分析结果为工程实践中确定管线的加固位置提供了理论依据。     

工程荷载对地埋管线纵向响应影响的模型试验

隧道开挖和地面堆载以土体不均匀沉降的形式作用于管线,使管线产生纵向应力和变形。以物理模型试验手段研究了两种荷载形式下管土相互作用的差别、接头刚度对纵向响应的影响以及隧道开挖下的管土脱开现象。通过修正Gaussian曲线拟合自由土体位移场,对实测弯矩进行归一化处理发现,隧道开挖会引起管线周围相对土体模量下降,而地面堆载则会引起土体模量相对增大。非连续接头管线通过增大转角及变形来降低最大弯矩值,改善了管线的受力状态。当土层损失比增大到一定程度以后,管线下方将出现空洞,并随着损失比的增加而逐渐扩大,最终达到稳定。     

砂土隧道施工对下卧管线影响的试验和数值模拟分析

对砂土中隧道施工引起管线性状变化进行了室内模型试验,分析了管土相互作用的一些宏观特性,为进一步进行三维颗粒流细观模拟提供必要的参数和宏观依据。在室内模型试验的基础上,建立了隧道垂直下穿既有管线颗粒流分析模型,验证了室内模型试验的宏观现象。在此基础上分析了隧道施工过程中管土相互作用的机理、管周土体的应力与位移以及管线的剪应变和弯矩。分析结果可为工程实践中确定管线加固位置提供理论依据。     

浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的求解方法

把浅埋盾构隧道简化为半无限平面的挖孔问题,采用平面弹性理论的复变函数方法,推导了反应位移法中浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的解析公式。设定不同的埋深和土体泊松比,计算了隧道周边的压缩和剪切地基弹簧刚度,讨论了隧道埋深和土体泊松比对刚度的影响,以及压缩和剪切地基弹簧刚度的关系。结果表明：浅埋隧道与深埋隧道的地基弹簧刚度存在差异;隧道埋深和土体泊松比对地基弹簧刚度的大小和分布规律影响很大;浅埋隧道的剪切与压缩地基弹簧刚度之比沿隧道周边变化。     

隔离桩对盾构掘进引起邻近高铁桩基水平位移的影响分析

在城市建设过程中,盾构隧道开挖对邻近既有高铁桩基产生较大威胁,在隧道和高铁桩基之间打入隔离桩可以有效减小盾构掘进对高铁桩基的影响。在研究桩土相互作用领域中,Winkler地基模型和Pasternak地基模型得到了广泛的运用。基于这两种地基模型,采用差分法,利用Maple数学运算软件对某实际工程案例分析,将计算结果与已有工程监测数据进行对比验证,并深入分析隔离桩各项参数对高铁桩水平位移的影响。结果表明,当隔离桩弹性模量较小时,Pasternak地基模型计算结果比Winkler地基模型更加精准;随着隔离桩桩径的增大,高铁桩基水平位移显著减小;在隔离桩桩体参数不变的条件下,缩短隔离桩与隧道中心线的水平距离能减小高铁桩基的水平位移。