黏土地层隧道开挖面三维稳定性上限分析

对不排水均质黏土地基隧道开挖失稳三维破坏模式进行改进,弥补了目前隧道开挖稳定性问题中三维极限分析上限法的不足。采用截椭圆柱体构造多块体平动破坏模式,克服了现有三维多块体平动破坏模式与隧道开挖面不完全接触的缺陷;进一步针对三维多块体平动破坏模式存在的问题,提出了多块体转动–剪流组合破坏模式,得到了均质黏土地层中隧道开挖稳定的上限解,明显改善了现有的极限分析上限解,并与三维弹塑性有限单元法结果及文献中的离心试验结果进行对比,验证了上限分析方法的有效性。     

考虑渗流影响的盾构隧道开挖面稳定上限分析

通过考虑渗流影响的弹塑性有限元分析,获得渗流条件下的开挖面破坏模式,对比无渗流条件下开挖面的破坏模式,分析渗流对开挖面破坏模式的影响。基于极限上限分析,对无渗流条件下的破坏模式进行改进,提出了适合渗流条件下盾构隧道开挖面稳定性分析的破坏模式,建立了考虑渗流影响的极限分析上限法,获得了渗流条件下维持开挖面稳定的总极限支护压力。结合算例验证了该方法的有效性,并将其用于钱江隧道工程实例分析。研究表明：渗流会影响开挖面破坏模式,但当水位线不高于地表时,这种影响可以认为是一定的与隧道直径和土体内摩擦角等因素无关。总支护压力的很大部分被用于平衡渗流力,且总支护压力值与地下水位线近似呈线性关系。     

软土盾构隧道开挖面支护压力极限上限解

考虑到天然软黏土非均质性和各向异性特点,采用极限分析上限法在不排水条件下对盾构隧道开挖面稳定进行了研究,推导了极限支护压力的计算公式.土体非均质性和各向异性对极限支护压力的影响有相互放大作用,在当土体非均质性和各向异性较强时,极限支护压力与隧道埋深的关系存在一个极大值.分析结果表明,在分析软土盾构隧道开挖面稳定性时,土...     

上坡条件下盾构开挖面极限支护压力研究

近年来盾构施工技术已广泛应用于隧道工程,在盾构掘进过程中维持开挖面的稳定是整个盾构施工的关键。在越江隧道中,由于江底土的埋深较地面要低许多,盾构在穿越时必然比一般的平地隧道具有更大的纵坡坡度,研究坡度条件下的开挖面极限支护压力大小具有实际工程价值。采用极限分析上限法,建立土体破坏模型,推导上坡条件下的开挖面极限支护压力理论公式,并与平坡条件下和上坡条件下的有限元分析结果进行对比,分析结果表明:理论计算能很好地用于粘聚力较大或内摩擦角较大的土体,可以很好地用于实际工程;随着坡度角的增大,维持开挖面稳定所需的极限支护压力显著增大,且与坡度角呈线性关系。     

隧道围岩压力运动单元上限有限元计算方法

针对隧道围岩压力与破坏模式问题,应用刚体平动运动单元上限有限元方法（UBFEM-RTME）与程序开展计算分析,获得了支护反力系数N_γ及N_c上限解曲线图和围岩有效间断线网破坏模式及其演变规律。与多种基于假定破坏机构的刚性块体上限法及模型实验结果进行对比分析,验证了UBFEM-RTME方法获得的支护反力上限解为极限分析上限理论框架内的较优解答,并且N_γ及N_c上限解与太沙基围岩压力解答变化趋势基本一致。除N_γ及N_c上限解外,UBFEM-RTME方法获得的隧道围岩有效间断线网破坏模式存在多种形态特征,大致涵盖了既有文献关于围岩破坏机构假定的多种型式,体现出该方法能摆脱假定破坏机构的限制,应用于隧道围岩压力求解具有良好适用性。     

浅埋矩形隧道掘进面被动失稳混合破坏机制

浅埋条件下矩形隧道顶管法施工中因支护压力波动极易诱发掘进面被动失稳。采用平面分析对该问题进行研究,并建立被动失稳机动破坏机制。该机制是由平面螺旋与平动机动破坏机制组成的混合机制,2种机制间采用离散技术建立速度不连续面进行过渡。基于该机制,采用上限分析法推导出被动失稳支护压力上限解,并通过最优化方法得到了极限支护压力及最优破坏模式。参数分析表明,土体摩擦角对失稳影响较显著,随着摩擦角增加,失稳区域扩大而极限支护压力迅速增大,与此同时,破坏区域中平动模式所占比例增加;黏聚力对失稳模式影响较小,而地表超载增加引起失稳区域扩大,支护压力线性增长。对比分析发现,隧道宽高比较大情况下,基于平面混合破坏机制的上限解与数值解吻合较好,且吻合程度随着宽高比增加而提高。研究表明,平面混合破坏机制有着较好的应用前景,可为相关工程设计施工提供理论参考。     

浅覆盾构隧道开挖面挤出刚性锥体破坏模式极限分析

浅覆隧道盾构施工过程中可能引起开挖面挤出破坏。为研究开挖面破坏规律,借助已有刚性锥体破坏模式,推导隧道开挖面三维临界挤出压力表达式,建立极限分析上限法非线性规划模型并编程求解。利用该程序,研究了隧道埋深、地层参数等因素与开挖面临界挤出压力曲线关系及破坏模式的演化特征。结果表明,隧道埋深和土体内摩擦角对开挖面临界挤出压力及挤出破坏模式影响较大。发生挤出破坏时,开挖面附近和上方地表范围为主要破坏区域。最后,利用上限法和有限差分法对长沙地铁2号线长沙大道—体育公园站区间隧道某浅埋段进行开挖面稳定性分析,上限法与有限差分法所得结果相互印证,但上限法计算更为简便。     

地下水渗流作用下的盾构隧道开挖面安全系数上限分析

利用数值模拟技术对地下水渗流情况下盾构隧道开挖面的渗流场进行模拟,获得了隧道开挖面周边各节点的孔隙水压力。基于极限分析上限定理,利用各节点孔隙水压力计算出隧道开挖面上限破坏机制中的孔隙水压力功率,并将其视为一个外力功率代入虚功率方程中,构建出考虑渗流影响的开挖面安全系数目标函数。通过非线性序列二次规划法对该目标函数进行优化计算,得到开挖面安全系数上限解。利用强度折减法验证了该方法的有效性,并将其用于考虑地下水渗流作用的盾构隧道工程实例分析。研究表明:在考虑地下水渗流的情况下,开挖面安全系数随土体黏聚力、摩擦角、开挖面支护力的增大而增大,随地下水位的升高而减小;开挖面的破坏范围随摩擦角的增大而显著减小,但地下水位线的位置对开挖面的破坏范围影响较小。     

黏土基坑抗隆起稳定分析的多块体上限解

 为了将多块体上限法拓展应用到饱和黏土基坑抗隆起稳定性分析中,提出支护墙体刚性条件下,用于饱和黏土基坑抗隆起稳定分析的多块体相容破坏模式,并给出相应的上限计算能量方程。为检验多块体上限方法的应用情况,结合实际工程案例以及针对基坑宽度、坑底基岩埋置深度、支护墙体与土体间侧摩阻、支护墙体入土深度和土体强度非均质等对抗隆起稳定存在影响的因素进行计算和分析,并将多块体上限法计算结果与基于Terzaghi模式及Prandtl模式的上限解、Faheem强度折减有限元计算结果、Ukritchon的极限分析有限元计算结果做了广泛的对比。通过对比可以发现,所给出的多块体上限解是所讨论上限解中最优的,计算结果与Ukritchon的极限分析上限有限元计算结果较为接近,而多块体上限方法与Ukritchon的极限分析上限有限元相比,更容易实现,计算量也要小得多。通过大量计算以及与其他方法的对比可以发现,多块体上限方法在黏土基坑抗隆起中的应用是比较成功的。     

盾构隧道开挖面稳定极限理论研究

基于村山氏极限平衡法和极限分析上限法研究了盾构隧道开挖面稳定性,推导了维持开挖面稳定的最小极限支护压力计算公式.类似于Terzaghi地基承载力的叠加原理,将极限支护压力表示为土体黏聚力、地表超载和土体重度三项贡献的叠加,并对各自影响系数进行了分析.分析结果表明,极限平衡法得到的黏聚力影响系数随土体内摩擦角增大而增大,...     

Stability analysis of large slurry shield-driven tunnel in soft clay

The face stability of large slurry shield-driven tunnels is investigated by an upper bound approach in limit analysis and three-dimensional numerical modelling for the Shanghai Yangtze River Tunnel. Both the local failure and global failure in collapse and blow-out are studied. Firstly, the upper bound solution for local stability is presented, taking into account the gradient of slurry pressure. The maximum tunnel diameters for given site conditions could be determined by this solution. Then, the progressive global stability mechanism is studied using a multiblock model of upper bound theorem. The analysis shows that it is necessary to take into account the partial failure in large size slurry shield-driven tunnels, especially in the case of blow-out. The global blow-out of the partial upper part of the tunnel face occurs when the slurry pressure is too great; while the global collapse of the whole tunnel face occurs when the slurry pressure is too small. The failure mechanisms and critical slurry pressures obtained from both the multiblock model to numerical simulations are compared with each other.     

非线性破坏准则下浅埋隧道掌子面三维被动稳定性能耗分析改进方法

 通过引入圆锥椭圆截交线计算公式,改进浅埋隧道掌子面三维被动破坏多椭圆锥体几何参数的计算方法。基于非线性破坏准则和极限分析上限法,推导浅埋隧道掌子面三维被动支护力的上限表达式,并进一步采用非线性规划程序优化计算获得了极限支护力最优上限解。通过对比分析,验证本文方法的可靠性;同时分析非线性抗剪强度参数对被动破坏极限支护力和破坏模式的影响,并绘制相应的破坏模式图。研究表明：被动破坏极限支护力与地面超载?s及地层容重?大致呈线性变化,而与非线性参数m、量纲一化的参数c0/?t及超负荷比C/D呈非线性变化;非线性参数m、量纲一化的参数c0/?t和超负荷比C/D对破坏模式影响显著,而地面超载?s对破坏模式影响则较小。研究成果为隧道掌子面稳定性分析提供一种新思路,进一步完善了隧道掌子面稳定性评价体系。     

Upper-bound stability analysis of a plane strain heading in non-homogeneous clay

This paper investigates the undrained stability of a plane strain tunnel heading in cohesive soil, whose undrained shear strength is assumed to increase linearly with depth. Upper bound stability solutions for a practical range of parameters of geometries and soil conditions are found using the multi-rigid-block upper bound method. The upper bound solutions obtained from the multi-rigid-block mechanisms significantly improve the classical solutions and have good agreement with those of the finite element limit analysis when C/D is small. An improved simple collapse mechanism which intermix inhomogeneous deforming region and rigid blocks translation together is proposed based on the multi-rigid-block upper-bound analysis. An upper bound analytical solution is then obtained in view of the numerical results of both the multi-rigid-block collapse mechanism and the improved simple collapse mechanism. And it predicts the plane strain heading stability relatively accurate for shallow tunnels.     

双平行圆形隧道稳定的塑性极限分析上限解

从塑性极限分析上限法的基本原理出发，通过分析单圆形隧道4种类型垮落机制所获得的稳定率上限解，构建黏土层中双平行圆形隧道的垮落机制，阐述双平行圆形隧道稳定与垮落间的临界稳定分析过程，导出浅土层中双平行圆形隧道稳定率的上限方程。该方程根据隧道间不同距离，综合两隧道重叠（单隧道）、两隧道相接触、相互影响的双隧道以及互不影响的两单隧道的稳定特征。通过该方程进一步讨论土重对双隧道稳定率上限解的影响。最后，由离心模型试验结果证实其上限解的正确性。     

考虑局部失稳的盾构隧道开挖面#br# 挤出破坏数值模拟与理论分析

通过数值模拟和理论分析,研究了盾构隧道开挖面挤出破坏机理。首先,利用有限元软件进行了数值模拟,揭示了隧道开挖面挤出破坏的局部失稳模式,得到了盾构隧道开挖面挤出破坏的局部失稳比和极限支护压力。此外,还进行了摩擦角和相对埋深对局部失稳比率和极限支护压力的参数敏感性分析。其次,基于极限分析方法,提出了一种考虑局部失稳模式的隧道开挖面挤出破坏新机制。新的被动破坏机理由五个圆锥台和作用在圆锥台上的分布力组成。通过对定义的角度和隧道开挖面局部失稳直径进行数值优化,计算得到挤出破坏模型的上限解,进而研究了摩擦角和相对埋深对局部失稳比的影响。比较了数值模拟和理论分析得出的局部失稳比结果。最后,将获得的被动极限支护压力与现有方法进行了比较,表明新的挤出破坏机理为极限支护压力提供了较为满意的预测结果。     

Face stability analysis of shallow circular tunnels in cohesive–frictional soils

The face stability of a circular tunnel in cohesive–frictional soils was numerically and theoretically investigated. Three-dimensional (3D) numerical simulations were first performed to analyze the face stability of a circular tunnel with a series of tunnel diameter-to-depth ratios and soil properties. The limit support pressure on the tunnel face and the failure zone in front of the tunnel face were both obtained from the numerical simulations. A simple and feasible criterion was suggested to outline the boundary strip of the failure zone at collapse in displacement clouds under different conditions. Based on the numerical simulation results, a new 3D failure mechanism was proposed using the kinematic approach of limit analysis theory to determine the limit support pressure of the tunnel face. The new 3D failure mechanism was composed of four truncated cones on which a distributed force acts. Finally, the limit support pressures and failure zones obtained from the new failure mechanism and the numerical simulations were compared. In addition, comparisons between the results of this work and those of existing approaches were performed. Overall, the new failure mechanism is substantially more consistent with the shapes of the failure zones observed in numerical simulations and experimental tests than the existing multi-block failure mechanisms. The new failure mechanism is more effective and reasonable.     

浅埋软土隧道稳定性极限分析

稳定性分析在浅埋软土隧道工程设计中占有重要位置.本文应用极限分析理论的上限原理及有限元法求解隧道的稳定系数,明显改善了既有的上限分析结果,并且同下限分析结果很接近,因此可以更好地界定准确解的范围.此外,有限元优化的机动可容许破坏速度场有助于理解浅埋软土隧道的破坏机制.本文所用的有限元极限分析方法也适用于研究其他土体结构的总体稳定性.     

基于非线性M–C准则的深埋土质隧道三维塌落破坏上限分析

围岩条件较差时,深埋土质隧道在隧道开挖过程中容易发生塌方,准确预测深埋土质隧道塌方土体的范围极其重要,目前能预测深埋土质隧道塌落范围的理论研究不够成熟。为了提前预测土质隧道围岩顶部塌落体的范围,基于非线性Mohr–Coulomb准则和极限分析上限法,推导出深埋土质隧道在三维破坏机制下塌落体的上限表达式,得到了深埋土质隧道塌落体范围的精确解。通过数值软件Matlab绘制出了塌落体的三维形状,研究了各参数对深埋隧道塌落体形状的影响,并与既有研究进行对比分析,研究结果表明:土体中各参数、隧道顶部圆弧的半径和支护力对深埋土质隧道塌落体的范围影响比较大;基于非线性Mohr–Coulomb准则下深埋土质隧道塌落体的上限分析可以求解出有、无支护力条件下塌落体的高度和宽度,求解合理、可靠,并能给出防止深埋土质隧道塌方发生的支护力大小,可为隧道工程设计提供理论依据。