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。     

非均质黏土地基隧道环向开挖面稳定上限分析

基于多块体极限分析上限法,推导了不排水条件下饱和黏性土地基中隧道环向开挖面稳定支护压力的计算公式。编制相应的计算程序,优化得到了隧道环向开挖稳定的最优上限解答。通过与已有极限分析上限解答的对比,验证了多块体极限分析上限法在隧道开挖稳定性分析的适用性。对照隧道开挖稳定的最优上限解的变化规律及相应破坏面的形状,详细分析了隧道埋深比、土体重度及强度非均质性对开挖面极限支护压力和因隧道开挖产生的滑动面范围和位置的影响。在此基础上,进一步基于隧道失稳的简化破坏模式推导了黏性土地基隧道开挖稳定的极限支护压力的简化上限解。通过与已有离心模型试验的对比验证,指出本文上限解可直接用于工程中初步确定开挖面支护压力,为隧道工程设计提供可靠的理论依据。     

砂土地层盾构隧道开挖面被动破坏极限支护力研究

 盾构掘进时推力过大极易造成地表隆起,导致开挖面前方土体被动破坏。基于莫尔–库仑屈服准则,采用大型有限元软件ABAQUS对砂土中盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,得到开挖面的被动破坏支护力并揭示开挖面的被动破坏模式。进而,将传统的三维楔形体极限平衡模型中的棱柱体修正为具有一定倾角的倒棱台,使其破坏区域更为接近真实的土体隆起区域。推导开挖面被动极限支护力关于楔形体倾角的表达式,并通过试算,找出最小的支护力值即为被动破坏支护力。采用修正后的极限平衡模型得到的被动支护力与数值计算结果吻合良好,并且都较好的落在E. Leca等计算的上下限范围内。该模型为盾构隧道施工中确定支护力的上限值提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑主应力偏转和土拱效应的干砂盾构隧道掌子面极限支护力计算方法研究

深埋干砂盾构隧道在施工过程中存在显著的土拱效应,如何确定考虑土拱效应的隧道掌子面极限支护力至关重要。基于极限平衡法和楔形体理论,提出了一种多层抛物线承载拱模型。根据隧道不同埋深下掌子面失稳破坏的特征和土拱类别,将隧道状态划分为浅埋隧道、过渡隧道和深埋隧道。考虑多层抛物线承载拱区域主应力偏转角和侧向土压力系数的连续性,并假定抛物线承载拱为满足合理拱轴线三铰拱结构,推导了过渡区和深埋区多层抛物线承载拱荷载传递的计算公式,进而通过极限平衡法计算得到掌子面极限支护力。将本模型计算结果与已有理论模型、模型试验和数值结果进行对比,验证了本模型计算得到的掌子面极限支护力和失稳破坏区的合理性。最后,通过参数分析讨论了土体内摩擦角对隧道浅埋和深埋分界线以及极限支护力的影响。该研究成果可为深埋干砂盾构隧道极限支护力的预测提供理论依据。     

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。     

盾构法隧道开挖面极限支护压力研究

盾构法隧道施工中,通过在开挖面施加与原始地应力相等的支护压力来预防开挖引起地层变位较大或开挖面失稳,但是由于地层条件和施工等因素的影响,使得开挖面支护压力的设定和控制较为困难,合理的确定开挖面支护压力是盾构掘进施工中一项关键技术,开挖面支护压力大小的控制应该保证不至于压力过低发生开挖面坍塌,同时又不能压力过大而发生隆起破坏,因此目前开挖面支护压力研究中很大部分研究侧重于开挖面极限支护压力的确定。随着计算机技术的发展,数值模拟计算可以模拟盾构法复杂的地下开挖施工过程。文章采用数值模拟方法,研究了地下水位和土层参数对开挖面极限支护压力的影响,给出了合理的开挖面支护压力,并结合一工程实例进行了分析,得出了一些有用的结论,对盾构法隧道施工中合理的确定支护压力的大小具有一定的指导作用。     

基于光滑有限元的隧道掌子面稳定性分析

隧道掌子面稳定是影响地下工程施工安全的重要问题之一。基于塑性上限和下限定理的极限分析方法是分析掌子面稳定性常用方法之一。其中,自适应混合常应力-光滑应变极限分析(MCSE-LA)方法在计算精度、效率以及收敛性方法已被证明比传统有限元极限分析方法具有一定的优势。基于此,首先验证自适应MCSE-LA在隧道掌子面稳定分析中的可行性,发现该方法求出的隧道掌子面稳定指标(稳定数)与传统有限元上限和下限法相同,同时,还可以通过基于最大剪应变率自适应网格加密技术获得掌子面失稳模式。另外,还将该方法用于分析隧道开挖未支护段长度对掌子面稳定性的影响,通过分析总结了稳定数随未支护长度的变化规律,对指导地下工程施工具有一定的意义。     

基于Hoek-Brown强度准则的浅埋隧道掌子面稳定性分析

为了研究浅埋掌子面被动模式下的稳定性,构建浅埋隧道的二维被动破坏模式,被动破坏模式由有限个刚性平动多块体组成.将孔隙水压力视为外力进行做功,基于极限分析理论利用Hoek-Brown强度准则研究浅埋隧道掌子面被动破坏模式下的稳定性.通过虚功率原理推导得到浅埋隧道被动破坏模式下的极限支护力的目标函数,采用非线性规划求解函数...     

软黏土地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验研究

针对软黏土地层中隧道开挖面稳定性开展离心模型试验,由远程控制模型推进模拟隧道开挖面被动渐进破坏。通过数字图像处理分析技术对开挖面被动渐进破坏模式进行了探究,结合相应数值模型对比,分析了开挖面极限支护压力以及地表变形规律。研究结果表明:在开挖面被动破坏状态下,隧道仰拱处首先出现与水平方向近似成45°+φ/2向上发展的滑动破裂带,当其发展接近隧道拱顶时,拱顶滑动破裂带形成,两滑动破裂带呈漏斗状向上逐步发展至地表;随着模型向前推进,开挖面压力前期呈现线性快速增长趋势,随后土压力增速逐步减小,开挖面压力值最终趋于稳定,分析确定软黏土地层开挖面被动破坏状态下的支护压力可控制在1~1.9倍的静止土压力;开挖面被动破坏会引起前方地表产生隆起。     

饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验

通过开展3组饱和圆砾地层盾构隧道开挖面稳定性物理模型试验,研究了不同埋深条件下开挖面支护压力不足导致的渐进失稳破坏过程。通过分析大颗粒土滑移松动—裂隙出现—裂隙闭合过程表明,开挖面破坏过程中土体存在变形滞后效应,且该效应随隧道埋深变浅而减弱。对开挖面变形进行PIV精细化图像分析,得到其破坏模式类似于楔形体加筒仓体结构,楔形体倾角约为45°+φ/2。筒仓区土体松动由于存在滞后效应,可能导致开挖面破坏表现出突发现象。为准确预测极限支护压力,将传统楔形体模型改进为宽体楔形体模型,预测结果与试验结果符合较好。     

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。     

基于上限理论的预留土支护基坑极限抗力分析

预留土支护基坑被动区的抗力大小与分布是预留土支护基坑分析设计的基础,但目前还没找到预留土支护基坑被动区抗力计算的合理方法。根据预留土支护的特点,基于极限分析上限理论,运用竖向条块对预留土支护基坑被动区进行离散,并构建相容速度场,从而提出了预留土支护基坑被动区极限抗力的上限解法。借助优化技术对相容速度场的优化分析获得了预留土支护基坑被动区抗力的最优上限解。为检验所提出上限解法的合理性,对不同挡墙高度、地质参数等条件下的被动土压力进行了计算,并与经典朗肯理论解的土压力值以及破坏面进行对比。应用所提出的预留土支护基坑被动区抗力上限方法,对不同预留土顶部宽度、预留土底部宽度、预留土高度以及预留土边坡坡度系数等参数条件下的被动区极限抗力值、极限抗力沿深度的分布以及破坏面进行了计算分析,讨论了这些参数对预留土支护基坑被动区抗力以及破坏面的影响规律。所提方法为今后预留土支护基坑的设计以及优化设计奠定了基础。     

基于颗粒椭球体理论的隧道松动土压力计算方法

基于颗粒椭球体理论认为隧道上部松动区滑动面为椭圆形,据此推导出受滑动面倾角影响的侧土压力系数计算方法;在椭圆形松动区内竖向荷载沿水平向呈梯形分布,推导出隧道松动土压力计算方法。结果表明:当埋深低于极限椭圆高度时,松动区域为地面线以下的极限椭圆区域;当埋深达到极限椭圆高度时,松动区为整个极限椭圆,松动土压力不再增加。滑动面侧土压力系数是变化的,与滑动面倾角和土的摩擦角有关,随着内摩擦角增大而减小,随着滑动面倾角增大而增大。取值范围为0.2~0.8,介于主动土压力系数和Krynine侧土压力系数之间。本模型计算结果与实测数据较为吻合,可以用于隧道设计和施工中。     

砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究

盾构法隧道施工过程中,土体密实度对开挖面极限支护力值与稳定性影响是一个非常重要的因素。基于Kirsch室内模型试验,采用颗粒流计算分析了隧道掘进过程中土体密实度对开挖面极限支护力、残余支护力以及开挖面前方土体孔隙比变化的影响,从细观角度解释了砂土中盾构隧道开挖面失稳机理,分析了砂土中盾构隧道掘进时土体破坏形态与分布范围;进而提出了计算开挖面极限支护力的改进楔形体分析模型。研究成果可为盾构隧道施工中分析开挖面的稳定提供参考。     

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...     

软土隧道支护压力与稳定性下限有限元分析

隧道开挖面的支护压力计算和稳定性分析至今尚未有比较成熟和简便的计算方法,本文基于岩土塑性极限分析理论,在分析下限有限元方法中引入非线性Power-Law屈服准则,通过对屈服准则的线性化处理,得到平面应变条件下软土隧道开挖面支护压力计算的下限有限元线性规划模型,编制了相应的Matlab有限元计算程序。计算表明:与极限平衡理论和极限分析上限有限元得到的结果比较,可以说明引入非线性Power-Law屈服准则的塑性极限分析下限有限元对隧道开挖面支护压力的计算和稳定性的分析是适用的。同时,总结了隧道埋深系数、土体重度系数等对隧道开挖面支护压力与稳定性的影响。