考虑隧底隆起斜坡段浅埋隧道稳定性上限分析

采用极限分析上限法,基于内外能耗守恒原理,通过构建考虑隧底隆起的斜坡地段浅埋隧道破坏模式,推导出围岩压力的计算式,并通过典型算例重点分析了典型因素对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:基于泰沙基极限平衡法进行隧道围岩支护设计较为保守,不考虑隧底隆起的极限分析方法次之考虑隧底隆起极限分析方法的风险最大;斜坡地表倾角增大对浅埋隧道稳定性有着不可忽视的不利影响;围岩压力随岩土侧压力系数减小、埋深增大、断面尺寸加大而增大;岩土黏聚力增大、内摩擦角增大对提高浅埋隧道围岩稳定性有积极作用。     

考虑主应力偏转的土体浅埋隧道支护压力研究

传统方法计算浅埋隧道支护压力时,未考虑上覆土体主应力偏转过程,与实际情况不符且计算结果不准确。为真实分析和计算浅埋隧道支护压力,以砂土为研究对象,首先概括浅埋隧道围岩破坏模式,在此基础上分析隧道上覆土体主应力偏转过程和应力状态,得到水平微分土层平均竖向压力与侧向压力和层间平均剪切力的定量关系,进而建立水平微分土层受力平衡方程求解上覆土体竖向压力。最后以隧道侧面滑移土体为对象,通过受力平衡方程求解获得支护压力表达式。新方法考虑了上覆土体主应力真实偏转过程,较传统方法更符合实际,研究结果表明:距离隧道顶部中心线越远,水平正应力与大主应力比值越小;随着土体内摩擦角的增大,竖直正应力与大主应力比值呈现先减小后增大的规律。与模型试验结果对比表明:当隧道埋深较浅时,新方法计算所得支护压力与模型试验结果高度吻合,优于不考虑主应力偏转方法计算结果和半经验性的Terzaghi方法计算结果,从而验证了该方法的有效性,可为浅埋隧道支护设计提供一定理论依据。     

水平地震作用下浅埋隧道围岩压力的计算方法研究

以现行规范中浅埋隧道围岩压力计算的力学模型为基础,引入水平条分原理和水平地震系数,建立一套地震工况下浅埋隧道围岩压力计算方法。与规范方法及杨小礼方法相比,将静力工况与地震工况结合到统一力学模型中,且将岩土体的两个强度参数作为独立因素考虑,且能考虑岩土体分层的实际情形。通过简单算例的对比分析,认为将黏聚力和内摩擦角作为独立因素考虑,能更为准确地计算隧道围岩压力;通过多层算例的对比分析,认为隧道自身所穿越地层的围岩条件,对其围岩压力分布特性起主要作用;进一步利用方法,探讨岩土体强度参数和水平地震系数,对破裂角和竖向围岩压力的影响。研究成果可为浅埋隧道的抗震计算或设计提供更为准确可靠的理论依据或技术参考。     

浅埋矩形隧道围岩压力上限分析及可靠度计算

考虑浅埋暗挖法施工矩形隧道,由于隧道埋深浅,一般会受到建、构筑物等地表荷载的影响,采用极限分析上限法推导出受地表荷载和孔隙水等荷载作用下的围岩压力表达式。结合序列优化法和Matlab优化工具,计算得到围岩压力的上限解。考虑土体参数以及荷载的离散性,运用可靠度方法对支护力进行失效概率分析。分析了侧压力系数、黏聚力、内摩擦角、埋深、孔隙水压力及地表荷载对围岩压力的影响,通过计算表明,侧压力系数对拱顶、边墙的围岩压力有较大的影响,并且差异性很大,建议区别计算拱顶和边墙的围岩压力。此外,参数的统计特征对浅埋矩形隧道支护力也有较大的影响,特别是变异系数,应提前做好勘测、统计工作。并针对3种不同的安全等级,给出了浅埋矩形隧道的最小安全系数和最小支护力,为其支护设计提供参考。     

基于环向失稳的浅埋盾构隧道极限支护压力分析

基于数值模拟和理论分析,从环向角度对浅埋盾构隧道开挖面稳定性及极限支护压力进行了研究。通过弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面支护力与变形的关系和最终破坏模式,发现破坏模式主要受内摩擦角和埋深比影响较大,而受黏聚力影响较小。根据得到的破坏模式,建立了一种基于单参数变量的极限平衡模型,通过优化分析得到最危险破坏面和极限支护力。将极限支护力表示为黏聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的叠加形式进行了分析,其呈现为随内摩擦角、埋深比、侧向支护压力比增大非线性减小、随黏聚力增大近似呈线性减小的规律。通过与数值模拟和离心试验结果对比,验证了所建模型计算极限支护力的合理性。     

浅埋隧道的地层压力

本文分析了在浅埋隧道施工和运营过程中所发生的山体和衬砌变形现象,推导出浅埋隧道地层压力的计算公式。在垂直压力和侧压力的计算中考虑了土壤粘聚力和内摩擦角、洞顶荷载和地面坡度的影响,也考虑了破裂面抗剪强度在破裂面形成过程中和形成以后的变化的影响。本文方法经过实例验证,基本符合实际;且能解释一些衬砌变形原因,以及粘土质隧道侧压力系数较大的现象。     

浅埋偏压小净距隧道围岩压力分布与围岩控制

根据浅埋偏压小净距隧道受力特点,研究推导了考虑施工工序及地形坡度的浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算公式。分析了考虑不同地形坡度及同一坡度不同埋深2种工况下地形坡度及埋深对围岩破裂范围、水平侧应力、拱顶压力的影响规律,并指出了浅埋偏压小净距隧道围岩压力在考虑地形坡度下与水平地表下分布规律的差异,建立了3DEC数值模型以对上述理论规律进行验证,结果表明,数值分析规律与理论推导计算规律相吻合。将理论计算公式应用于马嘴隧道出口浅埋段隧道稳定性计算,由计算所得围岩稳定性系数及现场隧道变形监测结果提出隧道围岩及地表稳定性处理措施。     

盾构隧道开挖面极限支护压力三维极限平衡解

通过优化楔形滑块倾角并考虑滑块侧面土体抗剪强度的影响,对现有三维梯形楔形体模型进行改进,建立了一种盾构隧道开挖面极限支护压力的三维极限平衡计算模型.推导了极限支护压力的计算公式,并通过优化分析得到了其最优解.通过优化得到的滑块倾角随隧道埋深增加略有减小,随土体内摩擦角Ψ增大而增大,且高于通过(r)/4+Ψ/2得到的值....     

基于主应力旋转特征的浅埋隧道上覆土压力计算及不完全拱效应分析

砂土及黏聚强度较低的破碎岩体中,不完全拱效应对浅埋隧道上覆土压力计算的影响尚不明确。不同于传统极限平衡方法考虑主应力迹线的分布形态,直接考虑隧道开挖后主应力旋转角的分布特征,同时考虑滑移面范围变化及滑移面摩擦角调用情况,改进了浅埋隧道上覆土压力的计算。在此基础上分析完全拱作用下土体平均侧压力系数、竖向应力分布等特点,并与传统方法比较说明了其异同。此外,与数值结果、模型试验结果对比验证了改进解的适用性。最后在改进解基础上分析不完全拱效应的影响。结论显示:(1)隧道开挖后,滑移面范围内土体竖向应力减少,转移至滑移面外稳定土体,滑移面附近剪切应力δ集中,阻碍隧道上方土体向下变形,改进方法计算所得应力分布与实际情况更相符;(2)平均侧压力系数K_w~(av)受土体内摩擦角φ及滑移面调用摩擦角δ共同影响,土体内摩擦角较小时,可忽略不完全拱效应δ/φ对平均侧压力系数的影响;(3)改进解与传统解均表明地层拱作用效果系数K_w~(av)tanδ在一定范围内对土体内摩擦角φ不敏感;(4)此外,改进解表明地层拱作用效果系数K_w~(av)tanδ对土体内摩擦角φ的不敏感性除受φ取值范围影响外,还受不完全拱效应δ/φ影响,随不完全拱效应增强(δ/φ减小),K_w~(av)tanδ对φ的不敏感性越来越明显。     

有限土体主动土压力计算的土拱效应分析

基于墙后土体为半无限土体假定的经典土压力理论不适用于有限土体土压力计算。分析了墙后有限土体的破坏模式及位移特征,并考虑应力偏转现象分析了有限土体中的成拱效应。在此基础上,基于水平薄层法分析了有限土体主动土压力分布特征,给出了有限土体主动土压力强度的理论计算方法。该方法可较好地考虑有限土体宽度及土拱效应对土压力分布造成的影响。与试验实测数据对比表明,相比经典土压力理论,该方法的计算值更接近于实测值,可供相关设计计算参考。对影响有限土体土压力分布的主要参数进行了初步研究,如土体计算宽度、土体黏聚力及内摩擦角。结果表明:不同参数取值并未改变有限土压力沿深度的分布规律;同一深度处,土压力值随计算宽度与土体摩擦角的增大而增大,但随土体黏聚力的增加而减小。     

预应力锚杆柔性支护法面层上的竖向土拱效应

通过对预应力锚杆柔性支护法进行竖向土拱效应分析,求解出了预应力锚杆之间土拱的曲线方程。土拱的拱高随土体粘聚力和内摩擦角的增大而减小;随锚杆间距的增大而增大。在此基础上,推导了预应力锚杆间土拱效应不完全发挥和完全发挥时分别作用在喷射混凝土面层上土压力的解析解。结果表明:两种情况下得到的作用在喷射混凝土面层上的土压力,都随土体重度和锚杆间距的增大而增大;随土体内摩擦角、粘聚力以及面层与土体间摩擦角的增大而减小,且均趋于一个常数解,但前者得到的土压力比后者大。实际工程监测结果与理论计算的对比分析表明,土拱效应不完全发挥时的理论解与监测数据较为吻合。本文得到的计算公式可为预应力锚杆柔性支护面层上的土压力计算以及面层设计提供理论依据。     

锚拉桩三维土拱效应数值分析与试验研究

针对锚拉桩设计中土压力计算模式存在的问题,提出了三维土拱效应模型这种新的计算方法,通过有限元方法,对该模型的正确性进行了验证。在此基础上,讨论了锚头间距、土体粘聚力、内摩擦角及弹性模量对三维土拱效应的影响。结果表明:随着锚头间距增大,土拱效应减小;土体粘聚力和内摩擦角增大,土拱效应增强,但增大到一定值后,荷载分担比例变化较小,且粘聚力值变化对土拱效应的影响比内摩擦角更显著;土体弹性模量增大,荷载分担比例也增大,最大可达到100%,此时结构体系可采用点锚,三维土拱效应存在于整个锚索自由段。为进一步验证模型的正确性,进行了室内模拟试验,试验结果表明,挡板后水平及竖向均存在土拱效应。     

密实砂土及硬黏土中圆形隧道的竖向支护压力

 在Terzaghi理论假定的基础上,考虑圆形隧道侧压力系数及洞身范围斜向滑裂面作用,根据极限平衡法建立圆形隧道竖向支护压力的一般表达式,适用于密实砂土及硬黏土地层。该式表明圆形隧道的竖向支护压力随侧压力或侧压力系数 的增大而减小,当 时可得最小支护压力。为求解竖向支护压力,提出圆形隧道侧压力系数 的计算方法,建立支护压力与衬砌刚度、地层刚度等因素的定量关系,表明随衬砌厚度的减小或地层弹性抗力系数的增大,侧压力系数增大,而竖向支护压力减小。通过对比表明,本文方法计算值与极限分析上限法、既有试验结果较接近且偏于安全,不仅适用于浅埋隧道,也适用于深埋隧道,且本文方法比极限分析上限法显著简化。     

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。     

墙后三角形填土主动土压力理论计算研究

根据实际工程情况,对挡土墙后三角形填土受力机理进行分析。通过土体极限平衡理论和平面滑裂面假定,建立该种情况下主动土压力分析计算模型,推导考虑粘聚力时三角形填土破裂角的计算公式。公式表明,剪切破裂角是与计算深度、填土粘聚力和内摩擦角、填土与挡土墙体摩擦角、填土与地面的夹角有关的一个变量值。通过算例的参数对比分析,剪切破裂角随计算深度的增加而减小,随填土与地面夹角的增加而减小,随粘聚力的增加而增大,随内摩擦角的增加而先增大后减小。最终,将三角形填土主动土压力计算与朗肯主动土压力计算结果进行对比,验证了推导公式计算的正确性,可给类似工程提供计算参考。     

浅埋软土隧道蠕变问题的有限元分析

应用基于遗传蠕变理论的幂次关系蠕变方程,对浅埋软土隧道施工过程进行了二维粘弹塑性有限元分析。研究了隧道施工时围岩主应力、地表沉降、及支护结构内力随时间的变化规律,并与按弹塑性理论计算结果进行比较,说明了对软土区间隧道施工过程模拟中考虑土体蠕变特性的必要性。     

浅埋隧道破裂面的极限平衡分析法

为了获得浅埋隧道破裂面稳定性定量评判指标,采用极限平衡原理与变分方法分析浅埋隧道破裂面的分布状态,以此为基础,建立以安全系数为评判指标的浅埋隧道稳定性分析方法。结合数值模拟分析得出,围岩破裂面接近直线,起始点位于隧道拱腰至拱顶区域,随着隧道埋深的减小,产生冒顶的区域越向拱顶集中,且数值模拟获得的破裂区域与理论结果较接近;埋深对隧道安全系数影响较小,围岩内聚力和内摩擦角对隧道安全系数影响显著,随着内聚力和内摩擦角增加,隧道安全系数增加;F为静止土压力时,理论分析和数值模拟所获安全系数发展趋势一致,且所获得安全系数小于数值模拟结果,较为保守。     

基于压力拱理论的双洞隧道最小净距弹塑性分析

双洞隧道最小净距的研究对隧道工程建设有重要意义,本文应用压力拱理论对双洞隧道最小净距进行弹塑性分析,根据拟建的双洞隧道的物理模型及隧道中间岩柱的受力模型,得到双洞隧道最小净距公式,通过控制变量,分析公式中各物理参数对隧道最小净距的影响大小关系,即:隧道埋深和土层重度的增大会使双洞隧道最小净距承非线性增大;内摩擦角、粘聚力、计算内摩擦角的增大而非线性减小.本文的研究为双洞隧道设计提供了依据.     

盾构进出洞时端头土体纵向加固范围研究

为研究盾构进出洞时端头土体纵向加固范围的问题,本文基于极限平衡理论,建立盾构进出洞时端头加固土体二维稳定性分析的理论模型,推导了相应的端头土体纵向加固尺寸的计算公式,进而对一工程实例进行了计算分析得到其端头土体纵向加固长度至少应为7.43 m,最后讨论了端头加固土体粘聚力、内摩擦角、隧道直径等重要参数对端头土体纵向加固范围影响。研究结果表明:端头加固土体的粘聚力、内摩擦角对端头土体纵向加固范围影响显著,随着端头加固土体的粘聚力和内摩擦角增大时,端头土体纵向加固长度都将会减小。隧道直径越大,端头土体纵向加固长度也越长。     

侧压力系数对临界荷载的影响分析

取消现有公式中与实际不符的假定,考虑土体实际应力条件,重新推导了临界荷载公式,给出对任意侧压力系数均适用的临界荷载计算公式,并将超固结比OCR引入临界荷载的计算中。在粘聚力、内摩擦角、基础埋深、基础宽度、土体重度、超固结比等因素变动的情况下,着重分析了侧压力系数对临界荷载的影响规律。