盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。     

有限宽度土体主动土压力的离散元模拟研究

采用离散元方法,建立多个不同宽度的离散元模型,得到了不同宽度土体从静止到主动状态过程中作用在挡土墙上的土压力发展过程以及极限状态下主动土压力的分布,并将数值结果与考虑土拱效应的理论公式计算结果进行对比分析。研究表明:当土体宽度较小时,墙后有限宽度土体中土拱效应的叠加效应会改变土压力的发展过程以及极限状态下的土压力分布。土体宽度较大时,土拱效应对土压力影响较小,土压力几乎呈直线分布,随着宽度的减小,土压力逐渐减小,土压力呈非线性分布。采用考虑土拱效应的计算公式可以较好地预测不同宽度下的土压力合力和分布。     

局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型研究

对于越江海或富水地区的深埋盾构隧道而言,长期使用过程中管片衬砌局部渗水的情况时有发生,但现有的松动土压力计算理论很少考虑局部渗水的影响。对此,以管片接缝渗水为背景,基于前人的研究进行了地层渗流场解析;以Terzaghi土拱效应分析模型为基础,考虑深埋盾构隧道的松动区形状特性和地层渗流效应,提出了局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型,分析了关键参数对计算结果的影响,并与有限差分软件FLAC的模拟结果进行了对比验证。研究结果表明：渗水接缝位置离隧道拱顶越远,隧道顶部的松动土压力越大;地表水位线越高,接缝渗水对土拱的削弱效应越强;隧道顶部的松动土压力随着接缝渗水量的增加而增加;地层渗透系数越大,隧道顶部的松动土压力越小;相较于水土合算的方式,水土分算的结果中土拱效应更强;模型计算结果与FLAC模拟结果吻合良好,验证了模型的有效性。     

盾构埋深对软土土拱效应影响分析

软土盾构深埋隧道竖向荷载的选取直接关系到工程的经济性与安全性。在软土地层的盾构隧道设计是否需要考虑土拱效应,关系到盾构设计的荷载取值。从应力场变化和不均匀变形的角度,分析土压力拱的作用机理,得到管-土刚度埋深对"土拱效应"的影响。软土中盾构隧道埋深越大,拱效应发挥越充分,但土拱效应比例值与埋深并非线性关系。盾构在软土2倍直径埋深及以下深部地层中开挖,土拱效应开始发挥作用。当埋深达4D时,拱效应发挥至23%。埋深范围与软土拱效应比例的对应,对软土隧道竖向荷载的取值有一定指导意义,可为后期软土不同埋深的盾构设计提供依据。     

盾构隧道施工松动土压力计算方法研究

在盾构隧道施工中,因管片支护和注浆填充,隧道拱顶土体位移受限制,土拱效应不完全发挥,土体剪应力小于其抗剪强度,使得Terzaghi松动土压力理论不适用于盾构隧道。针对这一情况,在Handy理论基础上推导了土的侧压力系数计算公式,得出侧压力系数的变化规律,其值与主应力旋转角度相关,其大小在主动土压力系数和被动土压力系数之间变化;并认为土拱效应的发挥和隧道拱顶位移相关,据此,在Terzaghi松动土压力理论基础上推导了一种可以考虑地层损失和管片刚度的松动土压力计算公式;并通过对土拱高度的讨论,提出一种简化的隧道施工扰动范围判断方法。     

考虑土拱效应的斜插式桩板墙合理板间距研究

结合高速公路边坡实际工程,采用ABAQUS有限元软件进行三维数值模拟分析; 从考虑板间土拱效应的角度出发,研究了0.2倍板宽、0.3倍板宽、0.4倍板宽、0.5倍板宽4组不同板间距下斜插式桩板墙的板后水平土压力、板后竖向土压力以及板间土拱强度沿横向的变化规律,并结合结构实用性和安全性,提出了斜插式桩板墙的合理板间距取值范围、板间土拱的拱脚位置以及拱顶参数关系。结果表明:斜插式桩板墙在悬臂段中下部相邻板间以板底作为拱脚形成板间竖向土拱,且板后土压力随深度表现为锯齿状分布,水平土压力小于经典库仑主动土压力,竖向应力大于土体自重应力; 板间土拱的拱脚位于斜插板板底,在设计施工时应进行局部加强以提高设计强度; 当板间距取0.3倍～0.4倍板宽时,板间土拱效应明显,板后土压力较小,建议斜插式桩板墙合理的板间距取值为0.3倍～0.4倍板宽; 所得结论有助于斜插式桩板墙结构的进一步优化设计,并产生显著的经济效益和社会效益。     

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。     

刚性桩加固软土路基竖向土拱效应的试验分析

刚性桩加固软土路基填土在自重作用下形成竖向土拱并通过土拱传递荷载,浅层荷载传递机制直接影响到桩土协调工作和加固效果,但目前对竖向土拱效应以及土拱的特性仍然缺乏深入研究。利用设置试验段进行现场试验,对采集到的路基孔隙水压力和桩土相对位移数据进行分析处理,从应力和变形两方面验证了刚性桩竖向土拱的存在性。试验数据分析反映,一定的荷载对应一定的土拱力学平衡结构;在现场试验条件下土拱形成后,荷载每增加约20kPa,土拱破坏一次,而后重新形成;粗骨料填土材料形成的土拱稳定性较好,加桩帽形式的土拱效应更为显著。     

基坑支护桩间土体拱效应理论及有限元分析

深基坑支护桩间土体拱效应是在支护桩后一定范围内的土体上产生的。在此基础上,推导了考虑土拱效应的桩间土体承担的水平侧向土压力理论计算公式,并对土拱效应的主要影响因素——支护桩间距和土体力学性质,进行灵敏性分析。结果表明:桩间土拱效应主要发生在支护桩后2.5倍桩间土宽度范围内。最后,将深基坑支护桩间土体拱效应分析简化为平面问题,通过有限元数值分析探讨了土拱效应形成机理,理论计算与数值分析结果较为一致。     

基于竖向土拱效应的桩锚支护体系锚索参数优化

针对桩锚结构与周围岩土体之间的竖向土拱效应,基于土拱静力平衡及土体破裂角产生的临界条件,阐明了竖向土拱形成机理、几何特性及土压力分布特征。研究表明:锚索和桩身自由段与桩后岩土体间易产生潜在破裂面,进一步作用形成竖向土拱;同时,相邻锚索之间的相互作用会产生不同类型竖向土拱效应,二者分别应用Drucker-Prager强度准则、合理拱轴线和静力平衡理论分析,初步得出锚索入射角宜取15°,第1排锚索距桩顶宜为2.0 m,锚索间距为3.0 m。采用FLAC~(3D)数值模拟,考虑两类竖向土拱效应产生条件,进一步验证了两类竖向土拱效应优化参数的合理性。研究成果对于正确认识桩锚支护体系之间的土拱效应具有重要作用,可为基坑工程设计与施工提供理论依据和技术指导。     

考虑土拱效应的挡土墙地震主动土压力静力研究

 在Mononobe-Okabe拟静力学理论的基础上,对挡土墙后填土进行应力分析,根据静力平衡求得滑裂面水平倾角。再结合土拱效应原理采用水平层分析法,对处于正常受力状态的填土微元体进行应力分析,并根据静力平衡和力矩平衡建立方程组,从而求得适用范围更广的地震作用下墙后土体的主动土压力、土压力系数、土压力合力作用点位置等的计算公式。利用数值方法分析土内摩擦角、墙土面摩擦角以及水平和竖向地震系数对滑裂角、主动土压力、土压力系数、土压力合力作用点位置的影响,并将计算结果与其他计算方法所得结果以及试验结果进行对比分析。     

考虑土拱效应的挡土墙空间土压力研究

 研究表明土拱效应是影响挡土墙土压力分布的一个重要因素,但目前关于空间条件下考虑土拱效应的挡土墙土压力研究还很少。通过将土拱效应原理引入顾慰慈等建立的空间土压力计算模型建立了考虑土拱效应的空间土压力计算模型,并将该模型划分为I、II、III、IV四个区域,通过在各个区域内取水平微分单元体,建立各微分单元体的水平和竖向静力平衡方程,推导出了各区相应的挡土墙空间主动土压力计算公式,该公式可以计算出墙背任意位置的主动土压力;并提出了空间土压力合力及其合力作用点的计算方法。通过算例计算可以直观的看出挡土墙后主动土压力的空间分布,由此可以看出,当空间效应存在时考虑土拱效应的挡土墙主动土压力沿墙长的分布与平面应变条件时有很大的不同,此时挡土墙两端附近区域的主动土压力远小于平面应变条件下计算出的主动土压力,同时可以看出考虑空间效应的挡土墙主动土压力合力作用点要比平面应变条件下的位置要高,挡土墙长高比B/H越小空间效应对主动土压力沿墙长的分布和主动土压力合力作用点位置的影响越大。     

埋地HDPE管道施工过程中土拱效应变化特征研究

 国内外研究表明,土拱效应对于埋地柔性管道的受力变形有着显著的影响,然而关于管道回填土体中土拱效应随管底填土高度以及管道直径等因素变化规律的研究鲜有报道。通过现场试验研究施工填土过程中HDPE双壁波纹管道在回填土体中引发的土拱效应,以此明确埋地HDPE管道在回填土时,管顶上覆土压力的变化规律。结果表明,对于管顶和管侧的回填土,其土拱效应随着管底填土高度增加均增强;在给定填土高度时,土体距离管顶位置越近,其土拱效应越显著。基于Marston土压力理论计算所得的HDPE管道顶部上覆土压力较现场土压力实测值大3%～31%,通过有限元数值模拟分析,提出施工填土时HDPE管道顶部上覆土压力的简易计算公式。通过已有研究报道的2个现场试验的实测数据对所得公式进行验证,得出管顶土压力计算值的误差范围为2%～6%,表明该公式可以准确地计算施工填土时HDPE管道顶部所受的上覆土压力。     

管廊基坑开挖对既有长江隧道变形的影响

本文以上穿武汉和平大道三角路既有长江隧道的综合管廊深基坑工程为研究背景,采用大型有限元软件ANSYS对上述穿越长江隧道的管廊基坑进行了数值建模,并利用基于Winkler弹性地基梁的理论模型结果对该数值模型进行了验证。随后对基坑开挖卸载后既有隧道竖向位移的变化规律进行了研究,详细讨论了加固土长度、加固土宽度以及加固土密度等因素对隧道竖向位移的影响规律。研究结果表明:基坑开挖完成后,下方既有隧道顶部竖向位移呈现中间大、两边小的规律;采用加固土控制隧道竖向位移时,增大加固厚度和密度比增大加固宽度更有效;增大加固土弹性模量,对隧道竖向位移影响较小。     

考虑土拱效应的土压力理论在桩锚支护受力分析中的应用

基坑支护结构上实测的内力常常远比按经典土压力理论计算的要小,针对这一问题考虑土拱效应对桩锚支护结构土压力的影响,应用Handy提出的土压力计算原理来分析桩锚支护结构的土压力。计算结果表明:桩侧土压力与经典土压力分布不同,与实测结果比较相符;对于砂卵石地层桩锚式支护结构,用考虑土拱效应的土压力计算模型比较合适。     

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。     

悬臂桩桩间有效卸荷区研究

根据悬臂桩的传力特征,研究了其桩间土拱效应的形成机理。按其在空间坐标系的位置,将桩间土拱分为水平拱、竖向拱及临空面拱,指出水平拱效应对卸荷区分布规律起主控作用,继而定义了有效卸荷区范围。从分析桩间土拱效应破坏模式入手,结合岩土强度理论及土拱静力平衡原理,建立了考虑桩间土自重应力及滑坡推力的卸荷区计算模型。基于该模型对滑体强度与临界高度及卸荷区矢高的关系作了一定研究,探讨了几种典型桩背土压力分布模式对卸荷区分布范围的影响。最后采用一工程实例对该模型进行验证。     

沟埋式涵洞非线性土压力试验研究与数值模拟

现行公路桥涵设计通用规范中线性土压力理论未能准确反映沟埋式涵洞涵顶垂直土压力变化规律,土压力计算结果与实际情况存在差异,导致涵洞在施工或使用过程中出现不同程度的病害。结合现场试验和数值模拟研究了沟埋式涵洞垂直土压力的变化规律,以及涵顶填土内部的土拱效应,分析了涵顶平面土压力及不均匀沉降的分布规律。研究结果表明,并非所有沟埋式涵洞涵顶垂直土压力都小于按线性土压力理论计算结果,它与填土高度、沟谷宽度、沟谷坡角、涵洞几何尺寸、填料性质及地基刚度等因素有关,涵顶垂直土压力随各影响因素呈非线性变化。填土达到一定高度后,涵顶填土内部产生土拱效应,该效应能够缓解涵顶应力集中现象,但其具有不稳定性。沟埋式涵洞的设计与施工应综合考虑各因素对涵洞受力状态的影响。     

考虑土拱渐进发展的松动土压力研究

结构上方土压力的确定是顶管工程设计和施工中的重要环节,施工中地层损失所引起的上方土体相对滑动使得竖向土压力减小,即形成土拱效应。在Terzaghi松动土压力模型的基础之上,通过水平微分土条的主应力轴偏转角的分析构建了平衡方程,考虑了施工深度以及地层损失对滑移破坏面形态的影响,并利用土拱形成的初始状态和稳定状态的边界条件分别进行了求解计算,分析了土拱效应的渐进发展趋势。经过对比分析,验证了计算模型的合理性,结合顶管施工的实际情况,探究了土体剪胀角和摩擦角对土拱效应的影响,为顶管施工中的土压力计算提供参考依据。     

抗条形沉陷的土工合成材料加筋体设计

基于土拱效应原理改进了条形土洞上路堤荷载传递中的侧向土压力系数和作用在洞上加筋体上的竖向土压力。对加筋体及上方土体的静力平衡进行分析,获得了滑移段和稳定段加筋体上下表面的竖向应力。对加筋体进行受力分析,获得了加筋体在土洞上方的最大挠度和最大拉力,以及锚固区的加筋体最小长度。进一步分析了各参数对加筋体最大挠度和锚固长度的影响。对比了最大挠度的试验值、数值模拟值和理论值,结果表明,本文理论值与试验结果吻合更好。