考虑松动区高度影响的城市深埋隧道松动土压力研究

传统的太沙基松动土压力理论是基于浅埋地层这一基本假定建立的，其对于城市深埋地层不具备适用性。在深埋土质隧道土拱效应完全发挥情况下，考虑主应力轴旋转修正无黏性土侧压力系数计算方法；基于有限差分数值平台开展不同埋深、不同内摩擦角下的有限元模拟确定深埋黏性土层的破坏模式。给出考虑主应力轴旋转和内摩擦角对松动区高度影响的深埋无黏性土、黏性土地层的松动土压力计算公式，以实现对城市深埋土质隧道上覆土压力的准确计算。修正公式计算结果与文献、数值模拟结果对比分析结果表明：在深埋情况下，无黏性土层松动土压力修正公式计算结果与文献结果吻合良好；土体强度参数会对黏性土松动区高度造成影响，即随着内摩擦角的增大，松动区高度不断减小；黏性土层松动土压力修正公式计算结果与数值模拟结果吻合良好。     

砂卵石地层盾构开挖面极限支护压力计算模型研究

以成都地铁1、2号线为背景,在分析砂卵石地层盾构施工开挖面破坏模式基础上,提出使用梯形楔形体模型计算开挖面极限支护压力;对开挖面极限支护压力计算公式进行重新推导,推导过程中考虑滑动块侧面三角形和滑动块顶部与外部土体相互作用力.通过颗粒离散元数值计算,在三维空间修正太沙基松动土压力计算公式;结合开挖面稳定性数值计算成果,分析计算模型中主要参数的选取;提出适用于砂卵石地层的修正梯形楔形体模型极限支护压力公式;对计算公式进行对比分析和验证分析.     

基于统计分析的隧道围岩压力分布规律研究

围岩压力和支护荷载的确定是隧道支护结构设计的关键问题。利用调研和统计分析等方法,通过对54座已建隧道的174个监测断面的围岩压力实测数据进行统计分析,探明了深埋隧道围岩压力的总体分布特征,给出了深埋隧道围岩压力与围岩级别和跨度的关系,修正了铁路隧规深埋荷载宽度影响系数计算公式,并修正了《铁路隧道设计规范》深埋隧道荷载计算公式。研究结果对分析隧道围岩压力作用机制和完善支护结构设计方法提供一定的参考价值。     

基于钢筋应力监测值的盾构隧道管片外部荷载正交数值反演分析方法

为研究盾构隧道管片外部荷载的分布特征，提出了一种基于钢筋应力监测值的管片外部荷载正交数值反演分析方法。以钢筋应力监测值为目标函数，该方法通过建立正交数值分析工况较好地反演了管片的外部荷载。研究表明：(1)该方法通过分析所提取的管片外部荷载试验因素，设置相应的试验因素水平，建立正交试验分析工况；基于三维有限元反演分析模型进行迭代计算，求解基于钢筋应力的监测值和计算值的目标函数，通过其均值和极差分析反演获得管片外部荷载最优解。(2)管片外部荷载影响因素包括竖向土压力修正系数、水压力修正系数、侧压力系数和地层抗力系数。(3)三维有限元反演分析模型建模要素包括三维实体管片和一维钢筋，管片接缝采用一维螺栓+二维界面进行模拟，地层采用仅受压曲面弹簧进行模拟。(4)算例最优解为竖向土压力修正系数为1.2、水压力修正系数为1.2、地层抗力系数为70 MPa/m、侧压力系数为0.35。     

变坡面浅埋偏压隧道松动围岩压力计算方法

根据变坡面浅埋偏压隧道的结构和受力建立计算模型,由计算模型推导隧道深、浅埋侧棱体横截面面积的计算公式;再根据极限平衡法求解变坡面浅埋偏压隧道深、浅埋侧的推力,进而推导出变坡面条件下浅埋偏压隧道松动围岩压力的计算公式。由计算公式可知:当地面坡度增大时,水平侧压力系数也随之增大;随着两侧土体对拱顶上覆土层推力的增大,拱顶的垂直土压力减小而隧道的水平侧压力增大。以贵广高速铁路贺街隧道洞口的变坡面浅埋偏压段为例,运用给出的变坡面浅埋偏压隧道松动围岩压力计算公式进行计算,并将计算结果与规范法的计算结果和实测值进行对比。结果表明:在实际工程中,当隧道两侧土体表面坡度变化较大时,给出的变坡面浅埋偏压隧道松动围岩压力计算公式的计算结果更加切合实际。     

基于椭球体理论的低含水率砂层隧道松动土压力研究

为研究低含水率砂层隧道土拱效应下的破坏模式与松动土压力，自制试验装置开展低含水率条件下Trapdoor试验，利用PIV技术得出破坏模式；分析主应力偏转对侧压力系数的影响。基于椭球体理论，考虑松动区内竖向荷载梯形分布形式与表观黏聚力作用，推导不同土拱效应发挥程度下隧道松动土压力计算公式。研究结果表明，表观黏聚力使模型试验最终滑动面呈现椭圆状，与Terzaghi假设的竖直面存在差别；φ为常数时，K值与埋深正相关，随土拱效应发挥程度增大而增大；土拱效应的发挥程度与埋深成正相关，相同埋深下，K随φ增大而减小，利用本文公式计算出K随φ值变化在0.2～0.7之间。算例表明，相同埋深时松动土压力在不同含水率下随土拱效应发挥呈递减趋势，体现出表观黏聚力随土体饱和度变化规律。     

地铁隧道竖向土压力计算公式探讨与改进

城市地铁隧道设计广泛应用“结构—荷载”模型,结构体系已向细微化发展,但荷载体系发展缓慢,主要原因是土压力计算尚未很好地解决.因此,各种土压力公式的计算精度及适用条件值得深入研究.本文分析了各种土压力公式的计算结果与埋深的关系,探讨各种土压力公式在地铁设计中的适用性及存在问题.将不同公式的计算值与实测数据对比发现,砂土地层中修正太沙基公式的计算值与实测结果吻合度最好.基于修正后的太沙基公式,提出了无经验参数的竖向土压力计算公式.     

多线铁路大跨度隧道围岩压力研究

围岩荷载的确定是进行隧道工程衬砌结构设计的关键。现行铁路隧道规范中深埋隧道围岩荷载计算公式是根据单线铁路隧道施工塌方的调查统计资料建立起来的统计经验公式,多年来,对于指导单、双线铁路隧道的结构设计起到至关重要的作用,但用于指导当前三线,特别是四线铁路隧道时,就显得无能为力了。提出一种合理的适合于三线、四线甚至更大跨度的铁路隧道的围岩荷载计算方法,提出考虑围岩变形全过程的"统一围岩压力曲线",并基于贵昆铁路六盘水至沾益段增建二线上的乌蒙山2号四线车站大跨度隧道,开展现场试验,对围岩压力进行监控量测,结合统一围岩压力曲线,提出竖向围岩压力计算公式q=Kγha。     

砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究

盾构机在卵石含量高、粒径大的砂卵石地层中掘进时,由于土体塑流性差,土体在土舱内无法及时排出,时常出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大,推进速度极其缓慢等现象;由于土舱内土体颗粒间力的传递是点对点,使支护压力不能有效施加到开挖面上,极易出现地表沉降超限、塌方等事故.为此,以北京地铁9号线盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究.试验结果表明:采用泡沫十膨润土作为土体改良剂对砂卵石地层土体进行改良是可行的;在土体改良过程中应根据出土量、土压力、盾构推力及刀盘扭矩等参数的控制情况,及时调整土体改良剂的注入时间、注入量等参数;在确保盾构出土量可控的前提下,采用满舱欠压掘进模式可以提高砂卵石地层盾构掘进的效率.     

连拱隧道围岩压力计算方法初探

通过数值模拟及理论分析等手段对隧道压力拱的产生范围及受力机理进行研究,提出了压力拱内外边界的判定方法。在此基础上,指出隧道围岩压力是由压力拱内边界以下土体松动产生的松动压力,以及压力拱自身土体压缩形变而作用在支护结构上的压力共同作用所产生,并提出了基于压力拱受力机理的围岩压力计算方法。然后通过对围岩压力的各影响因素进行敏感性分析,可得围岩压力影响最敏感的因素是围岩的内摩擦角,其后依次为隧道埋深、岩体重度和隧道跨度,而弹性模量、泊松比以及黏聚力则是最不敏感的几个因素。再利用正交试验,将影响较大的几个影响因素与相应的围岩压力关系进行回归分析,拟合出便于实际应用的围岩压力计算公式。最后考虑施工过程对连拱隧道围岩压力的影响,分别考虑了先行导洞的洞高、跨度和导洞之间的距离对后行导洞围岩压力所产生的影响,将各影响系数添加到基于压力拱理论的单洞隧道围岩压力计算公式中,得出适用于连拱隧道的围岩压力计算公式,并通过工程实例进行了验证。     

浅埋偏压隧道荷载特征的影响因素分析与计算

浅埋偏压隧道结构荷载计算的准确与否是影响隧道建设成败的重要因素之一。结合浅埋偏压隧道围岩荷载计算理论,对依托的具体实体工程进行多因素影响分析,揭示浅埋偏压隧道在不同偏压角和不同覆土层厚度下围岩垂直压力、侧向压力、侧压力系数和破裂角的变化规律,为隧道施工提供技术支持。     

京张高铁八达岭长城站大跨深埋三连拱围岩压力计算方法研究

大跨度深埋三连拱隧道具有开挖跨度大、施工工序复杂、各洞室协同受力等特点,支护结构设计需要进行荷载-结构模型验算,而荷载如何确定尚无成熟的计算方法。依托京张高铁八达岭长城站三连拱隧道工程,基于普氏平衡拱基本假定并借鉴深埋双连拱隧道荷载计算方法,推导出深埋三连拱情况下围岩压力计算解析解。研究表明:三连拱隧道围岩压力由拱部松散土压力和中隔墙共同承担;中隔墙的主动支撑作用非常重要,这与双连拱隧道的受力变化规律吻合;该计算方法适用于具备一定强度的接近松散体围岩;通过解析法计算结果与现场监测数据对比分析,水平与竖向围岩压力最大相对误差分别为9.75%和10%,验证解析法计算结果的合理性。     

盾构管片设计中静止土压力系数选取的探讨

研究目的:静止土压力系数是盾构隧道管片结构设计的重要参数之一。在饱和软土地区进行盾构管片配筋设计时,由于地勘资料提供的静止土压力系数较小,有时会出现配筋量过大甚至难以配筋的情况。本文通过现场实测和室内试验开展对静止土压力系数的研究,为饱和软土地区盾构管片设计中静止土压力系数选取提供参考。研究结论:(1)室内试验测定静止土压力系数时,对于粉质黏土,初期侧压力系数较大,随加载时间的增加,侧压力系数逐渐减小并趋于稳定;而对砂性土,侧压力系数随加载时间变化不大;(2)现场实测静止土压力系数明显大于室内试验所测静止土压力系数固结稳定后的值,更接近于室内静止土压力系数初始值;(3)由于土体的卸荷作用,盾构施工后的静止土压力系数会有所增大;(4)水土合算法与水土分算法计算侧压力时应采用不同的侧向压力系数,建议该工程地区黏性土静止土压力系数水土分算时取0. 5,水土合算时取0. 7;砂性土采用分算法,依据地勘资料取其侧压力系数;(5)本研究成果可应用于盾构管片结构设计中静止土压力系数的选取。     

高填方黄土明洞顶EPS板和土工格栅共同减载计算及土拱效应分析

基于土压力减载机理,推导高填方黄土明洞顶铺设EPS板和土工格栅共同减载的明洞顶土压力计算公式。利用ANSYS软件模拟不同弹性模量EPS板和土工格栅共同减载时高填方黄土明洞顶的土压力,采用荷载等效方法将数值模拟的"波浪形"分布的土压力转化为均布荷载,将其与公式计算结果进行对比。结果表明:明洞顶土压力均随内外土柱沉降差的增大而减小,公式计算结果与数值模拟结果最大相对误差为3.59%,验证了计算公式的正确性。取EPS板的弹性模量为0.5 MPa,数值模拟明洞顶土体的竖向位移、最小主应力和竖向应力。结果表明:EPS板变形导致明洞顶最小主应力方向发生旋转,指向外土柱,在0.83倍洞高处出现明显的"应力拱";"应力拱"下部竖向、横向土压力均减小;内外土柱沉降差越大,"应力拱"横向应力越大,承担上部荷载越大,土拱效应越明显。     

有限土体土压力理论在异型深基坑工程中的应用研究

针对砂卵石地层新建隧道穿越既有线面临的异型深基坑工程,对基坑侧壁与既有地铁车站风亭间的夹土体进行受力分析,明确在平均土体宽度b=3.5 m条件下,对于竖直段,当开挖深度大于6.5 m时,就必须考虑有限土体土压力的影响,提出相应的计算模型与简化公式,发现有限土体土压力与开挖深度近似成线性关系;对于扩挖段,基于有限土体受力特性,提出扩挖段有限土体土压力计算模型与简化公式,由于扩挖边承受一定的土体自重,因此扩挖点处基坑侧壁土压力有所增加,扩挖段有限土体土压力与开挖深度近似成指数关系,但随着扩挖深度的增加,有限土压力明显小于常规土压力,同时随着扩挖段有限土体宽度的减小,有限土压力与常规土压力差值趋于稳定;最后通过数值分析,发现有限土体土压力作用下,异型基坑自身的变形相对较小,其水平变形主要集中在左侧隧道侧与基坑扩挖段,同时基坑的变形与裂缝均能满足规范要求。有限土体土压力能有效减少基坑围护结构内力与配筋,精细化设计有利于确保工程安全并控制工程造价。     

软岩隧道围岩的应力应变分析

根据千丘榜隧道实际施工中围岩的力学情况,建立有限元模型,采用不同加载方式,不同应力场,对软弱围岩在隧道施工中隧道围岩位移进行数值模拟和分析.结果表明:围岩在开挖后,整个围岩的初始应力被破坏,围岩的竖向位移及仰拱底围岩竖向位移随着侧压力系数的减小而增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而减小.     

土质地层中隧道上覆荷载计算研究

在隧道结构计算分析时,如何计算确定作用在隧道结构上的上覆荷载的大小及分布是设计的关键。对于土质地层中的隧道,埋深较浅时上覆荷载计算时常采用全部覆土重量,而当土层较厚,隧道埋深较大时通常会采用太沙基公式、普氏压力拱理论公式及隧道设计规范公式等,这些公式在选用时尚存在一些问题,通过对比隧道在土质地层中几种公式计算的上覆荷载规律,分析各计算公式存在的问题,加以改进推导出了隧道在土质地层中竖向荷载的建议计算公式,并通过全国各地区实测数据加以验证。研究结果可为类似条件下工程的设计提供借鉴和参考。     

基于颗粒流的高填黄土减载明洞土拱效应分析

实际工程表明,在高填方明洞顶部铺设EPS板可以明显降低洞顶竖向土压力,然而,铺设EPS板会将明洞上方的土体荷载向其两侧土体转移,导致其侧墙所受水平土压力及弯矩增大。为了进一步减小明洞受力,提出一种新型减载明洞体系,利用颗粒流软件建立相应数值模型,从竖向、水平土压力、颗粒竖向位移、颗粒间接触力和孔隙率等细观层面研究该减载明洞的荷载传递机制。此外,基于该减载体系,分析EPS板距拱顶位置、宽度和填土压实度对明洞土拱效应的影响。研究结果表明:该减载体系可以扩大土拱效应的影响范围,同时减小洞顶与洞侧土压力;土拱效应的发展与洞顶土体孔隙率的变化相关,孔隙率随EPS板距拱顶距离的增加逐渐减小,土拱效应逐渐减弱,洞顶土压力逐渐增大;随EPS板宽度的增加先增大后减小,当EPS板宽度W=1.5D时,孔隙率达到最大值,土拱效应最强,洞顶荷载分布最少;填土压实度越大,柱土应力比越大,洞顶土压力越小。     

地表均布超载作用下软土地区既有盾构隧道周围附加土压力与变形计算方法

在地表均布超载导致既有盾构隧道对周围土体的相对挤压量计算方法的基础上,根据隧道变形与其周围土压力、土体压缩变形的关系,提出既有盾构隧道附加土压力与隧道变形的解析计算方法。该计算方法不仅考虑隧道穿越土层、上覆土层、下卧土层的物理力学性能,而且考虑盾构隧道的横断面变形刚度。通过工程案例对提出的计算方法进行验证性分析。结果表明:从隧道椭圆度来看,解析计算结果与现场实测结果吻合较好;从隧道周围附加土压力以及隧道上覆土层中的附加竖向土压力来看,提出的附加土压力与隧道变形的解析计算方法可行,计算过程简化合理。对比分析是否考虑竖向相对挤压对应的2种隧道周围附加土压力模式表明,考虑竖向相对挤压附加土压力模式时的隧道变形更大。     

有限土体土压力理论在兰州地铁1号线工程中的应用研究

针对典型砂卵石地层条件下地铁车站基坑与邻近构筑物间形成的有限土体,从有限土体土压力的形成机理出发,通过解析法建立能完全反应土体受力状态的有限土体土压力计算模型,提出考虑土体黏聚力影响的有限土体临界宽高比与临界宽度修正模型,明确有限土体临界宽高比主要介于0.55~0.65,基本不受基坑开挖深度的影响,明确了有限土体临界宽度与基坑开挖深度成线性关系,基坑开挖深度越大,有限土体土压力与经典土压力之间的差异越明显,深度≥10 m的超深基坑必须考虑有限土体土压力的作用,有限土体土压力能有效减少基坑围护结构内力与配筋,精细化设计有利于控制工程造价。