各向异性地基中盾构隧道开挖面稳定性分析

将盾构开挖面卸荷引起的主应力轴旋转考虑到"楔形体-棱柱体"极限平衡模型中,基于Casagrande各向异性强度公式,推导得到各向异性地基中盾构开挖面极限支护压力的极限平衡解,最后结合算例分析了各计算参数对极限支护压力的影响。算例分析表明:盾构开挖面极限支护压力随各向异性比的增大而线性减小,在各向异性比小于1时,若不考虑土体强度的各向异性会偏于不安全;在各向异性比大于1时,盾构开挖面极限支护压力随埋深比的增大而先减小后稳定,在各向异性比小于1时,规律则相反,且土体强度各向异性越明显,其变化的幅度越大;盾构开挖面极限支护压力随土体黏聚力的增大而线性减小,随土体内摩擦角的增大而非线性减小。     

盾构隧道开挖面稳定研究进展

在复杂地质条件下,盾构隧道开挖面失稳可导致地表沉降过大,从而破坏地表建(构)筑物及地下管线.通过微观破坏分析模型、塑性极限分析模型及楔形体极限平衡模型对盾构隧道开挖面稳定的理论研究现状进行了详述,并指出了今后应深入研究的几个重点:应考虑水土耦合作用;应考虑开挖面地层的变异性;应考虑掘进参数对开挖面稳定性的影响;应加强研究进出洞的切口压力控制.分析结果为完善盾构隧道开挖面稳定理论及指导现场实践提供了有益的方向.     

盾构隧道开挖面稳定研究进展

在复杂地质条件下,盾构隧道开挖面失稳可导致地表沉降过大,从而破坏地表建(构)筑物及地下管线.通过微观破坏分析模型、塑性极限分析模型及楔形体极限平衡模型对盾构隧道开挖面稳定的理论研究现状进行了详述,并指出了今后应深入研究的几个重点:应考虑水土耦合作用;应考虑开挖面地层的变异性;应考虑掘进参数对开挖面稳定性的影响;应加强研究进出洞的切口压力控制.分析结果为完善盾构隧道开挖面稳定理论及指导现场实践提供了有益的方向.     

砂土地层盾构隧道稳定性三维离散元研究

为探明砂土地层盾构隧道掌子面的稳定性,以Chambon和Corté开展的模型试验为基础,采用三维离散元方法研究了隧道埋深对隧道掌子面稳定性的影响规律,并从细观角度解释了开挖面失稳机理.离散元模型引入了三维柔性应力边界,将模型试验中空气或流体压力对掌子面的支撑效应抽象为作用在掌子面颗粒上的指定支护压力,逐步减少该压力,结合地层变形精确得到极限支护压力.通过删除进入隧道轮廓内的砂土颗粒模拟盾构开挖,以考虑该施工力学行为对掌子面稳定性的影响.研究结果表明:隧道埋深与隧道直径之比小于等于1.0时,掌子面极限支护压力随埋深增加而增加,此后趋于稳定,砂土地层中极限支护压力比随埋深增加而减少,地表沉降突增点对应的支护压力小于掌子面极限支护压力,失稳区直接发展到地表,工程中应同时关注地表沉降与仓内支护压力以保证开挖面稳定;隧道埋深与隧道直径之比大于等于2.0时拱顶上方形成了稳定的塌落拱,延伸高度分别约为0.7D（隧道直径）~1.3D与0.9D~2.3D.      

浅埋盾构穿越渗透性地层时极限支护压力分析

基于半承压水模型综合考虑土压盾构穿越渗透性地层时覆土层及下卧层的渗透性,推导了盾构穿越层中沿掘进方向的水头分布的解析解,将其与现有的二维渗流场的解析解结合扩展为相应的三维近似解. 同时采用数值仿真得到稳态渗流条件下浅埋渗透性地层的主、被动破坏模式,建立了相应的柱体+弧形转角体模型,将前述三维渗流场引入该模型,通过力矩平衡法得到了相应两种极限状态下开挖面支护压力的计算公式,与既有结果进行对比,此计算方法更接近数值解. 研究发现:施工对开挖面前方渗流场的扰动基本局限在3倍洞径以内,主、被动极限支护压力的值随水头差的增大均线性增加,盾构直径和水头差是影响主动极限支护压力的主要因素,拱顶埋深与盾构直径是影响被动极限支护压力的主要因素,实际施工过程中,支护压力值应尽可能接近水土分算下的土体原始地层侧压力值,并在其附近（最好在其上方）小幅度波动,波动范围应以变形控制标准为依据.      

饱和砂层泥水平衡盾构隧道开挖面稳定研究

饱和砂层盾构隧道掘进过程中,不当的开挖面支护可能导致开挖面坍塌或挤出破坏.为保证开挖面稳定,压力泥浆通常用来平衡开挖面上的土压力和水压力.因为压力仓中的泥浆压力大于地层中的静水压力,泥浆会向开挖面周围地层入渗.在这种情况下,部分有效支护力转化为超孔隙水压力,导致开挖面上的有效支护压力减小,从而降低开挖面的稳定性.因此,设计支护压力时必须考虑泥浆入渗作用和超孔隙水压力的影响.另外,地层成层情况也会影响开挖面稳定性.结合饱和砂层盾构掘进引起的超孔隙水压力计算模型和室内泥浆入渗试验结果,分析泥浆入渗和超孔隙水压力对开挖面稳定的影响,并讨论地层的分层情况和开挖面水力梯度对开挖面微观稳定的影响.研究结果表明:在设计支护压力必须附加额外压力以弥补泥浆入渗过程中有效支护压力的损失;通过对比均质承压水层和半封闭承压含水层中开挖面上的水力梯度发现,相较均质承压含水层而言,盾构隧道在半封闭承压含水层中掘进时开挖面更加稳定;在没有泥浆支护的情况下,开挖面上的水力梯度很难维持开挖面上土颗粒的稳定,因此建议压力泥浆用于饱和砂层盾构隧道开挖面支护.     

砂土地层盾构隧道稳定性三维离散元研究

为探明砂土地层盾构隧道掌子面稳定性,以Chambon和Cone开展的模型试验为基础,采用三维离散元方法研究了隧道埋深对隧道掌子面稳定性影响规律,并从细观角度解释了开挖面失稳机理.数值模型引人3维动态柔性应力边界,将模型试验中空气或流体压力对掌子面的支撑效应抽象为作用在掌子面颗粒上的指定支护压力,逐步减少该压力并结合地层变形精确得到极限支护压力.通过删除进人隧道轮廓内的砂土颗粒模拟盾构开挖,考虑该施工力学行为对掌子面稳定性的影响.研究结果表明,ClD}1.0时掌子面极限支护压力随埋深增加而增加,此后趋于稳定.砂土地层中极限支护压力比随埋深增加而减少.地表沉降突增点对应的支护压力小于掌子面极限支护压力,工程中应同时关注地表沉降与仓内支护压力以保证开挖面稳定.C/D小于等于1.0时,失稳区直接发展到地表,C/D大于等于2.0时拱顶上方形成了稳定的塌落拱,延伸高度分别约为0.7D~1. 3D与0.9D~2.3D.     

偏压隧道大变形对岩石力学参数敏感性分析

片岩偏压隧道开挖过程中产生大量大变形问题,严重影响工程进度。为了给隧道围岩稳定性分析及支护设计提供必要的围岩力学参数选取依据,采用数值模拟方法,研究了隧道变形对围岩力学参数(弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角)的敏感性。     

土钉支护强度比与类粘聚力关系试验研究

求解边坡土体的强度稳定性等问题的理论基础主要源于如朗肯、库伦土压力理论、屈斯卡、米泽斯、莫尔-库仑理论、塑性力学的极限理论等等,随土体条件的变化,一些理论又进行修正和演绎以得到对问题的更接近或更为准确的解释。鉴于此,对边坡基坑工程稳定性研究借用相应的描述参数,提出类内聚力、类破裂角等参量,寻找土钉支护的强度比与大主应力、类粘聚力、类破裂角的关系,以试验数据得到了一定土体在土钉支护下变量之间的回归公式,可以作土钉支护工程对滑裂面的预估。     

含水量对非饱和黄土强度的影响(英文)

将非饱和土基质吸力对土体强度的贡献等效为小主应力增量,通过分析土体极限应力莫尔圆的几何图形,求得小主应力增量,并认为土体在破坏时处于极限状态,提出了粘聚力和内摩擦角同时变化时的土体强度计算方法,得到了强度参数随含水量变化的函数关系式,研究了非饱和黄土破坏时大主应力随含水量变化的关系曲线。分析结果表明:计算曲线与试验曲线的变化规律相同,随着含水量的增大,大主应力计算值和实测值的差异越来越小,其相对误差最大值为11.63%,最小值为1.59%,说明该计算方法是可靠的;随着含水量的增大,当粘聚力和内摩擦角同时变化时,大主应力计算值较小,当仅有内摩擦角变化时,大主应力计算值较大,两者相差1.26～2.17倍,说明含水量的变化对非饱和黄土的强度有显著影响。     

无衬砌浅埋隧洞松散压力的数值分析法

将极限平衡理论和弹塑性理论相结合,利用ANSYS和FLAC3D数值分析软件来计算浅埋隧道松散压力。计算时先将土体强度参数进行折减,隧道开挖后不做衬砌,在拱顶施加与重力方向相反的节点力,通过调整施加的反力大小使隧道处于破坏极限状态,即极限平衡状态;通过软件是否收敛来判断隧道是否破坏。该方法考虑了土体材料的特殊性,有严格的力学依据,计算结果与实际情况更加接近,为求解浅埋隧道松散压力提供了一种新的方法。     

放坡条件下有限土体主动土压力计算

通过极限平衡法推导了放坡条件下有限土体主动土压力计算公式,基于该公式分析了不改变有限土体宽度与基坑深度的比值(b/H),但改变基坑大小的情况下,对剪切面破裂角无影响,且有限土体主动土压力与基坑深度的平方成正比关系。改变边坡坡角,随着b/H的值增大,剪切破裂角及有限土体主动土压力会趋于一定值,且该计算公式适用范围与边坡坡角无关,与内摩擦成负相关。     

降雨条件下明挖隧道回填土的堆载稳定性分析

对于覆土明挖隧道,回填土的堆载稳定性是评价隧道整体稳定性的关键指标之一。以徐州某临坡明挖隧道为研究对象,通过MIDAS GTS NX软件建立隧道回填土边坡计算模型,计算开挖隧道结构与坡脚所处不同距离时,施工隧道上覆盖填埋土体厚度、降雨环境等条件影响下的覆盖土体边坡位移量。计算表明,距离坡脚较远处开挖隧道,边坡水平位移量较大,且在坡脚和坡顶处的竖向位移较大;随着人工填土厚度的增加,边坡的水平位移和竖向位移皆变大;降雨后土体在水平和竖直方向的位移皆变大。工程中应重视雨季施工回填土堆载的稳定性监测,做好相应预防措施。     

基于三台阶七步开挖法的三车道公路隧道 极限位移研究

为确定实际工程中大跨度隧道的变形基准,结合特征曲线法讨论了公路隧道极限位移的定义,给出基于三台阶七步法的初期支护极限位移确定方法;找出极限状态下各控制点的位移关系,即预警位移、容许位移和极限位移;基于三车道隧道设计洞形,采用连续体弹塑性有限元模 型,按同一围岩级别中的物理力学参数分位值组合计算,分析了不同埋深条件下的三车道初期支护极限位移,并进行t 分布统计,得出基于工法的三车道公路隧道初期支护相对极限位移基准值;对比分析同一围岩、同种工法在不同埋深及相同埋深条件下,隧道围岩表面的位移变化规律;研究同种工法、相同埋深条件下,弹性模量、黏聚力、泊松比、内摩擦角与位移曲线的关系;对比分析基于三台阶七步开挖法的现场监测数据,得出围岩变形的规律基本上符合计算结果的判断,即该方法的合理性得到验证。     

基于三台阶七步开挖法的三车道公路隧道极限位移研究

为确定实际工程中大跨度隧道的变形基准,结合特征曲线法讨论了公路隧道极限位移的定义,给出基于三台阶七步法的初期支护极限位移确定方法;找出极限状态下各控制点的位移关系,即预警位移、容许位移和极限位移;基于三车道隧道设计洞形,采用连续体弹塑性有限元模型,按同一围岩级别中的物理力学参数分位值组合计算,分析了不同埋深条件下的三车道初期支护极限位移,并进行t分布统计,得出基于工法的三车道公路隧道初期支护相对极限位移基准值;对比分析同一围岩、同种工法在不同埋深及相同埋深条件下,隧道围岩表面的位移变化规律;研究同种工法、相同埋深条件下,弹性模量、黏聚力、泊松比、内摩擦角与位移曲线的关系;对比分析基于三台阶七步开挖法的现场监测数据,得出围岩变形的规律基本上符合计算结果的判断,即该方法的合理性得到验证。     

挡土墙后曲面滑裂面下黏性土主动土压力计算

为了研究挡土墙后土体滑裂面的形状并计算土压力,建立了挡土墙后黏性填土滑动楔体达到极限平衡状态时的静力平衡方程.采用变分学方法求解滑裂面曲线方程和主动土压力的计算公式,得到土体滑裂面曲线为一对数螺旋线.将主动土压力计算值与库仑主动土压力、工程实测值分析对比.结果表明,计算所得的主动土压力值比广义库仑理论的计算值大5.37%,且与工程实测值较为接近.最后分析了挡土墙及墙后填土各参数对曲面滑裂面下的主动土压力值的影响,可知填土的黏聚力和内摩擦角是影响土压力值的关键参数.     

水下隧道开挖面三维渗流场解析及涌水量预测分析

开挖面前方地层水压力及渗水量值是水下隧道工程重要参数,也是开挖面支护力设计、超前堵水加固参数设计的重要指标. 针对以往二维渗流模型分析水下隧道开挖面前方三维渗流场的局限性问题,首先,建立考虑开挖面前方渗流等势面为空间曲面的水下隧道三维渗流解析模型;其次,推导以开挖面所在平面为分界线的全部未开挖区半地层空间的水头分布函数,得出开挖面渗水量及前方地层孔隙水压力计算公式;最后,分析超前加固厚度、土体与超前加固渗透系数相对值等因素对开挖面前方水压力及渗水量的影响. 分析结果表明:与以往考虑开挖面正前方为二维渗流场的理论模型相较,三维解析模型能更好地反映开挖面前方空间渗流形态,且涌水量与水压力计算结果误差在5%以内;当掌子面前方加固范围为2倍洞室直径,超前加固区与地层相对渗透系数取值50,为安全合理的超前堵水加固参数.      

地铁出入口浅覆土矩形顶管工程地表隆起研究

针对浅覆土矩形顶管施工时存在地表隆起过大的风险，应用MIDAS GTS岩土数值软件动态模拟大口径矩形顶管掘进施工过程，探究其在不同覆土厚度、开挖面顶进压力、摩擦阻力下引起的地表隆起规律，并与现场监测数据进行对比分析.结果表明：顶管顶进时地表监测点的隆起规律与数值计算结果基本吻合；顶管开挖面顶进压力、管节与地层的摩阻力引起的地表隆起在开挖面附近叠加达到峰值；地表的隆起峰值随覆土厚度的减小而线性增加，当开挖面顶进压力为100 kPa、管节摩阻力为35 kPa时，顶管覆土厚度每减小0.1H (H为矩形顶管高度)，地表隆起峰值增大约6.00 mm；浅覆土顶管地表隆起随顶进压力和管节摩阻力的增长规律可分为缓慢增长阶段和非线性快速增长阶段；为降低浅覆土顶管工程上覆土被顶破的风险，需要合理控制开挖面顶进压力及其波动、在管节外周形成厚度均匀的减摩泥浆套，确保地层稳定和顶管工程的安全.     

基于有限元强度折减法的土岩二元坡的稳定性分析

利用有限元强度折减法,对岩土混合型边坡进行稳定性分析,对坡体的上覆土体进行开挖卸荷,分析不同的开挖形式下上覆土体开挖卸荷后的坡体稳定性。对上覆土体分别进行坡率开挖和平行开挖,计算结果显示,按坡率开挖时,随着坡率的增加,坡体安全系数增加,按平行开挖时,开挖到一定方量后,上覆土体的开挖对坡体的稳定性没有影响。根据坡率开挖和平行开挖的两种开挖形式,从开挖量分析,对坡体上覆土体进行综合开挖卸荷,计算结果显示坡率为0.9∶1的综合开挖形式对坡体的安全系数影响最大。对于岩土质边坡,土体的开挖卸荷形式对坡体的影响很大,可根据实际工程灵活运用。     

冻融循环作用对桩锚支护深基坑的土体材料强度参数影响试验研究

季节性冻土地区的土材料在冻融循环作用后的强度参数对深基坑支护体系的安全性影响显著。在季节性冻土地区深基坑支护稳定性设计和施工中,考虑冻融循环作用后的土材料抗剪强度具有一定的实际意义。采用直剪试验方法对冻融循环作用前后土材料强度参数进行研究,绘制剪应力与剪切位移关系曲线,抗剪强度与垂直压力关系曲线,结合强度曲线计算得到内摩擦角及黏聚力。分析表明:冻融循环结束后,土体的最大剪应力比冻融循环前降低;土体的抗剪强度参数,内摩擦角在冻融循环作用结束后减小,黏聚力有所增加。