高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

高地应力区软岩隧道地质条件复杂,使软岩隧道变形控制难度加大。以某一工程实例为对象,运用MIDAS/GTS软件建立了软岩公路隧道模型,分析了不同侧压力系数下对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。研究结果表明:随着侧压力系数的增大,隧道围岩水平位移由向隧道外挤压变形转化为向隧道内收敛变形,K值在0.5~0.75时,存在一个水平位移零点,最终水平变形量为0;对于隧道竖向位移变形,当侧压力系数小于1时,隧道最大竖向位移出现在拱顶处。当侧压力系数大于1时,上拱变形加强,但整体依然表现沉降变形,隧道最大竖向位移出现由拱腰转移到拱间处。K值在1附近时,隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等,可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。     

平移模式下挡土墙墙背土侧压力系数的计算

根据库仑土压力理论中墙背滑动楔体整体达到静平衡的基本原理，假定沿墙高方向，土与墙背的摩擦角均达到极限值，从墙背处土体主应力偏转的应力状态分析出发，得到墙背处的主应力偏转角和土侧压力系数的计算公式；把土侧压力系数用于水平层分析法，建立了竖向土压力的基本方程，求解该方程，导出了挡土墙主动土压力、土压力合力及其作用位置的理论公式。经比较，该方法与其他方法对土侧压力系数的计算结果基本一致，所得的挡土墙主动土压力计算结果与模型试验结果也较为吻合。     

土体参数对盾构隧道衬砌与土体共同作用影响分析

为了解决在盾构隧道结构分析中土与结构共同作用如何有效考虑的问题,借鉴连续介质模型的组成体系与加载方式,基于数值分析的方法建立土与隧道共同作用的计算模型,其中管片接头的转动刚度非线性与衬砌三维拼装效应均被考虑,计算结果与模型试验结果吻合良好。针对侧压力系数和土体刚度展开参数分析,研究结果表明:1)随着侧压力系数和土体刚度的减小,衬砌椭圆化变形增加,同时衬砌拱顶弯矩增加,纵向接头的相对转动主导了衬砌的椭圆化变形;2)随着侧压力系数的增加,土体高应力分布区由拱顶月牙形朝环周均匀分布转变,拱腰侧低应力区逐渐消失,同时隧道椭圆化变形趋于0;3)土体刚度对土体应力分布改变影响较小,但随着土层刚度的增加,衬砌环周应力条件被明显改善,拱顶的椭圆化荷载同样有朝环周均布荷载转变的趋势。     

砂土地层盾构隧道开挖面土体应力状态分析

结合南京某越江隧道工程,建立了模拟盾构隧道开挖面失稳过程的数值模型,研究了越江盾构隧道开挖面失稳过程中土体应力变化以及由土体应力重分布引发的土拱效应。研究表明： 沿埋深由下至上,土体竖向应力随开挖面位移的增大先减小后保持不变,水平应力先减小后略微增大; 土体侧压力系数沿埋深由下至上先增大后减小; 随开挖面位移增大,开挖面前方局部土体竖向应力和水平应力同时减小,形成失稳破坏区; 失稳破坏区上部土体竖向应力减小,水平应力增大,形成拱顶区; 失稳破坏区四周土体竖向应力增大,水平应力减小,形成拱脚区,土拱效应逐渐发挥。     

围岩侧向压力对隧道稳定性的影响研究

围岩侧压力是否对隧道稳定性产生影响,不同的理论有不同结论。轴比论观点认为,洞室形状一定时,竖向压力和水平方向的围岩压力比值和隧道洞室的稳定性密切相关。然而,有限元强度折减法计算结果则表明,泊松比(对应不同侧压力系数)与隧道的安全系数大小无关。显然,这一结论与轴比论不符,也与实际不符。以某扁平隧道作为算例,采用改进的强度折减法计算不同泊松比对应的破坏形态及安全系数,计算结果表明:泊松比对隧道的破坏形态及安全性有影响,侧压力越大,则越容易发生边墙破坏;侧向压力越小,则越容易发生拱部破坏。     

基于地层损失的盾构隧道土压力非线性解析方法

针对盾构隧道结构在层状不均匀地层中承受的土压力荷载问题,根据调用强度设计(MSD)原理考虑土体非线性硬化特征,并采用Peck公式对应的土体位移场模式,提出施工不排水条件下盾构隧道结构周围土压力与开挖致地层位移势能的平衡方程,建立改进的隧道结构土压力非线性计算模型,并得到隧道上覆土体为均匀地层和层状不均匀地层2种工况下土压力荷载与地层损失率之间的非线性相关关系。将该计算方法应用于上海地区地铁隧道的土压力荷载计算,详细分析了应力释放系数与地层损失率之间的非线性相关关系,对均匀地层条件下不同的隧道覆土深度、土体强度、土体卸载模量以及侧压力系数进行了参数分析,并对上覆双层地层条件下不同的地层相对刚度、地层相对强度以及双层地层的相对空间位置关系进行了参数分析。结果表明:隧道开挖导致的地层损失对土压力荷载的计算结果具有显著影响,地层应力释放系数随地层损失率的增长呈现较为明显的非线性特征;在均匀地层中,地层刚度对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响较为显著;在层状不均匀地层中,地层相对厚度及地层相对位置对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响同样十分显著。     

Lade-Duncan准则下的土拱效应原理计算方法分析

现行挡土墙主动土压力计算方法未考虑土拱效应的影响,因而不能全面地反映土体的三维受力特性对挡土墙土压力的影响。根据Lade-Duncan准则在平面应变状态下的表达式,推导了考虑土拱效应影响的挡土墙后侧向主动土压力系数公式及土体竖向平均应力分布公式,得出挡土墙后主动土应力计算理论。结果表明:基于Lade-Duncan准则考虑土拱效应计算的主动土压力较不考虑土拱效应计算的结果偏小,更接近试验结果和实际情况。     

不同应力场软弱围岩隧道施工力学特征的数值分析

岩体内部的初始应力及隧道开挖后的围岩应力是隧道工程的关键影响因素,为了更全面地了解不同应力场软弱围岩公路隧道施工的力学特征,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析,并对衬砌结构的受力特征进行深入研究.结果表明:不同应力场决定了隧道施工过程中围岩塑性区的大小和位置,这也就决定了隧道施工中重点监控的位置;在不同应力场隧道开挖完成后,拱上20 m水平面围岩竖向位移、拱上中心线围岩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明显增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而明显减小;应力场对衬砌结构的内力影响很大.     

软基上埋式箱涵土压力的离心模型试验研究

为考察软基上埋式箱涵受力特性,通过离心模型试验,研究了其竖向和侧向土压力、土压力系数随填土高度变化的规律及周围填土位移场的变化情况.试验结果表明,使用桩基的箱涵与两侧路堤产生了显著的差异沉降,并在涵洞处形成了驼峰;内外土柱差异沉降在路堤中形成了拱脚位于涵顶两侧的上凸压力拱,并使拱脚处竖向土压力集中,且竖向土压力系数随路堤填筑呈开口向下的抛物线分布,在某一涵顶路堤高度下达最大值;同时,随涵顶路堤填筑,涵洞侧向土压力和侧向土压力系数增加,由于涵侧路堤以沉降为主的位移模式与挡土墙后填土不同,涵洞侧向土压力小于现行规范值.软基上路堤、涵洞和地基的协同作用分析表明,传统的强涵基、弱地基的设计理念将使涵顶竖向土压力集中,并导致结构失效.为降低涵洞结构破坏风险,建议采用轻质填料填筑涵顶、涵洞反开挖施工和结构设计考虑涵顶竖向土压力集中等措施.     

黄土公路隧道衬砌受力特性测试研究

通过对浅埋黄土公路隧道衬砌受力现场测试,研究了隧道衬砌围岩压力、钢花拱轴力和二次衬砌混凝土应变随时间变化以及不同位置分布情况。结果表明:拱部和边墙围岩压力先是增大后减小然后趋于稳定,隧道周围土体有局部坍塌的可能,按实测值推算的竖向围岩压力小于按已有公式计算的值,钢花拱轴力稳定较快且以受压为主,二次衬砌和仰拱的承载作用并不明显。     

软土深部盾构开挖地层损失率对软土土拱效应的影响分析

盾构在软土深部地层进行主动开挖时,开挖所采取的地层损失率差异,会使得深部地层土体产生不同的位移以及应力变化,从而对软土深部地层的主动土拱效应产生差异影响。通过调整计算模型中的主动开挖土体范围,设定7种不同的地层损失率,建立地层损失与软土主动土拱效应比例之间的对应关系。通过分析可得： 1）盾构在4倍直径埋深条件下进行主动开挖时,在隧道上方1~2倍直径范围内形成主动土拱作用区域; 2）主动开挖所采取的地层损失率越大,开挖后拱顶处所受到的主动土压力荷载越小,土拱效应发挥越充分,且当地层损失率到达一定值时,盾构开挖所产生的主动土拱效应比例逐渐趋近于稳定临界值。     

盾构隧道接缝漏损诱发水土流失模型试验及离散元分析

盾构隧道接缝漏损是诱发地面塌陷的主要因素,掌控水土流失发展规律是规避地面塌陷风险的基础和前提。基于临界漏缝宽度,针对不同漏缝位置、不同覆土深度、不同上覆水位高度进行砂土沉降规律及孔隙水压力变化规律影响因素的模型试验分析,并设计一套渗流示踪装置探究渗流场的分布情况及其流线轨迹变化规律。试验结果表明：距离漏缝竖向距离越近的砂层沉降越明显,坍塌范围由隧道漏缝周围逐渐向上扩散至地表,砂层位置越高,沉降槽越宽,由深“V”形态、浅“V”形态向“高斯曲线形态”发展。漏缝越靠近拱底,砂土表面沉降越小,孔隙水压力消散值越小;覆土深度越高,砂土沉降越小,扰动范围越窄,孔隙水压力消散值越大;上覆水位高度越高,砂土沉降越大,扰动范围越宽,孔隙水压力消散值越大。示踪流线为一系列圆弧线,5条流线均向漏缝位置流动,距离漏缝较远处水的流动速度慢,导致流线变长,示踪流线向下发展将加速贯通至漏缝流线形成。此外,通过构建隧道-砂土离散元数值模型,对渗流侵蚀过程中的砂土成拱效应及位移演变规律进行分析,揭示了盾构隧道周围砂土颗粒迁移及损失对周围环境的细观尺度影响。离散元分析表明：在接缝未发生漏损时,没有产生渗流侵蚀通道,接缝周...     

考虑土拱效应的边坡桩间土钉墙受力计算

边坡抗滑桩桩间土拱效应对桩间土钉墙各部分的受力及土钉的设计长度有重要影响,然而现阶段多依个人或者设计单位经验对桩间土钉墙各部分的受力进行计算,对土钉长度进行设计,以上传统的受力计算及土钉设计方法均未充分考虑土拱的影响,使得土拱在工程运用中受到了限制。为了推广土拱在工程中的运用,首先描述土拱形状,继而深入研究土拱对桩间土钉墙各部分受力的影响,提出了基于土拱效应桩间土钉墙受力计算方法和土钉长度设计方法,此受力计算方法认为：土钉墙的受力取拱前土体主动土压力或剩余下滑力两者中的较大者,抗滑桩的受力为拱后土体剩余下滑力与土钉墙受力之和,土钉长度设计中土钉自由段和锚固段的分界线为土拱迹线。继而结合巴（中）达（州）铁路堑坡,通过数值模拟描述土拱形状,计算土拱影响下不同截面处抗滑桩和土钉墙的受力,并结合土拱形状对土钉长度进行设计,与不考虑土拱效应时受力计算结果和土钉长度设计结果进行对比。研究结果表明：考虑土拱效应较不考虑土拱效应时,抗滑桩纵断面受力明显增大,增幅大于11%,土钉墙纵断面受力明显减小,减幅大于12%,土钉用量节省接近13%,充分说明考虑土拱效应确实对抗滑桩受力、土钉墙受力和土钉设计长度造成较大影响。     

土压平衡盾构施工地铁引起的地表沉降分析

以深圳地铁五号线的盾构施工为工程背景,对洪浪站-兴东站区间盾构隧道的施工进行了监控量测,根据实测数据,对土压平衡盾构法隧道施工引起的土体变形特性进行了分析,研究了地表沉降过程及其分布规律,结合理论研究与三维数值计算,将有限元模拟结果与实测数据进行对比,二者吻合程度较好。     

盾构在砂卵石地层中掘进应用土体改良的技术

在成都砂卵石地层中进行盾构施工,由于砂卵石中卵石的强度很高,对盾构机刀盘、刀具的磨损相当大;同时由于砂卵石地层土质级配的不均匀,刀盘及土舱内结泥饼,螺旋机进土口的大颗粒卵石的骨架(骨架拱)效应,直接影响到土压平衡的有效建立,以致盾构在掘进过程中超挖,严重影响隧道沿线周边环境及施工进度。该文重点介绍了成都地铁1号线盾构1标区间隧道施工过程中采用的土体改良技术措施,从而消除了由于砂卵石地层的特殊性质造成的不利因素,保证了工程的顺利进行及周边环境的安全。     

考虑土拱效应的土钉墙内部竖向平均应力分析

土钉支护模型多被简化为平面应变问题,土钉间沿竖向土拱效应成了主要的考虑因素。若考虑问题的空间性,则可建立基于水平土拱效应的钉土相互作用理论。在土钉墙内部应力分析中,将竖向平均应力作为重要的一个方面,可通过给定有限的假设得到解析解。基于水平土拱原理推导了竖向平均应力和水平平均应力的计算式,并通过实例进行了讨论。     

考虑土拱效应的双排抗滑桩桩侧土压力计算

分析了双排抗滑桩结构承载的最不利状态.首先考虑纵向桩间土拱成拱机理,利用土拱抛物线拱轴线的几何特征及拱脚处的力平衡及应力状态,导出作用于双排桩桩侧的坡体土压力分布;然后针对双排抗滑桩桩间土体有限边界特点,通过对桩间土不同区域分别采用薄层单元法对土压力的分布模式进行求解,导得桩间土作用于双排抗滑桩桩侧土压力分布,由此得出...     

基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究

针对成都轨道交通17号线一期工程土压平衡盾构法施工在砂卵石地层中遇到的难题，如螺旋输送机喷涌导致开挖面压力失控、卵石堆积于压力舱底部滞排等，采用膨润土和泡沫剂等对现场砂卵石进行室内渣土改良试验。结果表明： 1)改良剂的优化配比膨润土掺入质量比为5%，泡沫掺入体积比为10%~30%，即可使渣土的坍落度、和易性、抗渗性均保持良好，达到塑性流动状态。2)以渣土的坍落度在150~200 mm且无离析为改良的前提条件，以最小膨润土使用量为优化目的，建立砂卵石渣土坍落度与改良剂膨润土和水掺入量之间的三维曲面图，根据离析与非离析区域边界确定膨润土泥浆最经济的膨水比为1∶6。将试验结果应用于该工程的砂卵石地层土压盾构工程实践，掘进效率以及盾构工作的安全性得到显著提高。     

基于透明土的盾构隧道突水涌砂灾变发展试验研究

针对饱和砂土地层盾构隧道施工中的突水涌砂灾害问题，以上海市轨道交通某盾构区间为研究背景，将自主研制的灾变可视化试验模型与透明土技术相结合，对砂土地层隧道顶部结构破损灾变过程的土体流动形态、土颗粒位移速度场进行试验研究。结果表明： 1)盾构隧道突水涌砂灾害发生后，隧道裂隙孔口上方部分区域的土颗粒密实度减小，砂土发生剪切破坏。2)在灾变前期，土颗粒竖向位移场呈椭圆状等值线分布，颗粒位移速度随与隧道中心水平距离的增加而非线性地衰减，当隧道埋深为2D（D为隧道直径）时，水平向影响范围为3D。3)随着灾变的发展，土颗粒位移速度先增大后减小，涌入隧道内的砂水混合物中土颗粒的体积分数占比持续减少，最大程度地还原了隧道突水涌砂后期的灾变现象。