盾构隧道施工引起的超孔隙水压力变化规律研究

对现场实测盾构隧道施工引起的孔隙水压力值进行分析研究,总结出超孔隙水压力产生和消散的规律。在国内外流固耦合计算调研基础上,建立能够模拟盾构隧道动态掘进的三维弹塑性固结有限元模型。采用该模型对单条盾构隧道施工引起的超孔隙水产生和消散规律以及土体固结沉降规律进行充分研究,其结论与现场实测规律一致,也证明本文所建立的盾构隧道三维弹塑性固结耦合有限元模型的适用性,并总结得出近间距盾构隧道在淤泥质粘土和粉质粘土中的合理开挖面间距。     

盾构隧道开挖引起地表固结沉降的数值模拟

ANSYS12.0中的Cpt215单元在Solid45单元的基础上,加入了节点水压自由度,使得土体渗透问题可以脱离传统的热量传递问题直接进行数值模拟。Biot从连续介质的基本方程出发,推导出了能准确反映孔隙水压力消散与土体骨架变形相互关系的三维固结方程。基于Biot三维固结理论,利用ANSYS12.0的CPT215单元,对盾构隧道开挖引起的超孔隙水压力的消散过程进行数值模拟,并研究由于超孔隙水压力消散引起的地表固结沉降。基于上海地铁2号线的开挖,将数值模拟的结果与实际监测到的规律进行比较(包括超孔隙水压力的消散过程和地表固结沉降历程),对超孔隙水压力区域数值、消散过程、地表固结沉降历程等进行分析。     

软粘土中挤土桩桩周土重固结沉降计算分析

挤土桩在沉桩过程中,由于挤土效应将引起桩周土体产生较高的超孔隙水压力,随着桩周土体中孔隙水压力的缓慢消散,土体会出现较大的重固结沉降,对周围的建筑物产生不利影响。由于软粘土中挤土桩的重固结沉降包含有几何非线性和材料非线性又涉及三维的渗流固结问题,计算较为复杂。基于AD INA有限元程序和三维B iot固结有限元理论,定义桩周土为多孔介质材料,按照圆柱形空腔体扩张理论来模拟沉桩过程,分析了打桩完成后粘性土超孔隙水压力的消散和桩周土随时间固结沉降情况,得出了一些初步成果。并与软粘土中某挤土桩工程的地表实测沉降结果进行了比较,结果表明,考虑弹塑性本构关系和三维渗流固结的有限元模型能较好地模拟挤土桩重固结沉降过程,为挤土桩的进一步研究奠定基础。     

软粘土中挤土桩桩周土重固结沉降计算分析

挤土桩在沉桩过程中,由于挤土效应将引起桩周土体产生较高的超孔隙水压力,随着桩周土体中孔隙水压力的缓慢消散,土体会出现较大的重固结沉降,对周围的建筑物产生不利影响。由于软粘土中挤土桩的重固结沉降包含有几何非线性和材料非线性又涉及三维的渗流固结问题,计算较为复杂。基于ADINA有限元程序和三维Biot固结有限元理论,定义桩周土为多孔介质材料,按照圆柱形空腔体扩张理论来模拟沉桩过程,分析了打桩完成后粘性土超孔隙水压力的消散和桩周土随时间固结沉降情况,得出了一些初步成果。并与软粘土中某挤土桩工程的地表实测沉降结果进行了比较,结果表明,考虑弹塑性本构关系和三维渗流固结的有限元模型能较好地模拟挤土桩重固结沉降过程,为挤土桩的进一步研究奠定基础。     

广州南沙深厚软基段盾构隧道长期沉降计算

为解决盾构隧道沉降预测现有计算方法考虑因素单一、以短期预测为主等问题,提出在软土固结和流变共同作用下的隧道沉降简化计算方法，并通过实际工程案例进行验证。首先，利用Merchant流变模型和太沙基-伦杜立克二维固结理论构建固结-流变耦合模型,该模型将盾构隧道的长期沉降分为2部分： 超静孔隙水压力消散引起的主固结沉降和土体流变引起的次固结沉降;然后，考虑地表荷载、土层性质、结构自重以及列车荷载等因素对沉降计算的影响，求解出隧道长期沉降解析式;最后，选取新建盾构隧道3个典型断面，利用该解析方法对隧道的长期沉降进行预测，并对超静孔隙水压力消散时间、沉降速率及最终沉降量进行对比分析。结果表明： 1）运营初期，隧道周围土体超孔隙水压力的消散速度较快，尤其是在最初的2年内最为明显；随着时间的推移，各断面的消散速度逐渐趋于稳定。2）盾构隧道的长期沉降与下卧土层的性质有关;下卧土层厚度越大，性质越差，所产生的沉降量越大;断面1、2、3最终沉降预测值分别为146.8 mm、97.6 mm和46.1 mm。     

软粘土中挤土桩桩周土重固结沉降计算分析

针对软粘土中挤土桩的重固结沉降包含有几何非线性和材料非线性三维渗流固结问题,基于ADINA有限元程序和三维Biot固结有限元理论,定义桩周土为多孔介质材料,按照圆柱形空腔体扩张理论模拟了沉桩过程,分析了打桩完成后粘性土超孔隙水压力的消散和桩周土随时间固结沉降情况,并把分析结果与软粘土中挤土桩工程的地表实测沉降结果进行了比较.结果表明,考虑弹塑性本构关系和三维渗流固结的有限元模型能较好地模拟挤土桩重固结沉降过程,能为挤土桩的进一步研究提供技术方法.     

软土地层矩形顶管隧道工后地表沉降计算方法研究

矩形顶管隧道施工会使周围土体产生扰动,进而引起超孔隙水压力,导致施工结束后继续产生固结沉降,对周围环境造成危害。采用Peck公式计算矩形顶管在施工阶段引起的地表沉降量; 运用应力释放理论和应力传递理论,推导出矩形顶管隧道周围土体中任意一点的超孔隙水压力计算公式,采用分层总和法计算土体初始超孔隙水压力消散引起的工后地表固结沉降量;二者叠加得到工后地表总沉降量。提出固结开始t时刻的地表总沉降量计算方法,研究了地表沉降和地表沉降速率随时间的变化规律。算例分析结果表明： 本文方法计算得出的沉降速率在施工结束后3个月内最大,之后迅速减小; 横向地表固结沉降曲线和总的地表沉降曲线均符合正态分布规律。     

粉质粘土地基超孔隙水压力消散规律研究

为了研究饱和粉质粘土地基在昔格达土路堤作用下超孔隙水压力的变化特性,利用大型有限元分析软件Abaqus,以实际工程条件为例建立模型,分析了随着填土高度和固结时间的变化,地基沉降与超孔隙水压力的关系,以及地基不同深度和宽度处超孔隙水压力的变化规律。结果表明:超孔隙水压力随着填土高度的增加而增加,当填土到8m时超孔隙水压力峰值开始减小;超孔隙水压力随着固结时间的增长逐渐消散,越接近排水面消散越快。     

基于ABAQUS的红粘土地基路堤填筑过程沉降分析

针对红粘土地区地基排水固结过程的复杂性,对红粘土地基排水固结沉降进行数值分析。采用大型通用有限元分析软件ABAQUS中的固结计算模块和自带的摩尔库伦模型,以贵州某高速公路建设项目为算例,对红粘土地基的沉降变化规律、孔隙水压力消散规律、以及土体的有效应力增长进行了研究。研究表明:有限元计算结果和实测值吻合较好,能较好反映红粘土地基固结沉降的实际情况,可为红粘土地基上公路建设工程中地基处理和工程设计提供参考。     

黏性场地列车荷载影响下衬砌半渗透边界盾构隧道诱发地表固结沉降解

列车荷载作用下衬砌长期渗漏会显著影响软土盾构隧道周围土体的固结沉降，对邻近环境和地铁的安全运营造成不良影响。针对盾构隧道周围土体固结沉降的既有理论研究一般多考虑衬砌不透水条件，较少考虑衬砌渗漏水及列车荷载耦合作用对于地层固结沉降的影响。引入隧道衬砌半渗透边界和列车三角形循环时效荷载，基于Terzaghi-Rendulic固结理论，采用Boltzmann三元件模型模拟土体流变效应，推导了列车荷载作用下黏弹性地层盾构隧道渗漏水诱发的土体超孔隙水压力消散和地表固结沉降的复变函数解析表达式，并与6个工程实测数据进行对比，验证了所给出解析解的正确性与适用性。此外，通过参数分析讨论了衬砌-土体渗透比和列车荷载参数对土体固结沉降的影响。结果表明：衬砌-土体渗透比是影响盾构扰动地层固结快慢的主要影响因素，衬砌-土体渗透比越大，固结完成时间越早；列车荷载作用下，早期固结沉降速率相较于不考虑列车荷载时会有较明显的增加，但在列车荷载当量增加后，固结沉降速率的增长有所放缓，且其增量与衬砌-土体渗透比密切相关，衬砌-土体渗透比越大，沉降增加量则越大；隧道衬砌可以视为扰动地层的排水边界，其加速了土体固结沉降，而列车荷载与衬砌半渗透性耦合，进一步改变了土体固结沉降形态。     

土压平衡盾构开挖面压力取值及对地表沉降的影响

土压平衡盾构广泛应用于地铁隧道施工中,其施工过程产生的地表沉降及相关问题直接影响隧道施工安全。以成都地铁3号线某区间盾构隧道工程为例,应用理论方法计算盾构开挖面压力取值范围。结合工程地质条件、施工参数、不同开挖面压力和地层损失率,利用嵌入了土应力路径本构模型的ABAQUS软件进行盾构开挖三维模拟,得到了卵石地层盾构施工引起的地表沉降规律,并通过与现场地表沉降监测结果对比,验证了此模型的合理性,确定了合理的开挖面压力取值范围。最后,进一步分析了实际盾构施工开挖面压力值与地表沉降值之间的规律,评价施工时设定的开挖面压力值的优劣。     

双线盾构隧道施工过程相互影响的数值研究

文本首先针对双线盾构隧道施工特点,建立了考虑切口水压、土体扰动、盾尾释放位移、盾尾注浆体的硬化效应,能够进行动态模拟的三维弹塑性有限元模型。然后采用该模型进行双线盾构隧道施工过程的数值模拟分析,计算结果与现场监控量测数据做了对比分析,验证了本文所建立的双线盾构隧道施工过程数值模型的适用性,并总结得出近间距隧道施工中,后建隧道对先建隧道的影响规律,以及后建隧道自身相对与单条隧道时的变化规律。通过对平行隧道盾构法施工不同参数的对比研究表明,隧道间距是控制两隧道相互影响的最主要因素,地层损失率次之,其下是土体弹性模量。而隧道埋深、切口水压、盾尾注浆压力对两隧道相互影响的作用较小。通过对重叠隧道盾构法施工不同参数的对比研究,分别得出了两种开挖类型的重叠隧道相互影响的规律。从减小隧道间相互影响出发,证明了下伏隧道先行开挖优于上覆隧道先行开挖。     

盾构隧道施工地表沉降数值分析研究

隧道施工引起的地层损失所导致的地表沉降变形预测和控制，是隧道工程领域重要的研究课题之一。以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地袁沉降变形规律，并进行了不同影响因素的敏感性分析。结果表明，地表沉降槽近似正态分布曲线，地表沉降的主要影响因素依次为隧道埋深、内摩擦角、压缩模量、粘聚力和泊松比；提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型，并采取有针对性的措施来减少地表沉降，减小对周围环境的不良影响。     

真空降水-低能强夯联合加固粉土地基的研究

强夯法已在众多工程领域中得到广泛应用,但在处理黄泛区的粉土地基时,由于地下水位较高,存在易液化、固结慢等缺点,效果不理想。文中结合工程实例,提出真空降水-低能强夯联合加固技术,并采用动力有限元程序ABAQUAS/Explicit建立了三维计算模型,进行了动力固结数值模拟,得到了不同处理技术的孔隙水压力消散和变形规律,揭示了其加固机理。研究表明,该技术可加快超孔隙水压力消散速度,提高加固效果,有效减少差异沉降变形。     

塑料排水板处理唐曹铁路软基效果数值模拟分析

以唐山至曹妃甸的铁路工程为依托，运用ABAQUS对其进行数值模拟，研究排水板在固结沉降中的作用,并分析了排水板长度和间距对土体的固结沉降影响。结果表明:ABAQUS所得的模拟值能够与实际值较好吻合；排水板能够缩短排水通道，加快超孔隙水压力的消散；长短板交替式真空预压法能够较好地加固地基土，并对实际工程进行优化。     

塑料排水板处理唐曹铁路软基数值模拟分析

以唐山至曹妃甸的铁路工程为依托,运用ABAQUS对其进行数值模拟,研究排水板在固结沉降中的作用,并分析了排水板长度和间距对土体的固结沉降影响。结果表明:ABAQUS所得的模拟值能够与实际值较好吻合;排水板能够缩短排水通道,加快超孔隙水压力的消散;长短板交替式真空预压法能够较好地加固地基土。在此基础上对实际工程排水板长度和间距进行了优化。     

基于流-固耦合的盾构隧道开挖面稳定性研究

利用FLAC3D建立三维数值模型,对考虑完全流-固耦合效应的盾构隧道开挖面失稳过程进行模拟和验证,并进一步分析水位高度、渗流时间对开挖面变形、地表沉降和孔隙水压力的影响。研究表明:开挖面变形随支护压力比的减小经历3个阶段的变化,且与土体塑性区的发展密切相关;相比于无水状态,考虑流-固耦合效应的开挖面稳定性显著降低,随水位的升高、渗流时间的增大,开挖面发生失稳破坏的支护压力比明显增大;支护压力比(表征支护压力)的减小将导致开挖面前方一定范围的孔隙水压力减小,靠近开挖面的孔隙水压力受扰动程度加剧,形成"漏斗状"的影响区;开挖面失稳导致土体位移场延伸至地表,引起地表产生明显的沉降变形,在不同的变形阶段开挖面中心点位移与最大地表沉降分别呈抛物线相关和线性相关。     

桩周土重固结在挤土桩上产生的负摩擦力及其时效性

基于比奥固结理论和ADINA有限元程序,分析了打桩完成后土中超孔隙水压力的消散和桩周土随时间固结沉降情况;然后结合荷载传递函数法,编制计算程序,对某一具体工程桩周土体重固结引起的在挤土桩上产生的负摩擦力及其时效性进行了研究.结果表明:沉桩引起的超孔隙水压力在3个月内基本上完全消散,桩周土重固结沉降在挤土桩上产生负摩擦力;在沉桩完成100 d后负摩擦力占桩基设计值的23.8%;所得结论为该工程桩基间歇期的确定提供了参考.     

地铁列车振动荷载作用下隧道底部土层孔隙水压力及变形特性研究

为研究地铁列车振动荷载长期作用下隧道底部土层的孔隙水压力及变形特性,以北京地铁7号线2期（东延）工程为背景,利用ADINA有限元计算平台建立典型隧道区间断面的有效应力分析模型,进行上限速度行车荷载作用下饱和场地土层-隧道体系水土耦合动力响应分析,研究典型位置处孔隙水压力时程变化规律,并预测地铁振动荷载作用下引起的沉降量。同时,对北京地铁7号线粉细砂进行土工室内试验,进一步研究隧道底部土层在地铁行车荷载作用下的孔隙水压力及竖向变形发展规律。结果表明： 1）在长期列车振动荷载作用下,隧道底部土层孔隙水压力逐渐增大,且增大值随土层深度的增加而减小; 2）土体的累积超孔隙水压力比和累积应变量随着荷载幅值的增加而增大; 3）与非均等固结条件相比,均等固结条件下的超孔隙水压力比较大,但累计应变量小; 4）列车振动引起的超孔隙水压力和应变均较小,超孔隙水压力在列车停运期间足以消散完毕。     

盾构施工穿越钱塘江大堤沉降控制分析

结合西气东输二线管道上海支干线穿越海宁段钱塘江大堤工程,实测了盾构机掘进过程中,试验段隧道轴线周边土体受到的侧压力、总压力和孔隙水压力的变化特征,施工结束后孔隙水压力的消散过程;地基土体深层水平位移沿深度方向的分布特征;以及钱塘江大堤5个横向断面的沉降分布情况。该文通过对实测数据进行归纳统计,分析该盾构施工对地基土体扰动程度、范围,以及在钱塘江北岸的软土中进行盾构掘进施工,工后沉降占总沉降量的比例。结合工程实践,提出了盾构施工穿越钱塘江大堤(嘉兴段)的沉降控制措施。