降雨入渗对膨胀土隧道力学特性影响的数值分析

为研究膨胀土隧道围岩湿度变化对隧道初期支护结构力学特性的影响,采用数值分析方法,将隧道施工过程中围岩扰动较大的范围作为"松动区",基于温度场与湿度场相关理论及变量的相似性,分析在不同扰动程度及不同渗水条件下,隧道初期支护结构变形及内力的变化特征。研究表明:在"轻微松动"条件下,洞周土体内基本不产生膨胀力;在"显著松动"条件下,洞周土体内将产生少量的膨胀力;在"完全松动"条件下,洞周土体增湿后将产生较大的膨胀力,使得隧道支护结构所受的附加荷载明显增大。随着隧道开挖扰动程度的加剧,隧道初期支护的受力和变形与不考虑增湿膨胀条件下的内力和变形之间的差异逐步增大,土体增湿膨胀后,隧道初支结构内力最大增幅接近20%。因此,隧道施工中应尽量减少对周边土体的扰动,并注重对地表水体的截、排处理。     

降雨对小净距大跨度隧道开挖松动区的影响

小净距大跨度隧道在洞口段易受到浅埋偏压作用,隧道开挖会造成上覆岩土体出现大范围松动区,在降雨条件下更易出现地表塌陷与拱顶塌方。本文改进了围岩切向应力扰动系数公式,依托广州龙头山双洞八车道隧道工程,利用有限差分软件FLAC 3D对隧道洞口段在是否考虑降雨2种条件下开挖产生的松动区进行分析。分析结果表明:运用工程实际采用的双侧壁导坑法模拟开挖,隧道围岩产生的松动区范围较大且在拱顶上部产生交汇区域,中部核心土开挖时影响较小;考虑降雨渗流场之后开挖,在流固耦合作用下左右2个隧道围岩松动区面积增长分别约为30%,42%;隧道围岩松动区不对称分布和雨水渗流作用加剧了隧道偏压变形,并导致上部地表沉降最大增长33%左右。     

富水地层双线小净距土压平衡盾构开挖面稳定性研究

为研究富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道开挖面的扰动行为和稳定性,基于屈服接近度的概念,提出开挖面稳定性分析方法;并结合广佛环线沙堤隧道工程,分析不同纵向开挖间距下双线隧道施工时,先行隧道开挖面的渗流场分布、应力场扰动和极限支护压力差异性。研究结果表明,随着纵向开挖间距的增大,先行隧道开挖面的水压力分布趋向于以隧道中心为轴线呈近似对称分布,后行隧道开挖引起的先行隧道开挖面的渗透力较小;屈服接近度可以从应力扰动的角度反应隧道施工对于土体的扰动程度和开挖面稳定性的影响;对于富水地层双线小净距土压平衡盾构隧道,不同纵向开挖间距下先行隧道开挖面的极限支护压力差别不大。     

隧道施工对临近桩基影响的数值分析

以重庆轨道交通环线区间隧道下穿既有结构桩基为背景,利用有限元分析方法,对隧道施工影响下桩基变形受力进行研究。通过数值分析得出以下结论:隧道开挖通过土体变形对桩基产生影响,开挖过程中隧道、土体和桩基三者之间形成有机的相互作用体系;隧道施工对建筑物桩基的变形受力影响与其距隧道中线距离密切相关,离隧道中线越近,桩基沉降越大;桩身轴力的影响主要与桩身周边土体相对竖向位移有关。通过数值分析结果和现场监控量测数据对比发现,二者所反映的规律基本相同,因此,得出的数值分析结果可为今后类似工程提供借鉴。     

增湿条件下膨胀土边坡稳定性影响因素有限元分析

为研究雨季土体增重、强度降低及膨胀作用这三项影响膨胀土边坡稳定性作用因素的主次关系,基于热膨胀比拟增湿膨胀原理,考虑水平、竖向间的差异膨胀性,推导土体增湿膨胀的应力-应变方程,利用无荷膨胀率试验有限元模型进行参数验证;针对某铁路膨胀土边坡,建立ABAQUS有限元强度折减模型,采用正交试验极差分析法,研究含水率变化条件下边坡稳定性影响因素的作用效应及敏感性。研究表明:当初始含水率较低时,土体强度降低对边坡稳定性的影响最为显著,膨胀作用次之,土体增重影响相对较小,随土体初始含水率增大,膨胀作用、土体增重的影响减弱;土体初始含水率较低时,考虑土体水平、竖向间差异膨胀性计算得到的稳定安全系数较传统的各向同性膨胀假设结果低0.11~0.13,随含水率的升高,差异膨胀性的影响减小。     

无砟轨道基床吸水膨胀上拱对高速列车的影响分析

无砟轨道路基基床填料吸水膨胀上拱对高速列车安全性能会产生不利影响。基于温度场与湿度场膨胀相似性,采用土体热传导膨胀过程模拟土体吸水膨胀过程,实现了用温度场-应力场模拟无砟轨道基床局部吸水膨胀上拱。通过试验与数值计算结果拟合确定了温度场与湿度场关联参数,提出了高速列车-膨胀路基耦合计算方法。工程应用表明:该方法能够得到基床上拱产生的列车轮对加速度增量,方便评估无砟轨道基床局部膨胀上拱对高速列车的影响。考虑吸水膨胀上拱产生的加速度增量,采用综合影响因素等级评分(B值)方法,将无砟轨道基床层局部吸水膨胀上拱病害划分为3个等级。     

西安地铁隧道盾构开挖面支护力安全范围分析

研究目的:本文以西安地铁2号线某区间隧道工程为依托,根据具体的地质情况,运用FLAC3D数值仿真模拟软件以隧道开挖面上方地表点和洞顶点沉降为衡量标准,确定施工中开挖面支护力的安全范围,从而防止隧道穿过埋深变化较大的地点时地表出现过多的沉降和隆起。研究结论:(1)盾构隧道的开挖面存在最小支护力和最大支护力,即支护力具有合理的安全范围。当支护力超出范围时,隧道周围土体易发生破坏,或埋深较浅时地表出现较多沉降和隆起现象。(2)隧道埋深大于1.5倍洞径后,地表点已不能有效反映隧道周围土体变形,应该用隧道洞内测点来监测控制土体变形。(3)开挖面支护力的安全范围随埋深的增加而增加。当埋深较浅时,支护力的安全范围很小,可采用地面堆载的方式来等效达到增大隧道埋深的目的,扩大支护力安全范围,降低施工难度。     

渗水作用下膨胀土中单桩承载变形特性研究

目前膨胀土中桩基设计仍基于非膨胀土力学的设计原则。基于FLAC3D采用热-力耦合方法实现吸热膨胀来模拟膨胀土的吸湿膨胀,并重点阐述温度场模拟湿度场的关键参数取值方法。建立膨胀土中单桩三维实体模型,得出渗水作用下膨胀土中单桩的荷载变形特性、桩侧摩阻发挥特征,并分析了桩长、桩径、膨胀系数等对单桩承载特性的影响规律。研究结论:非扩底桩最小桩长宜大于2倍膨胀影响深度;细长桩比短粗桩更能有效降低膨胀土中桩顶的位移。该方法可获得渗水作用下任一时刻的桩身受力变形特性,为研究膨胀土中桩基受荷性能提供一种可行的变通手段。     

地铁隧道半断面水平冻结施工的水热力耦合特性研究

地层冻结是一个水、热、力三场耦合问题,基于考虑相变的水热力耦合理论,分析地层温度场、水分场随时间的变化规律,对比冻结前后隧道开挖的位移场分布特点。研究表明:随着冻结时间的增加,冻结管周边土体的温度将逐渐降低并发生冻结,出现冻结区域扩大、交圈、冻结帷幕增厚等变化过程;冻结帷幕内的冻土存在未冻结水,随着冻结时间的增加,大多数位置的未冻结水体积含量出现先增大后减小的变化趋势;建议在冻结帷幕两侧下方追加冻结管以保证实际的冻结帷幕达到设计范围,并对冻结管距开挖轮廓线的距离进行差异化设定。     

湿热地区长大隧道温湿度场分布及洞壁结露分析

以某铁路隧道为依托,选取其中8座典型隧道,对隧道洞壁温度、洞内气温以及相对湿度进行连续观测并整理分析。基于ABAQUS有限元软件建立隧道的流固耦合数值模型,得到了洞口风速、隧道长度和进风口风温等因素对长大隧道温度场的影响规律。在此基础上,对湿热环境下长大隧道洞壁结露现象产生机制进行了分析。研究结果表明:长大隧道温湿度场可分为快速变化区、平缓过渡区和恒定区,在恒定区内隧道温度、湿度变化受外界环境影响较小。湿热气候下的洞壁结露现象主要是由于较高的内外温差和大气湿度引起的。洞口风速与隧道恒定区大小呈线性关系,且风速越大,恒定区范围越小。在洞外气温相同的情况下,隧道越长,洞内气温衰减越快,而洞外气温仅对隧道口一定区域产生影响。     

盾构隧道对邻近建筑桩基影响的时间相关性

引入等代层的概念,并将扰动区土体处理为粘弹性介质,采用数值模拟的方法分析了盾构隧道施工后对邻近建筑物桩基的时间相关性影响.建立了隧道和邻近建筑及其桩基的力学计算模型,通过对特征时刻的桩基水平位移值的研究,分析了既有隧道和邻近建筑各计算参数对桩基的影响.研究表明,盾构隧道对邻近建筑物及桩基的影响是时间相关的,隧道在开挖后一段时间内对周边建筑及桩基产生影响,其影响时间的长短与周边土体的粘弹性性质以及隧道和邻近建筑的参数有关.     

季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究

模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化;进一步分析表明,铺设保温板后,对路堤中心下冻结深度线的提升具有显著的作用,但对坡脚附近土体冻结深度线影响甚微,应当做好路基边坡防护工作.考虑土体体积力和土体冻结相变产生的膨胀力,采用热弹塑性冻胀计算模型,得到冻土路基冻胀时的变形和应力分布.在此基础之上,对冻土路基发生最大冻胀时的变形场和应力场进行分析,结果表明:利用保温法增大热阻,推迟或预防地基土的冻结,可明显减小路基冻胀隆起变形,使路基中拉应力(拉应变)减小;铺设保温板后路基坡脚附近天然地表下季节冻结层土体仍发生较大冻胀变形,其冻结时巨大的冻结膨胀力对路堤边坡仍有一定的破坏作用.建议与换填法相结合,改善坡脚附近冻胀敏感性土的土质,减弱其冻胀性,从而减小冻胀力对路堤的破坏作用.     

船舶下锚对水下盾构隧道开挖面稳定影响分析

水下盾构隧道建设对海上航道无影响，但航船抛锚会对盾构隧道施工期开挖面稳定性产生影响。基于宁波至舟山铁路金塘海底隧道工程，采用数值模拟并辅以理论分析的方法，研究船舶下锚对水下盾构隧道施工期开挖面影响规律。通过塑性区开展情况确定开挖面前方最小支护力，再基于最小支护力得出开挖面所能承受的船舶下锚力，从而推断隧道施工过程不同船型能否落锚及落锚范围，以保证盾构隧道正常掘进。本文研究方法可为盾构隧道下穿繁忙航道、机场跑道等开挖面上方具有偶然超载的类似工程提供技术支持。     

盾构穿越邻近桥梁桩基的影响因素分析

当隧道在接近桥桩施工时,由于隧道土体的开挖导致地层扰动,致使桩基周围的土体产生附加应力,会对埋设在土体内的邻接桥梁桩基产生影响。桥梁桩基本身的一些参数,如桩基的长度、直径、布置方式等,也会对桥梁桩基产生影响。通过对某过江隧道建立盾构隧道数值模型,以隧道埋深、桩间距、桩基埋深和隧道穿越部分土体弹性模量四个影响因素为主要影响因素,对新建隧道地表沉降的影响和对既有桥桩的受力和变形进行了分析,总结并得出了影响规律。     

黏土地层浅埋盾构隧道开挖面三维稳定性上限分析

基于隧道开挖工程实际的破坏形态,提出了更接近于实际的开挖面三维失稳破坏模式,由开挖面前椭圆对数螺旋体和拱顶上部半椭圆球体组成土体松动区,为方便计算将前者划分为多个椭圆锥体滑块,利用极限分析上限法推求出隧道开挖面上极限支护压力的目标函数,并通过与已有文献结果对比验证了方法的正确性.研究结果显示,土体内摩擦角对松动破坏区有...     

双圆盾构隧道施工力学行为三维数值模拟

结合上海轨道交通M6线双圆盾构区间隧道工程,应用有限差分程序FLAC3D分析双圆盾构隧道施工力学行为,对双圆盾构施工扰动引起的土体位移场特性进行监测与数值模拟对比分析.分析表明,数值模拟结果与监测值基本吻合.双圆盾构施工扰动土体位移场特性与单圆盾构类似,但影响范围、量值更大.对于深层土体,计算所得的最大沉降、隆起值分别为-0.042 m、0.08 m,对于浅覆土地层,隧道开挖后,易出现整体上浮现象,隆起值达0.03 m.双圆盾构施工扰动所引起的深层沉降、侧向位移还需要进一步研究.所得结论为进一步研究异形盾构施工环境土工影响提供参考.     

膨胀土地层地铁车站基坑围护结构稳定性探讨

在膨胀土地区修建地铁车站,基坑的开挖、围护是一项工程难题。受基坑开挖对膨胀土的扰动影响,地表水渗入后,丰富的裂隙吸水膨胀,导致膨胀土的压缩模量、抗剪强度等力学指标降低,造成围护桩桩体变形增大、横撑轴力增加。本文采用有限差分软件FLAC模拟分析膨胀土的压缩模量、抗剪强度指标降低时围护桩体水平位移的变化规律,并分析地铁车站施工监测得到的实测桩体水平位移、横撑轴力的数据,结合工程实践提出控制围护结构稳定性的措施。     

中-强膨胀土竖向膨胀力原位试验

利用平衡加压法在云桂高速铁路典型中-强膨胀土路段进行竖向膨胀力原位试验,研究竖向膨胀力随时间、含水率增量、卸荷回弹量的变化规律,并对试验过程中试验体周边地表的变形进行了监测。结果表明:竖向膨胀力随时间的变化规律与膨胀土中渗水通道的畅通情况密切相关;竖向膨胀力随含水率增量的变化规律可分为4个阶段,即初始线性增长阶段→过渡阶段→二次线性增长阶段→稳定阶段;卸荷时,膨胀土竖向回弹变形增加,竖向膨胀力不断减小,二者呈线性或二次曲线性变化;试体周边地表的隆起规律与竖向膨胀力随含水率增量的变化规律相一致。     

隧道下穿新大力寺水库施工稳定性分析

针对水库水的渗流对浅埋暗挖隧道开挖及后期运营的影响问题,采用数值模拟的方法,研究了在各种渗透系数条件以及隧道开挖与地下水渗流影响下的隧道稳定性。分析表明:水库水的渗透以及隧道开挖会对上覆土体的稳定性造成较大影响,甚至可能会导致坍塌事故的发生。随着隧道的开挖,水库水开始发生渗流现象,并造成围岩塑性区快速发育,其中以拱顶位置塑性区范围最大;围岩渗透性越强,隧道顶拱和拱腰部位的渗透应力越小;随着渗透系数的增大,隧道的孔隙水压力、围岩位移、塑性区范围均出现较大的增长,并可能引起隧道的渗流失稳破坏。     

曲线盾构隧道开挖面被动极限支护力分析

研究目的:曲线盾构隧道在掘进过程中,开挖面受力极其复杂,稳定性难以控制,容易因千斤顶推力过大而造成前方土体的隆起现象。本文以砂土地层为例,基于筒仓理论和极限平衡法,建立曲线盾构隧道开挖面在前方土体被动破坏条件下的"倒梯台-楔形棱柱体"分析模型,提出开挖面被动破坏极限支护力计算方法,然后通过编程试算和数值模拟验证本文所述模型及计算方法的可靠性与准确性。研究结论:(1)被动极限支护力随埋深和内摩擦角的增加而增大,且增长速率逐渐加快;(2)当线路曲率半径小于200 m且土体内摩擦角大于25'时,被动极限支护力对线路曲率半径非常敏感,当线路曲率半径大于800 m时被动极限支护力与直线隧道几无差别;(3)数值模拟结果显示,数值解与理论解变化趋势一致且相差较小;(4)本研究结果可为类似曲线盾构隧道,尤其是小转弯半径盾构隧道开挖面被动极限支护力的确定提供理论基础。