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。     

非饱和软土路基在长期荷载作用下的一维固结沉降研究

将Kelvin蠕变模型与Duncan非线性弹性模型串联为非线性粘弹性蠕变模型，来描述非饱和软土路基的本构关系。本构方程结合非饱和土有效应力方程和孔隙水压力与孔隙气压力控制方程，推导出非饱和软土路基在长期荷载作用下的一维固结-蠕变耦合方程，可以求解非饱和土路基任意时间任意位置的孔隙水压力、孔隙气压力。利用求得的孔隙水压力和孔隙气压力通过积分可求得路基的竖向沉降量，并结合工程实例对方程进行了验证。     

盾构隧道施工引起的超孔隙水压力规律研究

本文首先对现场实测盾构隧道施工引起的孔隙水压力值进行了分析研究，总结出超孔隙水压力产生和消散的规律。其后，本文建立了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。采用改模型，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了充分研究，其结论与现场实测规律一致，也证明了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；另外，也总结出了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。通过对近间距盾构开挖问题进行模拟，揭示了后建盾构推进引起的超孔隙水压力场，以及由此产生土体固结沉降的空间不对称性。     

基于平板载荷试验对黏性渗流固结理论的分析

针对经典的太沙基一维固结理论所采用的弹簧-水-活塞板模型中的不足,结合益阳地区土的特性,提出了修正后的弹簧-黏滞壶-水-活塞板模型。该模型利用土体单元在单位时间内的压缩量与土中孔隙体积的变化量相等的等量关系,推导出新的渗流固结方程。结合边界条件,利用修正后的渗流固结方程,求得计算土层内任一点的超孔隙水压力,从而进一步求得该点的沉降量。为了验证该方程的合理性,现场实施了保真度较高,对土体扰动较小的原位平板载荷试验,通过试验结果得到的p-s曲线计算沉降,并与修正后的渗流固结理论得到的沉降量进行对比。     

横观各向同性土体固结中孔压消散规律研究

利用推导的平面问题中横观各向同性固结微分方程的解析解，对固结过程中孔隙水压力的消散规律进行了详细的研究，得到了在横观各向同性土体中孔压消散的一些结论。     

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。     

桩周土再固结分析

对单桩引起的超孔隙水压力及其消散过程做了分析研究。本文在现有桩周土固结理论基础上进行改进,结合桩周弹性区的超孔隙水压力公式,推导并获得了单桩引起的超孔隙水压力的数值解,并与文献解做了对比。     

一维非饱和土固结简化计算的改进方法

对于较高饱和度的非饱和土,通过将孔隙中水、气看作一种混合介质简化固结过程,提出了改进的计算方法.考虑加荷初期,由水、气、土骨架共同承担荷载建立平衡方程,求得三者分担的应力和土体体积压缩量;固结过程中,将水和气看成混合的可压缩流体,建立混合流体的连续性方程,求解混合流体压力;同时考虑孔隙比和饱和度的变化,将孔隙水与混合流体的流量联系,建立改进的水连续性方程,求解水压力,进而求得气压力,吸力和土体的压缩量.结果表明:一维非饱和土的加载及固结中孔隙水压、有效应力、体变及饱和度的变化合理,体变计算值接近于试验值.该方法正确.     

软粘土非线性一维固结半解析解

由于非线性一维固结问题解的复杂性，其解析解很难求得，一般的解答都是采用有限差分法获得。建立了求解软粘土非线性一维固结问题的半解析方法，编制了计算程序，并通过详细的计算，得到了有关固结，由此对粘土地基非线性一维固结性状进行了分析。     

饱和土的三轴渗透试验研究

通过对饱和土进行三轴渗透试验,研究了初始孔隙比、固结度、围压力等因素对渗透特性的影响,并提出了相应的关系表达式。     

深厚软土未打穿砂井超载预压地基孔隙水压力消散规律分析

针对深厚软土未打穿砂井地基，考虑了井阻、涂抹及土体结构损伤破坏对固结的影响，将砂井区三维固结向一维固结等效转化的计算方法作了改进；给出了单面排水多级等速加、卸载条件下双层地基的超静孔隙水压力计算公式；将砂井区连同下卧层连在一起作为双层基地，分析了某机场跑道砂井超载预压地基的孔隙水压力消散规律。     

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。     

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。     

不同应力路径下黏性土的力学特性研究

对上海地区⑤1层软黏土进行了常规三轴、减压三轴试验,以研究考虑不同应力路径的力学特性。分析了初始固结状态对软黏土应力路径的影响,比较了不同应力路径下土体的应力-应变关系特征和孔隙水压力变化规律,计算了土体抗剪强度指标。研究结果表明,应力路径对土的峰值强度、孔压、有效应力路径等特性影响很大,软粘土的应力-应变关系具明显的非线性,且基本呈应变硬化型;常规三轴试验中孔隙水压力为正值,减压三轴试验中总体为负值;初始固结状态对黏土的抗剪强度有一定的影响,且影响主要来自对黏聚力值上,对内摩擦角值影响较小。     

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。     

由实测孔隙水压力数据推算软黏土的固结系数和固结度

利用上海浦东某工程实测孔隙水压力推算软基固结系数和固结度，推算结果符合实际土体的团结过程。     

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。     

预制桩沉桩过程超孔隙水压力变化规律分析与研究

根据控制沉降设计理论,采用疏化桩间距的方法,在某高速公路深厚软基处理中设计并使用了带帽PTC管桩。本文探讨了PTC管桩在高速公路深厚软土地基处理中的适用性,介绍了PTC管桩的施工工艺及技术要求,现场监测了PTC管桩静压桩施工过程中产生的超孔隙水压力,并对监测数据进行了分析。为避免静压桩过程产生超孔隙水压力对周围环境的不良影响,提出了消除超孔隙水压力的一些措施,同时应用辩证观点,分析了可利用超孔隙水压力消散的有利条件,达到深厚软基二次固结处理的目的。     

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。     

层状砂井路基孔隙水压力计算的一种改进方法

提出了改进层状砂井路基孔隙水压力计算的一种方法，在荷载作用区采用等效砂井方法，在砂井区边缘则由二维固结方程的解进行修正。文中给出的计算可较合理地反映出层状路基及砂井区边缘的渗流特点。