地表超载对地铁盾构隧道的影响分析

针对地表超载导致的隧道竖向土压力问题,参照室内模型试验的隧道结构变形与土压力实测结果,建立了有限元模型。在地表超载作用下,分析了隧道穿越土层与隧道上覆土层的压缩性能对隧道周围土压力与结构变形的影响。结果表明：隧道穿越土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的隧道竖向土压力越大,且对应的隧道水平土压力越小,隧道结构越容易发生横椭圆变形;隧道上覆土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的竖向土压力越小,隧道结构发生的变形也越小;在软土地区地表堆土（超载）导致的隧道竖向土压力要大于按土柱理论计算所得的隧道竖向土压力。研究结果可为软土地区地铁盾构隧道设计与运营期管控提供参考依据。     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。     

隧道渗流侵蚀的颗粒流模拟

建造在砂土环境中的盾构隧道渗漏水会将砂土颗粒带入隧道内部,导致隧道周围砂土流失,引起隧道的不均匀变形与沉降。建立了隧道–土体离散元计算模型,模拟隧道不同部位发生局部渗流侵蚀时隧道中心位移、隧道表面土压力分布及地表沉降的变化。结果表明,隧道中心位移、地表沉降量均与颗粒流失比例呈线性增加关系;受颗粒流失及流失缝周围形成的颗粒力拱影响,隧道表面土压力重分布,会使流失缝宽度进一步扩大而加剧渗流侵蚀进程,且渗流侵蚀发生于隧道底部产生的影响大于渗流侵蚀发生于隧道腰部与顶部。     

隐伏裂缝对互层胶结土中正断层扩展影响研究

基岩断层错动引起上覆土体变形,互层胶结土体中断层破裂机制认识不足,隐伏裂缝影响规律掌握不明确。基于4个离心机试验,针对黏土与砂土构成的9层互层土,对比土体胶结特性和隐伏裂缝上断点埋深影响。试验结果表明,正断层错动影响下,互层非胶结土体受剪切作用发生变形破坏,在断层上方形成一倒梯形分布的不均匀沉降区,并形成集中剪切带。当不均匀沉降传至地表时,顶层非饱和黏土层形成地表张拉破裂。而互层胶结土则观测到受弯变形破坏,从而产生剪切破裂和张拉破裂。其中,地表张拉破裂的深度远大于互层非胶结土体的观测结果。互层胶结土中,随着隐伏裂缝上断点埋深的增加,由上断点扩展形成破裂的倾角随之增加,地表破裂向上盘一侧偏移。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

绕墙脚转动的挡土墙主动土压力分布研究

对挡土墙背离填土绕墙脚转动时墙后滑裂土体的应力状态进行了详细分析,建立了墙后滑裂体水平土层墙面反力、滑裂面反力、土层间剪力和土层竖向土压力强度之间的关系式。为了考虑挡土墙绕墙脚转动时墙脚局部土体并未达到极限状态,对墙面摩擦角、滑裂面土体的内摩擦角予以折减。在水平土层单元法的基础上,考虑水平土层间剪力作用、每一土层的墙面摩擦角和滑裂面水平倾角等的变化,建立了土层竖向土压力强度的逐层渐近的计算方法,并给出了挡土墙主动土压力强度、土压力合力及其作用位置的计算公式。经比较表明：挡土墙主动土压力分布曲线与试验结果基本一致,计算得的主动土压力系数与试验结果很接近,比库仑解大;计算得出的滑裂面为一曲面,其顶部开裂宽度比库仑滑裂面小,与工程实际相符。     

基于透明土的隧道开挖面稳定性试验研究

针对地表下隧道周围土体变形的观测困难,用熔融石英和溴化钙溶液配置透明土,提出基于透明土的盾构开挖面失稳试验研究方案,获得隧道前方纵断面土体位移矢量、沉降槽曲线和破坏模式等。试验结果表明,隧道开挖面失稳后土体变形以垂直位移为主,浅埋时土体破坏呈现“楔”形,破坏面延伸至地表,埋深增加时扰动范围向开挖面变窄,深埋时出现压力拱,扰动体呈现为筒仓形;隧道纵断面内沉降槽呈现为Weibull分布,最大沉降发生在隧道开挖面前方约（0.3～0.5）D（D为隧道半径）的拱顶处,变形主要发生在隧道开挖面前方的拱顶以上,浅埋时沉降槽从地表往下向深而窄变化,深埋时沉降槽宽度接近相同,从地表往下逐渐变深。     

基于FLAC3D不同降雨速率下土洞致塌规律研究

针对桂林市临桂区岩溶塌陷易发区域,采用FLAC3D模拟不同降雨速率下的强降雨入渗过程,探究不同直径土洞在强降雨作用下的致塌规律,结果表明:（1）强降雨条件下,不同直径土洞最大位移均出现在洞顶部。降雨速率相同,洞顶竖向位移增长速率随土洞直径的增加呈整体加快的特点;加快降雨速率,竖向位移增长明显,竖向位移与土洞大小呈正相关。（2）相同降雨速率下,土洞直径增大会引起土洞底部剪切破坏区域进一步扩展。上覆土层在强降雨初期主要受到潜蚀作用,加快降雨速率,土洞底部水位剧烈波动对上覆土体产生的水击气爆成为主导作用,剪切破坏速率加快,洞趾剪切应变明显增加,当土洞直径达到3 m时,水位波动愈加剧烈,加速上覆土层破坏。（3）降雨速率的变化对土洞塑性区拓展范围具有不同程度的影响,较大直径的土洞在加快降雨速率时塑性区拓展范围明显扩大,即土洞大小、降雨速率对上覆土层稳定性具有较大的影响。研究结果为定量研究强降雨与上覆土层塌陷的关系提供了依据,对有效、合理地预警岩溶塌陷具有一定的意义。      

盾构隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究

采用Loganathan公式研究了盾构隧道下穿管道施工引起的地下管道处土体竖向位移,利用考虑土中剪力传递的Pasternak模型模拟管-土相互作用,运用修正Vlasov模型中的迭代流程计算出Pasternak模型的关键参数——弹性系数k与剪切系数gs。将计算结果与已有文献结果及工程监测数据进行对比,深入分析了迭代求解k、gs值的Pasternak模型与传统模型的计算差异,并进一步研究了土中剪力、管道与隧道的夹角、土体弹性模量及隧道半径的变化对管-土相互作用的影响。研究结果表明：迭代求解的k、gs值能提升Pasternak模型的精确度;土中剪力对管道竖向位移计算值的影响可达15.3%;随着管道与隧道夹角的减小,管道的竖向位移增大、弯矩减小;土体弹性模量与隧道半径的增大均会增加管道的竖向位移和弯矩。     

条形荷载作用下梯度饱和土的动力响应分析

根据Biot波动理论,研究了条形均布荷载作用下非均匀饱和土地基的动力响应问题。利用Fourier积分变换,通过Helmholtz矢量分解原理,建立了饱和土层在动荷载作用下的回传射线矩阵法计算列式,考虑饱和土的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值Fourier逆变换获得了饱和土地基的位移、应力和孔隙压力等物理量的数值解。分析讨论了材料非均匀性对饱和土介质动力特性的影响。结果表明,非均匀饱和土的动力行为与均匀饱和土有着明显的不同,当土体的非均匀程度越高,条形荷载中点下流体压力和应力幅值越大,而位移、流体压力以及应力等物理量在水平方向的振动频率均随着土体非均匀变化程度的增强而增大。