浅层顶管施工引起的土体移动

顶管施工引起包括地面沉降和土的轴向移动在内的土的运动。 土的这些运动可能导致邻近构筑物和管线的损坏。 理论分析和现场实测都显示, 在类似于上海等地的软土地层中顶管施工, 顶管周围土的运动问题是三维的。 基于半解析数值方法的基本原理, 将轴向离散而在径向和环向选取位移函数, 构造了解析解函数。 给出了包括位移函数、刚度矩阵和荷载矩阵在内的理论分析过程, 从而建立了半解析单元法。 利用半解析单元法将顶管施工中三维土运动问题转化成一维数值计算 。 利用所建立的半解析单元法, 就软土地层中顶管工程实例计算了施工所引起的土体位移。 结果表明, 半解析元法用于计算顶管施工中顶管周围土的移动, 可以得到较为满意的结果。 由于计算所需要的单元数减少, 处理该问题所需要的时间也明显减少。 根据分析与计算结果还得到了一些有价值的结论。     

考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法

顶管施工引起周围地层变形的计算预测是顶管施工中必须加以重视的问题。地层的沉降变形与顶管施工的几个环节有密切的联系,如：①顶管姿态与开挖面土压;②顶进与换管;③注浆过程等。理论分析应考虑这几个施工中的关键因素。针对上述施工影响因素,提出了考虑注浆压力的顶管施工的地层移动的计算方法。用Mindlin的位移解分析模拟开挖面土压、顶进与换管过程中的侧面摩擦力的变化引起的位移;以Sagaseta的土体损失引起的土体位移模式分析姿态控制、土体损失等引起的变形;将圆孔扩张的Verruijt解拓展到三维,用于计算注浆压力引起的位移与变形。结果表明,考虑注浆压力的变化,可以得到更为合理的预测结果。     

软土隧道横向抗震分析的简化响应位移法

响应位移法能够反映软土隧道在地震荷载作用下的动力反应特性,是一种简便实用的隧道抗震设计简化分析方法。以方形截面隧道为例,采用地层－结构整体动力有限元方法,验证了响应位移法的准确性与合理性;为了简化响应位移法的计算过程,基于平面应变假定,采用弹性理论的复变函数方法推导了土弹簧刚度的解析表达式,并与有限元解进行了对比分析。将土弹簧刚度的解析表达式应用到响应位移法的计算中,同时采用地层剪应力及自由场地震反应位移的简化计算模式,将简化后的响应位移法和整体动力有限元法进行了对比分析,验证了简化方法的可行性。     

基于边界配点法浅埋隧道开挖引起 周围土体变形的分析

对于浅埋隧道施工引起土层位移的解析解,其边界条件的数学处理上比较困难,因此实际工程的应用中受到限制。为解决这一缺陷,基于弹性力学的Airy应力函数,将半无限平面内土体的应力及位移分布转化为解析函数。然后,采用边界配点的方法,控制地表处的应力边界条件( = 0, = 0)及隧道周边土体的位移边界条件( , )。最后,采用最小二乘法,确定土体应力及位移函数的各项系数,求得浅埋隧道在周边土体产生径向位移的作用下,地表及深层土体位移的半数值半解析解。算例分析表明,该方法可以考虑任意荷载及位移作用的边界条件,能够充分发挥解析法和数值法两者的优点,且计算结果与实测结果较吻合,在预测地表及深层土层位移中具有一定的实用价值,可为进一步采取工程措施控制地层变形提供理论依据。     

饱和稀疏裂隙岩体三维水流-传热过程中位移和应力的一种半解析计算方法

针对高放射核废深地质处置库近场环境,建立分布热源作用下饱和裂隙岩体三维水流-传热过程中位移和应力的一种半解析计算方法：采用Goodier热弹性位移势和Laplace变换计算由温度梯度产生的温梯位移和应力;考虑单一裂隙的情况,利用经典弹性力学的Boussinesq解和Cerruti解计算为满足边界条件的约束位移和应力,与温梯位移和应力叠加,可得总体热位移和应力;把裂隙面离散为矩形单元集合,采用极坐标系下的解析法计算包含奇点的单元积分,采用数值法计算与分布热源有关和不含奇点的单元积分。与基于裂隙面法向一维热传导假设的一种解析解对比,结果表明,半解析法与解析法的计算结果基本一致,但由于半解析法考虑岩石的三维热传导,因温度时空分布和演变的不同而导致不同的温梯应力。针对一个假想单裂隙岩体三维水流-传热过程,计算温梯位移和应力、约束位移和应力、总体位移和应力;结果表明,裂隙水流-传热可能对位移和应力的分布和演变有显著影响,距离分布热源较近的岩石因升温膨胀受到约束而出现压应力,而距离分布热源较远的岩石则可能因协调收缩受到约束而出现拉应力。     

桩基水平位移的有限元模拟

有限元数值计算方法在岩土工程中已有较多的应用,但在水平受荷桩分析计算中的应用尚不普遍。有关水平受荷桩土体系水平承载力及变形的数值模拟方法少有文献报道。采用有限元数值模拟方法来研究水平受荷桩土体系的水平位移。首先简要分析了水平受荷桩的主要计算方法及原理。然后,基于ABAQUS软件建立了桩土系统二维及三维的有限单元模型,分别通过按现行规范推荐的m法和按Poulos的弹性理论法计算的两个算例,将数值计算方法与解析方法进行了对比计算分析。有限元数值计算结果与解析解基本吻合,说明了所采用有限元数值模拟方法的可靠性及有效性。     

数值流形方法在P型自适应分析中的初探

将数值流形方法应用于P型自适应分析，推导单元不同阶次的位移函数及其单元刚度矩阵表达式，引入了对应情况下的节理单元及其刚度矩阵，编制了计算程序，数值算例表明该算法可行。     

顶管工程工作井位移与土抗力分析

为保证顶管工程的施工安全和经济设计,必须深入分析顶力作用下工作井及周围土体的应力、位移特性。以两个实际顶管工程为工程背景,针对工作井的浅埋、深埋圆形沉井,采用三维有限元分析,给出了浅埋沉井土抗力沿圆周分布的拟合方程。分别采用《规程》[1]和《手册》[2]推荐的计算方法和三维有限元分析,对顶力作用下深埋、浅埋工作井的位移和新增土抗力进行对比分析,结果表明：①由于只考虑了顶力后背一侧半圆范围内土体抗力的作用,规范法和手册法将导致土抗力计算结果偏大;②顶力作用位置对深埋沉井的井壁变位、土抗力大小和分布情况影响显著;③规范法和手册法仅适用于顶力作用于沉井底部的浅埋沉井。     

挤压式顶管施工力学分析

考虑挤压式顶管施工时,不可避免会对周围的环境造成影响。根据土塑性力学的基本原理,考虑土体具有不同于其他材料的剪胀特性和塑性变形,按不相适应的塑性流动法则计算无限体内柱形孔穴扩张在周围土体内产生应力场和位移场。借助源一汇影像手段和Cemiti解进行剪应力修正,推得在顶管挤入过程中周围土体内的位移场和应力场表达式．基于此,研究了土层数、管径、埋深等各参数对竖向位移的影响的敏感性。最终得出顶管中心埋深h、顶管外半径Ru是影响竖向位移的最关键因素的结论。     

顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元方法分析了顶管施工引起的相邻平行地下管线的位移,研究了注浆、纠偏、离顶管距离的远近、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比及不同管材对地下管线位移的影响。计算结果表明,注浆与纠偏压力越大,地下管线的位移越大;地下管线距离顶管越远,引起的位移越小;地下管线弹性模量越小,产生的位移越大。     

深厚软土中抗滑桩的修正悬臂桩计算方法

大面积堆填或开挖时深厚软土地层内部常产生较大滑移,这为该类地层中考虑桩土作用的抗滑桩分析带来较大困难。考虑深厚软土的滑移性状,针对既有悬臂桩法计算存在的问题进行修正,滑动面上部桩身受荷段的桩身荷载采用等腰三角形分布且极值点为极限侧土压力,设滑动面下部桩身锚固段上侧桩周软土为理想弹塑性以考虑软土大位移条件,下侧为弹性状态,并通过位移叠加原理对传统方法求解产生滑动面不连续的缺陷进行修正。通过现场桩侧堆载试验验证,修正悬臂桩法的弯矩和位移计算结果较好,桩顶位移误差小于3%,桩身最大弯矩误差小于10%。所提方法有助于深厚软土地层抗滑桩的设计和计算。     

顶管施工引起的挤土效应研究

顶管施工过程中过大的支护压力、掘进机偏斜、掘进机与土体的摩阻力,以及过大的注浆压力都会引起挤土效应,挤土过程会减小施工结束时的沉降值和沉降槽宽度。考虑土体的初始应力场,假定土体是均匀线弹性材料,通过向掘进机周围土体施加向外侧的椭圆形径向位移来模拟挤土过程,在小应变假定情况下,推导了半无限空间中土体位移场的近似解析解。考虑空间效应,给出了修正的计算公式。将该公式计算得到的结果与实测值进行了比较,结果表明：地面隆起的最高点位于轴线两侧,由于地面硬壳层的存在,使计算值稍大于实测值,硬壳层以下则非常吻合。     

顶管推进引起施工场地竖向附加荷载分析

基于层状体系解析刚度矩阵理论解,结合5节点Gauss-Legendre求积公式,提出了层状地基中顶管施工正面附加推力、掘进机与土体之间摩擦力以及共同作用力引起的附加荷载计算方法,分析了顶管推进引起的土体竖向附加荷载分布规律,也研究了地基等效均质性、土层力学参数、计算点间距以及顶管埋深等因素对顶管施工诱发附加荷载的影响效应。研究结果表明,掘进摩擦力引起的附加荷载在掘进面前方迅速达到压应力峰值,其量值大小和影响范围均要大于正面附加推力,是顶管施工引起临近地层附加荷载的主要影响因素。此外,层状地基土体参数的改变会对顶管施工扰动地层的附加荷载产生一定影响,地基等效均质性、计算点间距以及顶管埋深等因素对附加荷载大小及分布均存在显著影响。成果可为合理制定顶管开挖对周围土工环境的保护措施提供一定理论依据,也可为其他盾构隧道工程提供一定的理论参考。     

三维高阶数值流形方法研究

将三维流形单元的位移函数从一阶拓展为二阶,基于最小势能原理建立了有限单元覆盖的高阶流形方法分析格式,详细推导了三维流形单元的刚度矩阵、等效节点荷载列阵以及位移约束矩阵。计算结果表明,提高物理覆盖函数的阶次可有效提高流形方法的计算精度。     

软土地层矩形顶管掘进引起地表隆沉变形分析

准确预测并及时控制软土地层矩形顶管掘进过程中引起的地表隆沉,可有效降低掘进施工对紧邻结构设施的影响。结合弹性力学Mindlin解和随机介质理论,进一步考虑顶管开挖面附加推力、非均匀分布且具有软化特性的机体-土体侧摩阻力、受触变泥浆特性影响的管节与土体间的侧摩阻力,管节附加注浆压力及基于开挖面收敛模式的土体损失共同作用,推导得到矩形顶管掘进期间地表隆沉位移解析解。经与3个工程算例的实测结果进行对比分析,发现所提方法可预测矩形顶管在软土地层掘进引起的地表隆沉变形规律。分析结果表明：顶管开挖面前方地表表现为隆起;随着顶管开挖面的远离,摩阻力、注浆压力对地表的影响逐渐减小,开挖面后方地表主要受土体损失作用发生沉降;土体损失引起的地表沉降量受开挖面收敛模式影响。     

平面P1波入射下海底隧道与海床土交界面滑移接触效应解析解

基于理想流体波动理论和Biot饱和多孔介质波动理论,考虑工程实际中海底隧道与周围海底土体的滑移接触关系,建立了含滑移界面海底隧道模型,该模型还考虑了海水-海床土-海底隧道的动力相互作用。采用Hankel函数积分变换法和波函数展开法,推导了平面P₁波入射下海底隧道与周围海底土体滑移接触界面效应的解析解。在解析解的基础上,通过数值计算分析了滑移接触条件对海底隧道地震动力响应的影响。计算结果表明：滑移接触条件对海底隧道的位移响应和应力响应影响明显;考虑隧道-海床土界面滑移接触条件下海底隧道的位移响应和应力响应显著高于界面无滑移条件时的位移响应和应力响应。     

顶管工程中的地层损失参数和土体变形计算

目前的地层损失参数和土体变形计算方法不能反映顶管施工的动态过程,重新定义顶管施工过程中的地层损失参数,使之可以反映超挖、欠挖等不同工况。基于Mindlin解,改进间隙参数g,从而可以考虑管壁与土的摩擦力。基于开挖面周围土体的扰动分区,修正Loganathan土体变形公式,并将改进的间隙参数g代入修正公式,计算顶进距离不同时的土体变形,获得顶管推进过程中地表测点的动态变化。算例分析表明,计算结果与监测数据吻合较好。     

六面体有限覆盖的三维数值流形方法的非线性分析

对三维问题的分析是数值流形方法发展的必然,在数值流形方法覆盖位移函数的基础上构造了一种六面体有限覆盖的三维流形单元,推导了相应的应变矩阵、刚度矩阵及平衡方程等表达式。同时,由于目前数值流形方法的模拟分析主要是采用线弹性模型,而对于非线性模型分析研究很少;根据数值流形方法的特点和岩土体的本构模型,给出了适用于数值流形方法进行非线性分析的算法。该方法利用中点增量法进行求解,以改变 模型和 模型中弹性模量的方式来反映非线性,其实质是用分段线性来取代非线性。通过地基沉降计算算例表明,数值流形方法在三维岩土体中进行非线性分析中是有效的。     

半球形沉积谷场地对入射平面Rayleigh波的三维散射解析解

把半球形沉积谷和周围半空间场地分别用具有不同弹性模量和不同半径的球坐标描述。利用Fourier-Bessel级数展开法,在频域内给出了半空间中半球形沉积谷场地在平面Rayleigh波入射下三维散射问题的解析解。利用这一解析解计算分析了入射波频率、场地软硬对场地内地表位移幅值的影响。     

土压力研究中的两种思路

到目前为止,土压力理论的研究可以归结成基于极限平衡理论的和基于半数值半解析方法的两种思路。土压力的经典理论都是建立在前者基础上的,它将土体视为弹性体、刚塑性土或弹塑性体,选择摩尔包线作为破坏准则,将问题简单化,得到的土压力理论值与实际值相差较大;而建立在半数值半解析方法上的土压力研究,则将函数表达式与计算机数值分析有机结合起来,综合考虑土体的变形、施工的时间以及土体的强度指标,使的土压力计算值与实际值比较吻合,所以后者开始成为土压力理论研究的新方向。