应用圆孔柱扩张理论对预制管桩的挤土效应分析

假定预制管桩在沉桩时的挤土过程是一个有初始孔径的圆柱形孔的扩张过程,初始孔径等于管桩的内径,最终孔径等于管桩外径,应用前人提出的圆孔扩张理论对管桩进行弹塑性分析,得到塑性区半径、土体位移等解析表达式,也对实际工程中常遇到的土塞效应对该理论应用的影响进行了讨论,并对某电厂扩建工程中预制管桩施工引起的土体位移进行计算,通过现场监测,验证了上述解析表达式的合理性,得出可以参考该组解析解来预测预制管桩施工的挤土效应的结论。     

考虑土体屈服的纵横荷载单桩变形内力分析

为提高桩身变形较大时纵横荷载单桩的设计计算水平,假定地基反力系数沿深度线性增加,考虑土体屈服及纵向荷载的P-?效应并计入桩身自重和桩侧摩阻力的影响,得到了地面以下桩身变形和内力的幂级数解。结合已有的地面以上桩身响应的幂级数解,采用Fortran语言编制了计算程序。计算结果表明：桩顶位移、地面处桩身位移及桩身最大弯矩均随纵横向荷载和自由段桩长的增加而增大,并随土体屈服位移的增加而减小;纵向荷载足够大时桩基失稳;桩顶约束条件对桩的响应影响很大。计算值与模型试验的实测值吻合较好,所得解和程序是可靠的。     

考虑加筋与遮帘效应的层状地基群桩沉降计算

桩群在土中的加筋与遮帘效应是客观存在的,但目前的理论与实践均未能或有效地考虑该效应.基于剪切变形法原理,在计算某一根桩沉降时,考虑了其他各相邻基桩的存在对该桩沉降的折减,即加筋与遮帘效应,得到了桩侧桩-土接触等效剪切弹簧刚度,建立了桩身位移微分方程,分别求得桩顶沉降-桩端沉降、桩顶荷载-桩端压力的递推关系,从而得到了各桩在自身荷载作用下引起自身沉降的柔度系数; 同理,也求得了各邻桩在其桩顶荷载下引起它桩沉降的柔度系数,最终建立了群桩沉降计算的柔度矩阵方程.推导过程中,考虑了地基土的成层性及桩端沉降的相互影响,并提出了基于一定深度内的Mindlin位移解且考虑桩径影响的桩端压力-桩端位移关系新模式.算例结果表明,本文方法与实测值较为接近,且按本文方法求得的群桩中基桩相互作用系数明显小于弹性理论计算结果,且与实测值吻合较好.     

开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析

任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变问题,适用于开口管桩高频振动贯入过程的计算分析。采用ALE有限元方法,建立开口管桩高频振动贯入过程的数值模型,对沉桩过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明:挤土应力主要沿径向传播,且深层土体受到的挤土应力比浅层土体大;水平挤土位移随管桩贯入深度的增加而增大,而最大水平挤土位移与管桩贯入深度存在累积效应;挤土效应的影响范围约为10倍管径,因此在施工过程中要给以足够重视;桩外侧摩阻力随贯入深度增加呈近似线性增长,桩内侧摩阻力随贯入深度增加而呈非线性增长,增长速率随贯入深度增加而逐渐增大;管内土塞处于不完全闭塞状态,土塞程度由完全非闭塞向部分闭塞过渡。此外,研究了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。     

RT模式下刚性挡墙土压力计算方法研究

针对绕墙顶向外转动的刚性挡土墙,提出一种土压力计算方法。根据土体渐进破坏机理,考虑土拱效应,建立了填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角的发挥与土体位移的非线性关系,并根据初始应力条件确定初始内摩擦角。采用改进的水平层分析法计算各转角下的土压力分布,并得到土压力合力大小及其作用点的计算公式。通过比较,不同转角下土压力强度、合力大小以及作用点计算值与模型试验实测结果接近。     

基于二次抛物线型强度包络线的管桩挤土效应分析

假定管桩在沉桩时的挤土过程是一个圆柱形孔扩张过程。基于具有抛物线型强度包络线和圆孔扩张理论对管桩的挤土效应进行分析研究。分析了桩周土体周围土体的弹塑性力学行为,得到应力场和位移场等的表达式,并求得其塑性区半径、孔内最终压力。其结果可以为管桩工程问题提供理论依据。      

软基路堤拓宽静压PHC管桩挤土效应现场试验

PHC（prestressed high-strength concrete）管桩近年来被广泛应用。PHC管桩为挤土沉桩模式,沉桩过程引起的挤土效应对周围环境产生不利影响并对其可打性和承载特性有重要影响。结合广－清（广州至清远）高速公路扩建工程,通过现场监测超静孔隙水压力和土体水平位移,进行PHC管桩挤土效应研究。水平位移利用固定式测斜仪测量,孔隙水压力使用振弦式孔压计测量,并使用自动系统进行数据采集。研究发现,沉桩过程中引起的超静孔隙水压力变化随深度增加近似呈线性增长,水平方向随距离的增加而减小;挤土效应产生的土体水平位移随距离的增大而减小,随深度增加而减小;挤土效应滞后现象明显,可导致成桩后的桩体倾斜;拓宽地基场地上管桩施工对老路地基影响小,场地条件对沉桩挤土效应影响大,老路路堤对垂直于路基方向的水平位移有约束作用。     

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。     

考虑软土结构性损伤的柱形孔扩张理论分析

采用考虑结构性损伤的四折线应变软化模型,针对管桩沉桩过程中产生的挤土效应,得出改进的柱形孔扩张理论解,并与已有模型进行对比分析,结果表明,简化的四折线模型与软土的典型压缩曲线最为接近,提出了四折线模型中各直线段和相应参数的确定方法。采用Mohr-Coulomb屈服准则和相关联流动法则,提出了桩周不同区域内土体的应力、应变计算公式,给出了极限软化半径、极限破坏半径和极限扩张压力的计算方法。结合工程实例,通过对比分析发现,四折线模型的位移计算值与实测值最为接近,能更好地符合管桩挤土效应的实际情况。     

考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降解析

考虑沉桩效应对桩周土体力学特性的影响,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型。在此基础上,根据群桩加载过程中桩周土体的变形模式,基于荷载传递法描述桩-土界面的非线性行为,采用剪切位移法考虑群桩之间的相互作用,提出了考虑沉桩效应的群桩非线性荷载-沉降混合计算方法。通过开展离心模型试验对该计算方法解答进行了验证,研究了沉桩效应和桩-土界面非线性特征对群桩承载特性的影响。研究结果表明,沉桩效应对桩周土体起到挤密作用,使得桩周土体的强度和刚度增大,从而提高了群桩的承载特性。群桩加载过程中桩-土界面刚度随沉降变形而逐渐减小,使得群桩荷载-沉降曲线呈现出明显的非线性特征。     

Research on Construction Technology and Formation Deformation of Shield Tunneling Under River

In view of the construction technology and formation deformation of the existing rivers under the subway shield interval tunnel, relying on Zhengzhou rail transit line 17 shield tunnel through the south-north water transfer channel project, using the trial tunneling method of shield tunnel test section to optimize all kinds of construction parameters, and the formation analysis and calculation of the determined digging pressure, noting the final parameters that are determined by comparison between the extractive parameters such as pulp pressure, and they are used in MIDAS GTS/NX finite unit analysis software for numerical simulation analysis, combined with on-site testing, to study the variation of different depth formation subsidence values and horizontal displacement values when passing through the south-north water transfer canal under water conditions, and put forward the reinforcement scheme of shield tunneling through the general river bed and hole. The results show that the maximum subsidence of the trunk canal shield through the bottom is 11.3 mm, and the verification parameters are reasonable and feasible. The horizontal subsidence trough of the soil above the over-soil layer at the top of the main canal embankment is distributed by Gauss. The sinking distribution can be estimated using the Peck formula, the middle of the layer subsidence trough is distributed horizontally, and the soil subsidence trough below it is inverted hump-like distribution, with the peak point directly above the center line of the two tunnels, and the vertical zero horizontal displacement surface is located in the middle line position between the two tunnels, and the horizontal zero horizontal displacement surface is located. The horizontal displacement curve of the soil layer above the soil layer is inverted S-type, the maximum displacement appears at the anti-bending point of the surface sedimentation trough curve, the horizontal displacement curve of the soil layer on the horizontal zero horizontal displacement surface is zero, and the lower soil layer curve is double-inverted S-shaped. In the construction, we should pay attention to the monitoring of the vertical subsidence and horizontal displacement of the deep soil, adjust the shield parameters and reduce the horizontal and vertical shearing effect of the deep soil on the surrounding pipeline, inner pile base and other structures during the construction of the shield.

     

软土中盾构法隧道引起的土体移动计算研究

对盾构法隧道施工引起的土体扰动范围进行了分析,根据极限平衡原理,认为Loganathan公式中假定的土体损失边界条件存在误差。考虑到土体内摩擦角对土体移动的影响,认为垂直土体变形区域边界线的水平倾角应等于（45°+? /2）,而不是45°。给出了修正的Loganathan公式,该公式适用于软土地区不排水条件。提出了盾构剪切扰动区范围的计算公式。算例分析表明,与Loganathan公式的计算结果相比,修正公式使沉降槽宽度和土体水平位移有所减小,计算结果与实测数据更加吻合。     

双圆盾构穿越下立交结构的流-固耦合数值模拟

依托上海轨道交通M10线双圆盾构区间隧道工程,对自由场下双圆盾构隧道施工力学行为进行三维有限差分数值模拟,分析了盾构施工地表沉降及超孔隙水压力的特征、量值与范围,并与监测结果进行对比,以得到能够反映施工技术水平的模拟施工参数。将该模拟施工参数应用于下立交下双圆盾构的推进,用以预测盾构掘进对下立交底板的影响。研究结果表明,在三面封闭的条件下,盾构施工引起的正超孔压很难向外界消散、负超孔压也很难得到外界水位的补给;在开挖面前方,底板受到挤压力,且挤压力主要由超孔隙水压力组成;沿横向方向,作用在下立交底板下的超孔隙水压力分布较均匀,而土体颗粒的挤压力则主要分布在其中线附近;下立交结构的刚性位移是引起底板沉降的主要原因,底板变形引起的沉降较小,变形最大值在盾尾脱离时取得。     

盾构法隧道施工工后横向地表总沉降研究

盾构法隧道施工引起的土体超孔隙水压力消散,会导致工后地表继续沉降。在前人研究基础上,提出了隧道周围土体的初始超孔隙水压力计算方法。采用分层总和法,计算由于扰动区内土体超孔隙水压力消散引起的地表固结沉降量,结合施工阶段地表沉降量,叠加得到总的工后横向地表沉降。提出了固结开始t时刻的地表总沉降量计算方法,研究了地表沉降速率随时间的变化。算例分析结果表明：本文方法计算得到的横向地表沉降曲线符合正态分布规律,与实测值吻合;地表总沉降速率的发展也与实测沉降速率曲线相符。     

土压平衡盾构反扭矩的分析和计算

盾构是土质隧道（洞）全断面开挖的高效、环保、安全、优质的地下工程施工机械,在国内城市地铁建设中已被广泛应用。盾构的始发掘进是盾构施工的关键技术之一,通过对盾构正常掘进和始发掘进的分析,引用土力学的基本原理,建立土压平衡盾构在这两种掘进模式下的力学模型,给出了土压平衡盾构在这两种掘进模式下的阻滞力矩计算公式,并对盾构正常掘进模式下阻滞力矩的构成和作用进行了分析。研究结果表明,正常掘进模式下,洞壁产生的阻滞力矩足以克服盾构刀盘刀具切削土体产生的反扭矩;而盾构在始发掘进时,必须在其托垫与其盾壳间采取防扭转措施。以在施工的某土压平衡盾构隧道工程为例,对所建立的公式进行了应用研究,取得了良好效果,可为土压平衡盾构的设计和应用提供参考。     

盾构法施工中楔形体模型滑裂面倾角的研究

在盾构开挖面极限支护力的计算理论中,楔形体模型由于简单、直观而得到广泛的应用,但确定滑动面倾角 较为繁琐,尤其是在迎坡条件下的研究较少。在梯形楔形体模型的基础上,通过引入盾构隧道的纵坡坡度角θ,建立了迎坡条件下的盾构开挖面极限支护力计算模型,推导出开挖面极限支护力计算公式。对开挖面支护力计算值的数据分析发现,不考虑渗流力和黏聚力的影响时,滑动面倾角 仅受隧道线路纵向坡度角 的影响较大,而土的内摩擦角c、重度 、开挖面直径D、埋深H和地表附加应力q对其影响很小;考虑黏聚力c的影响时,c≤11 kPa时滑动面的倾角 随黏聚力的增大逐渐减小,且当黏聚力、内摩擦角和开挖面直径一定时,滑动面倾角 只在某一特定数值附近小幅度变化,同时当开挖面直径D>5 m时,滑动面倾角随开挖面直径的增大而增大;土的重度、地表附加应力和埋深对滑动面倾角的数值影响不大,计算滑动面倾角时可不考虑它们的影响。在分析研究基础上得到了滑动面倾角 的计算公式,简化了极限支护力的求解过程。     

顶管施工中土体损失引起的沉降预测

顶管施工过程中不可避免地会产生土体损失,进而引起地面沉降。对前人工作进行总结,提出一个可以计算土体中任一点沉降的通用经验公式。假定土体不排水,考虑土体泊松比以及采用椭圆形非等量径向土体移动模式,对Sagaseta公式进行了修正。算例分析表明,在开挖面后方较远处,修正Sagaseta公式与Peck公式和Loganathan公式的计算结果较吻合。修正Sagaseta公式与累积概率曲线的变形规律一致,开挖面上方地面沉降量都为最大地面沉降量的一半,但累积概率曲线的影响范围小、收敛速度快;该方法也适用于盾构法施工。     

顶管施工引起的土体垂直变形计算方法研究

对前人工作进行总结,将3个已有的经验公式合并成一个通用经验公式,该公式可以计算由土体损失引起的土体中任一点沉降。假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解推导了顶管正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的土体垂直变形计算公式。结合土体损失引起的土体变形计算公式,得到顶管施工引起的总的土体垂直变形计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明,正面附加推力引起开挖面前方地面隆起,后方地面沉降,以开挖面正上方为轴线呈反对称分布,在正常施工时产生的地面变形较小;掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的地面变形分布规律与正面附加推力相似,轴线分别位于掘进机中间部位和后续管道中间部位的正上方。     

盾构近距离穿越施工的工作面土压力研究

盾构近距离穿越已建地下构筑物位移场的影响因素及其敏感性与常规施工有较大的不同。结合上海地铁四号线隧道超近距离穿越运营地铁隧道的工程实例发现当盾构接近上方近距离（净距为1.05 m）地铁隧道时地层土压力发生较大变化,相应的盾构土舱管理压力需作相应调整。根据隧道受荷机理及弹性力学原理,找到了这一问题的理论依据,便推导了相关理论公式,并在实际工程中设计了盾构土仓管理压力分步台阶控制方案,对盾构控制起到了很好的指导作用,成功地将地铁位移控制在5 mm之内。土压力实测结果与理论推算的数值大小及分布相当接近,说明所采用的理论方法是正确可靠的,在盾构超近距离穿越施工中具有重要指导意义。     

基于Peck公式的双线盾构引起的土体沉降预测

基于Peck公式,对双线水平平行盾构隧道施工中土体损失引起的三维土体沉降计算方法进行研究。考虑先行隧道施工对后行隧道的影响和两条隧道开挖面的不同位置,建立修正的三维Peck公式;通过分别计算先行盾构隧道和后行盾构隧道施工引起的土体沉降,叠加得到双线水平平行盾构施工引起的总的三维土体沉降。算例分析结果表明：预测值与实测值比较吻合;随着两条隧道开挖面前后距离的逼近,地面最大沉降量会逐渐增大;随着土体深度z的增大,沉降略增大、沉降槽宽度则略减小;当两条隧道轴线水平距离L较小时,地面沉降量较大,符合正态分布规律;随着L的增大,最大地面沉降量会逐渐减小,沉降曲线形状慢慢由V型转变成W型。