橡胶-粉土轻质混合土中管道动力响应特性

埋地管道在交通荷载等作用下会发生破坏，对区域内的经济和生活造成较大的影响。近年来废弃橡胶轮胎颗粒与土混合成轻质土逐渐被用于路基填料等领域。设计完成了冲击动载下橡胶?粉土轻质混合土中管道动力响应特性的模型试验，采用等体积置换法在地基土中掺入0%、10%、20%、30%的废轮胎颗粒，通过路基的表层沉降以及埋地管道的变形特性来研究轻质混合土作为路基填料的减振性能。试验结果表明，加入橡胶颗粒能有效减小路基表层沉降，当橡胶含量10%时，路基沉降减小最明显；埋地管道在冲击动载的作用下表现出“压扁”的形态特征，加入橡胶颗粒能明显减小埋地管道的应变及弯矩响应，当橡胶含量为20%和30%时，管道的应变和弯矩减小更为明显。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

基于光纤传感及数字图像测试的管-土相互作用试验研究

我国城市化、工业化进程对地下管线的依赖性和需求越来越强,但是近年来相关的重大安全事故频发,亟待加强对管道破坏机理及管-土相互作用的研究。本文基于准分布式光纤布拉格光栅(FBG)技术,在室内开展了一系列平面应变模型试验,利用光纤应变传感器监测了地表加载作用下埋地管道的受力变形特征,据此提出了由应变测值反演管周土压力的计算方法;同时,利用粒子图像测速(PIV)技术获取了管道周边土体的变形规律,并和光纤监测结果进行了对比分析。试验结果表明:采用FBG传感技术,可以有效获取管周土压力分布及土体应变的演化过程;不同埋深率情况下管周土体的变形破坏模式有较大的不同,土拱效应随管道埋深增大而变得更加显著。相关结论为进一步认识埋地管道的灾变机理、提高监测预警水平,提供了一定的参考。     

采空塌陷区管土相互作用特征分析

文章分析了采空塌陷作用下油气管道的受力特征,将采空区地面塌陷过程中塌陷土体与管道的相互作用分成了下塌土蠕变、管体局部暗悬、管体完全悬空外露和土体突发沉陷4个阶段。基于抗大变形钢特性及应变设计理念的管体应力—应变关系,对Ramberg-Osgood本构关系进行了二次开发。结合急倾斜煤层开采实例,利用FLAC3D数值模拟计算了塌陷宽度相同条件下,不同土体下沉变形时管体与地表土体相互作用及变形的关系,验证了管道在受采空塌陷作用下经过的各个阶段及受力特征。     

地层渐进成拱对浅埋隧道上覆土压力影响研究

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中,浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化,受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同,同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系,因此,不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况,提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制;其次,同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系,确定拱内土体应力分布;随后,优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后,对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力,初始松动区范围不受覆跨比影响,而受地层强度影响,随内摩擦角增加而减小;（2）最大拱效应阶段以后,松动土压力随地层变形发展而增加,深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢,反之较快;（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加,深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显;（4）对于下北山隧道,初始地层拱存在,初始松动土压力为0.37 ,极限松动土压力为0.41 ,最终松动土压力为0.54 ,隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。     

地层沉降协调法防治煤矿立井破坏试验研究

近年来已有许多专家学者对立井附加应力的产生以及相应的消除方法进行了理论和试验研究,在此基础上,本文首次提出地层沉降协调法,分析了其作用机理,进行了立井井壁变形破坏防治的试验研究,对地层沉降协调法消除附加应力的有效性进行了分析。试验中通过设置不同的隔离协调条件,得出了地层排水固结沉降过程中井壁应变变化以及土体表面沉降变形规律。结果表明,开始阶段的井壁纵向应变都有突然增大的现象,其中未加隔离体试验的突增较大。隔离协调体对井壁纵向应变的突变有减小作用。此外,隔离体能够有效减缓其内侧沉降速率以及最终沉降量。地层沉降协调法可以明显降低沉降过程中井壁纵向应变突增值与稳定值以及竖向力与最大主应力,同时可以保持井壁横向变形及受力的稳定,因此,可以发展为防治矿山立井井壁破坏的有效方法。     

既有桩基荷载对邻近浅埋隧道开挖效应及支护内力影响的研究

建立了包括地层模型、桩基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型以及桩基荷载、地层压力、地层沉降、支护应变量测装置的平面应变模型试验系统;通过模型试验,研究了不同水平、竖向相对位置处的既有桩基荷载对附近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征。另外,采用FLAC3D软件,对模型试验及不同工况进行了数值模拟。结果表明：（1）与没有桩基荷载的自由地层中的隧道开挖试验相比较,地层中的既有桩基荷载会明显地改变邻近浅埋隧道开挖引起的地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力;（2）对于桩径和水平相对距离都相同,但桩长不同的桩基荷载,桩长与隧道埋深比值为1.0时,对隧道开挖效应影响最大,二者比值小于1.0时,其影响程度随着比值的减小而减小,二者比值大于1.0时,桩长的改变对隧道开挖效应影响较小;（3）对于桩径和桩长都相同的桩基荷载,对地层压力、地层沉降及支护内力的影响随桩基荷载与隧道的水平距离的减小而增大,桩基荷载距隧道的水平距离与隧道直径比值介于0.5～4.0时,桩基荷载对隧道开挖效应影响较大,隧道较危险,比值介于4.0～6.0时,影响较小,比值＞6.0时,影响可以忽略不计。     

地铁暗挖施工引起的管线与地层沉降关系研究

依托北京地铁4号线公益西桥站工程,建立结构-地层-管线三维弹塑性数值模型,基于管线周边地层沉降及地表沉降实测数据分析,研究西南出入口暗挖施工上方管线周边地层变形规律。通过现场实测数据、数值模拟及经验公式计算结果综合对比,分析了管线刚度对地层变形抵制作用的影响。研究表明：管土相对刚度小于0.18时,管线与土体沉降差小于5%,可用经验公式计算出的管线轴线处地层沉降代替管线沉降。随管线刚度的增大,管线对土体变形的抑制作用逐渐增强,沿深度方向地层沉降量增大速率减小,并会出现负增长,甚至出现地层沉降小于地表沉降的情况。通过对数值计算结果的拟合分析,提出了刚性接头管线与地表沉降比和管土相对刚度的经验公式。工程实例应用结果表明,计算值与实测值偏差小于4%,验证了该方法的适用性。     

考虑地下水浸没作用的固结沉降计算方法

研究了地下水浸没对附加应力减小的作用,同时分析了附加应力变化对最终沉降量的影响,给出了考虑地下水浸没作用的大、小应变条件下的固结沉降计算公式,并对几种工况下的计算结果进行了对比分析。结果表明,考虑地下水浸没作用对地基固结沉降的影响随荷载和土压缩性以及土层厚度的增加而增大,采用大变形固结理论计算固结沉降较符合实际情况。     

地裂缝活动作用下地层应力和位移传递规律研究

以西安地裂缝典型地段为研究对象,建立基于实际地裂缝活动方式的地质力学模型,通过FLAC3D数值模拟,研究地裂缝活动作用下地层应力和位移传递规律。结果表明:地裂缝活动作用下,地表竖向沉降变形曲线近似呈反“S”形,表现出“牵引挠曲”现象,水平位移曲线出现明显波峰现象;随着地裂缝位错量的增大,地表竖向和水平位移均逐渐增大;基于地裂缝活动引起的地表变形平均倾斜值,确定了地裂缝带影响区范围为上盘21 m和下盘13 m。地裂缝活动引起两侧地层断距由深部到浅表部逐渐减小,具有明显的变形传递衰减特征,且地层断距随埋深的变化曲线可近似概化为一个四次多项式方程。地裂缝活动导致上盘地层出现应力降低区,下盘地层出现应力增强区,上盘应力降低区范围大于下盘应力增强区,且上、下盘应力变化范围随着位错量的增大均逐渐增大。地裂缝活动作用下地裂缝两侧地层应力影响区随地层埋深的增大而增大,其与埋深之间关系近似满足三次多项式方程。研究结果可为盆地断裂控制型地裂缝发育区的工程防灾减灾提供科学依据。     

开采沉陷区埋地管道力学反应分析

开采沉陷引发地表变形,导致埋地管道大范围弯曲变形,对管道安全运行构成严重威胁。采用概率积分法预测沉陷区地表三维变形,考虑管-土间的轴向作用和管材非线性等因素,推导管道物理伸长和几何伸长的变形协调方程,迭代求解管道轴心应力和应变。通过实例分析了开采沉陷区埋地管道的应力-应变分布。结果表明,管道除了发生空间弯曲变形外,管-土间的摩擦力还导致管道产生轴向拉、压变形。解析方法计算结果与有限元方法吻合较好,适于以任意角度穿越沉陷区埋地管道的应力-应变计算。分析了开采参数、管道参数以及回填土性质等对管道的变形和应力影响,提出沉陷区埋地管道最大应力与应变的简化评定公式     

地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响

洞桩法能够较好地控制地层变形和对周边既有建（构）筑物的影响,目前已成为北京地铁暗挖车站施工的主流工法。以北京地铁10号线黄庄站工程为背景,基于地表和管线沉降的实测数据,建立“隧道-管道-土体”的三维有限元计算模型,研究了洞桩法车站施工对地层的影响,并从沉降、变形和管-土相互作用等方面系统研究了施工对邻近刚性接头管道的影响。研究结果表明,洞桩法车站施工中导洞和扣拱施工是关键工序,这两个工序引起的地表沉降占总沉降的90%以上;刚性接头管道的沉降、变形及管道-土体差异沉降与管道和隧道相对位置关系密切相关,主要受其正下方土体开挖影响;管道变形由整个管体共同承担,地层位移使管道产生弯曲和轴向变形,建议采用应变作为管道变形控制标准。     

模块式加筋土挡墙模型试验及静动力学性能研究

加筋土挡墙作为道路路基的一部分,不但受到路面基础设施等静荷载,还承受着车辆行驶所带来的交通荷载。为研究静、动荷载下模块式加筋土挡墙的力学特性及工作性能,开展室内大模型试验,对比分析了加筋土挡墙的沉降及面板水平位移、侧向土压力系数、格栅应变等力学行为的变化规律。结果表明：静、动荷载下挡墙的破坏模式分别以局部剪切破坏和面板挤出破坏为主,格栅的最大应变量分别为1.7%和4.5%,均未达到破坏应变;两种荷载下挡墙的极限承载力相等,相比于静载,动载作用下墙顶最大沉降量增大了280%,面板最大水平位移增大了180%;加载板下降过程中四周土体受挤压发生变形,向面板施加额外的水平附加应力,从而导致墙背处的侧向附加应力系数Kr高于理论值;动载作用下土颗粒不规则运动,土中动加速度响应受动载幅值的影响较大,靠近墙面处的加速度峰值沿墙高H由上到下逐渐减小。研究成果有助于揭示静载与交通荷载作用下加筋土挡墙的力学行为和破坏机制以及提高模型试验与实际工程的关联程度。     

加筋土挡墙静动力学特性大模型试验研究

为了研究加筋土挡墙在交通荷载作用下的受力变形特性,分别设计了在静载和动载作用下的加筋土挡墙大模型试验,分析了加筋土挡墙的竖向土压力、挡墙面板变形、加载板沉降以及动力加速度等参数的分布规律。试验结果表明:静、动荷载作用下加筋土挡墙受振源荷载的水平影响范围约为0.16～0.54H(墙高),挡墙土压力均呈现水平方向上由振源中心向两侧减小的趋势;同时静动荷载下挡墙面板水平位移的主要影响范围为墙顶往下约为0.55H;加载前期加筋土挡墙内部结构是一个逐渐压密的过程,动荷载作用下加载板沉降量在整个逐级荷载值变化临界处随荷载值的增大呈斜坡“阶梯”式发展;筋土结构对加速度响应有着显著的消散作用,且随着离荷载作用点距离的增大而减小。     

加筋土挡墙静动力学特性大模型试验研究

为了研究加筋土挡墙在交通荷载作用下的受力变形特性,分别设计了在静载和动载作用下的加筋土挡墙大模型试验,分析了加筋土挡墙的竖向土压力、挡墙面板变形、加载板沉降以及动力加速度等参数的分布规律。试验结果表明:静、动荷载作用下加筋土挡墙受振源荷载的水平影响范围约为0.16～0.54H(墙高),挡墙土压力均呈现水平方向上由振源中心向两侧减小的趋势;同时静动荷载下挡墙面板水平位移的主要影响范围为墙顶往下约为0.55H;加载前期加筋土挡墙内部结构是一个逐渐压密的过程,动荷载作用下加载板沉降量在整个逐级荷载值变化临界处随荷载值的增大呈斜坡“阶梯”式发展;筋土结构对加速度响应有着显著的消散作用,且随着离荷载作用点距离的增大而减小。     

覆盖型岩溶土洞对地下水升降作用的响应及其塌陷演化过程研究

福建省岩溶塌陷地质灾害发育,其发育程度仅次于滑坡、崩塌地质灾害。为研究岩溶塌陷的演化过程,本文以福建省典型覆盖型岩溶塌陷为研究对象,现场采取了覆盖层土样,在自制的物理模型箱中布设光纤光栅应变传感器、孔隙水压力计、沉降计等监测仪器获取不同条件下覆盖层土体的应力-应变信息,分析了覆盖层土体的响应情况,研究了典型覆盖层岩溶塌陷的发展演化过程。研究结果表明：(1)第四系覆盖层孔隙水位升降作用下,土层的孔隙水压力值基本呈等幅变化,底层土体变形最弱,顶层土体变形最大,两者的应变差值最大可达5倍。水位升降对土洞周围土体的破坏较小,土洞尚未形成。(2)岩溶水水位反复升降的过程中,孔隙水压力的增减与渗流水位变化同步;同一水平面上越靠近溶洞的土体产生的应变越大,且土层越高,应变差值越大,顶层土体应变差值达2000με。土洞顶板变形在水动力作用与真空吸蚀作用下不断向上发展,当变形发展超过临界土洞高度40 cm时,形成地面塌陷。(3)典型覆盖型岩溶塌陷演化过程可划分为土洞发育-覆盖层内部塌陷-地表塌陷3个不同阶段。(4)闽西南岩溶土洞塌陷大多发生于山间盆地河谷两侧地下水强径流排泄区,覆盖层厚度较大,多为第四系...     

地埋管道与土相互作用平面分析与计算方法

地埋管道上实测的土压力并不是按现行计算方法假定形状分布的,其分布形式与管土的相对刚度及施工埋设方式密切相关。为此,依据现场实测和模型试验得到的地埋管道受力特征,在平面应变条件下,采用建立的管-土相互作用分析Vlazov模型来模拟管-土之间的相互作用,考虑管道不同的埋设条件、管周的不同充填介质及管-土相互作用引起的土压力状态等情况,建立了地埋管与土相互作用平面问题的传递矩阵分析法。并设计了可视化计算机软件,实现了计算手段的创新。运用此软件对现场埋管工程作了分析计算,并与实测结果进行比较,验证了所建立的计算方法的正确性。     

重叠隧道上覆地层变形规律分析

通过对深圳地铁Ⅰ期工程浅埋暗挖法施工的重叠隧道现场调研,并结合施工中的试验、监测成果对重叠隧道上覆地层（地表、地中）水平、竖向变形和隧道结构变形进行了综合分析,明确了富水含砂软弱地层地铁隧道拱顶沉降大于地表沉降的事实,得到地层变形的三维变化规律和重叠隧道分步开挖的施工时空效应;并实测得到未降水施工条件下隧道结构周边超静孔隙水压力分布及其随开挖变化规律。研究结果对于同类地层条件下地铁隧道设计、施工有一定的借鉴作用。     

盾构地中对接冻结加固模型试验(Ⅱ)——冻结过程中地层的冻胀效应研究

盾构地中对接冻结加固过程中形成不规则形状的冻结体,产生的冻胀效应会引起上部地层产生不均匀冻胀变形。为了获得冻结过程中冻胀效应对上部地层变形的影响规律,以上海地区软土地层中盾构地中对接冻结工程为原型,按照相似理论,设计进行了盾构对接位置地层冻结加固的模型试验,获得了如下结论:冻结过程中,冻胀引起上部地层的变形量随着冻结壁厚度的增长而线性增大,当冻结壁发展超过测点位置后,相应位置的地层变形不再变化。冻结产生的冻胀力对上部地层有压缩作用,随着地层内测点埋深的增加,地层变形量和地层平均应变都逐渐增大。当冻胀力超过土层的黏聚力后,上部土层的滑动使地层平均应变不再增加,地层不再被压缩,下部地层的变形会直接传递到上部地层。研究结果表明,影响冻结加固体上部地层变形量的主要因素是冻结壁的厚度,次要因素是地层的埋深。     

交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究

沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工,开挖引起的地层沉降很难控制,如何防止大面积的地层沉降,保证既有建(构)物安全成为施工难题。基于此,本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型,运用三维有限元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析,研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明,新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大,上软下硬地层次之,长距离硬岩段最小,沉降随土层弹性模量的增加而减小;同时,既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大;随隧道间距的增大而减小,当间距小于2倍衬砌外径时,既有隧道沉降较大,存在损坏的危险。最后,提出了相应的沉降控制对策。