浅埋隧道开挖引起的土体水平位移分析

对于浅埋隧道开挖引起的土体位移规律很多学者进行了研究,但对于其水平位移规律的研究却不多。在总结比较现有3种地层沉降公式的基础上,结合其中一种地层沉降理论以及土体不可压缩的假设推导出了浅埋隧道上方土体的水平位移公式,使用该公式对相关文献中的实测数据以及有限元模拟结果进行了拟合对比,证明提出的公式能够较好地预测和描述浅埋隧道开挖引起的土体水平位移规律;另外,基于所推导的地层水平位移公式以及地层沉降理论公式,得出了该方法下的土体位移矢量角公式,并与O’Reilly 和New提出的方法进行了比较,所得结果与相关学者的研究结论一致,证明了该土体位移矢量公式的适用性。此研究成果可为相关实际工程中土体水平位移的计算和控制提供理论参考。     

隧道浅埋段施工过程监测技术

隧道浅埋段施工过程中围岩变形复杂,选取隧道拱顶竖向位移为研究对象,分析隧道浅埋段围岩竖向位移的监测方法,在阿拉坦隧道进行了实地监测,并建立有限元数值计算模型,分析隧道浅埋段围岩变形规律。结果表明:在0.6倍洞径范围内开挖对拱顶围岩竖向位移影响较大,达到总位移的61%~67%;与75 m范围内竖向位移比较,距离隧道中心1.2倍洞径处竖向位移几乎为零,围岩松动圈已延伸至地表,离隧道中心线越远扰动强度越弱。数值计算得出岩层及地表变化规律与现场实测基本一致。     

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。     

考虑椭圆化地层变形影响的浅埋隧道弹性解

研究了浅埋隧道周围地层最终变形的计算问题,提出了考虑椭圆化变形影响的计算模型和浅埋隧道位移边界条件,并利用Airy应力函数得到了该问题弹性解析解。在此基础上,通过算例分析了椭圆化变形对竖向位移和水平位移的影响。结果表明,椭圆化变形对水平位移的影响远大于竖向位移。     

既有路基下浅埋隧道开挖引起地层的位移及应力解析解

在既有公路下进行浅埋隧道开挖会引起地层产生位移,导致地表沉降。为了保证施工安全,快速精确地计算地层位移及应力,有效地控制地表沉降,对浅埋隧道的设计与施工均十分重要。在镜像法原理的基础上,引入等效模量当层法,推导出了在有上覆不同材料下浅埋圆形隧道开挖引起地层位移、应力及地表沉降的解析分布规律。计算结果表明,既有路基下开挖隧道引起地层产生的位移和应力解析解能够很好地体现上层高弹性模量路基对沉降及应力的扩散作用,可以求得隧道开挖后洞周地层包括上覆路基及下卧层中任意位置处的位移、应力以及地表沉降,为在双层地基材料中开挖浅埋隧道引起地层位移及地表沉降的计算提供了一种新的解析方法。     

考虑孔隙水压力及非线性Mohr-Coulomb破坏准则下浅埋土质隧道三维塌落机制的上限分析

浅埋土质隧道的稳定性研究一直是隧道工程的关键问题,而孔隙水压力的存在影响着浅埋土质隧道的安全。构建了隧道顶部为圆弧形的浅埋土质隧道的三维塌落机制,基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则和极限分析上限法,并考虑孔隙水压力的作用,推导出浅埋土质隧道的塌落范围及支护力的最优上限解计算公式。通过与既有研究进行对比,验证了所提方法的合理性。分析了不同参数对塌落范围、塌落土体的重力及支护力的影响,结果表明：孔隙水压力对浅埋土质隧道的塌落范围、塌落土体的重力及支护力有着显著的影响;孔隙水压力对塌落范围、塌落土体重力的影响比较复杂,而支护力都随着孔隙水压力系数的增大而增大;不同参数对浅埋土质隧道的塌落范围、塌落土体的重力及支护力的影响规律不同。新方法可为浅埋土质隧道的设计优化提供理论支撑。     

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。     

砂土中隧道施工对相邻垂直连续管线位移影响的模型试验研究

隧道施工会对邻近管线造成危害,但目前对土体位移与管线位移两者之间的关系还没有清晰的认识。针对这一问题,设计砂土中考虑不同管线管径、埋深及抗弯刚度的3组隧道施工模型试验,分析垂直下穿隧道施工过程中砂土和管线位移规律。研究结果表明,Vorster修正高斯公式能较好地拟合砂土沉降分布,其控制参数?值在0.2～1.0之间变化,且与地层埋深成正比;土体沉降槽宽度系数i对管线变形有较大影响,埋深相同的条件下管线抗弯刚度与沉降值成反比;深埋管线的变形主要受上拱效应支配,且管径越大上拱效应越明显,而下拉效应主要支配着浅埋管线的位移;Smax /i为影响管土相对位移一个关键参数,在此基础上提出了修正的管土相对刚度计算公式。     

盾构隧道下穿城市道路的路面沉降计算方法研究

随着我国城市化进程的不断推进,地下空间的开发和利用越来越受重视,特别是盾构隧道已成为工程建设的重要技术手段。而城市地下环境日趋复杂,市政隧道下穿既有道路的项目愈发常见,研究与之对应的土体位移预测方法对地下空间安全评估至关重要。借助弹性力学中薄壁圆筒的平面模型,构建相应的边界条件,推导出适用于有重地层浅埋圆截面土体沉降变形计算方法。以澳门纯钢纤维混凝土盾构隧道下穿友谊大马路工程为实例,并与不同收敛模式下随机介质理论进行对比验证。研究结果表明：理论公式与土体位移实测值吻合度较高,且略优于随机介质理论的计算结果。理论公式综合考虑了路基土体参数、隧道深径比及施工技术水平等因素的影响,计算结果合理可靠,可为盾构隧道下穿施工诱发土体位移预测提供重要的理论支持。     

基于复变函数方法的水下隧道围岩弹性分析

水下隧道属于浅埋隧道,故其围岩的应力位移分析从力学角度可简化为含圆孔半平面弹性体在水平边界上受任意分布荷载的问题。与深埋隧道不同,浅埋隧道围岩分析在数学处理上历来存在较大的困难。借助Verruijt提供的共形映射函数,把含圆孔半无限平面映射为圆环域,然后将像平面上的解析函数展成Laurent级数,利用Muskhelishvili 的复变函数解法,求得问题的应力场和位移场,最后用Fortran语言编写了计算程序。利用该程序给出一个水下隧道算例的围岩应力、位移结果,并分析了其受力变形特点。     

Vertical response of pile raft foundations subjected to tunneling‐induced ground movements in layered soil

A simplified analysis method has been developed to estimate the vertical movement and load distribution of pile raft foundations subjected to ground movements induced by tunneling based on a two‐stage method. In this method, the Loganathan–Polous analytical solution is used to estimate the free soil movement induced by tunneling in the first stage. In the second stage, composing the soil movement to the pile, the governing equilibrium equations of piles are solved by the finite difference method. The interactions between structural members (such as pile–soil, pile–raft, raft–soil, and pile–pile) are modeled based on the elastic theory method of a layered half‐space. The validity of the proposed method is verified through comparisons with some published solutions for single piles, pile groups, and pile rafts subjected to ground movements induced by tunneling. Good agreements between these solutions are demonstrated. The method is also used for a parametric study to develop a better understanding of the behavior of pile rafts influenced by tunneling operation in layered soil foundations. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

A simplified analysis method for piled raft foundations subjected to ground movements induced by tunnelling

A simplified method of numerical analysis has been developed to estimate the deformation and load distribution of piled raft foundations subjected to ground movements induced by tunnelling and incorporated into a computer program ‘PRAB’. In this method, a hybrid model is employed in which the flexible raft is modelled as thin plates, the piles as elastic beams, and the soil is treated as interactive springs. The interactions between structural members, pile–soil–pile, pile–soil–raft and raft–soil–raft interactions, are modelled based on Mindlin's solutions for both vertical and lateral forces. The validity of the proposed method is verified through comparisons with some published solutions for single piles and pile groups subjected to ground movements induced by tunnelling. Thereafter, the solutions from this approach for the analysis of a pile group and a piled raft subjected to ground movements induced by tunnelling are compared with those from three‐dimensional finite difference program. Good agreements between these solutions are demonstrated. The method is then used for a parametric study of single piles, pile groups and piled rafts subjected to ground movements induced by tunnelling. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响

在分析隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响时,基于荷载传递法和Winkler地基模型,利用两阶段分析法通过迭代求解给出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答。通过与离心机试验的短期和长期试验结果的对比,分析了隧道开挖对邻近单桩的竖向影响,从而验证该方法的合理性和适用性。讨论了隧道开挖情况下隧道中心线距地表的距离、隧道中心线与桩轴线的距离、平均地层损失比、桩长、桩径、桩身强度6种因素对邻近单桩竖向受力特性的影响,提出隧道开挖对邻近单桩的竖向受力特性的影响规律。结果表明：随着隧道中心线距地表距离的增加,桩身沉降和桩身轴力先增大然后逐渐减小;随着隧道轴线与桩轴线距离的增加,桩身沉降逐渐减小,桩身轴力增大到一定值后逐渐减小;随着平均地层损失比的增加桩身沉降不断增大,桩身轴力逐渐增大到稳定值。     

盾构法开挖隧道对桩基础影响的有限元分析

利用有限元软件ABAQUS,采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟天津市地铁1号线盾构施工。计算结果表明,有限元模型能够很好地模拟盾构施工过程。利用此模型研究隧道开挖对桩基础的影响。隧道开挖引起的桩顶沉降、桩身侧移主要发生在盾构机推进面逐渐接近桩的过程中,当盾构机推进面通过桩所在的位置后桩顶沉降、桩身侧移增加不明显;与隧道水平距离相同时,由于长桩能够充分发挥桩身下部的侧摩阻力,隧道开挖引起的长桩的桩顶沉降小于短桩的桩顶沉降;隧道开挖过程中12 m长桩的桩身发生了整体倾斜,16、19 m长桩的桩身出现了弯曲变形,16、19 m长桩的桩身最大弯矩发生在地面下12～13 m之间,即在隧道轴线附近;开挖过程中桩顶出现沿隧道推进方向的往复位移;桩顶作用的竖向荷载越大,由隧道开挖引起的桩顶沉降越大     

砂土中隧道开挖对邻近桩基竖向影响的简化计算方法

基于砂土中隧道开挖引起的土体竖向位移经验公式,分析隧道开挖对邻近桩基础的竖向影响。采用两阶段计算方法,将邻近桩基础视为竖向被动桩,依据砂土中隧道开挖引起地表及地表以下土体产生的沉降槽,考虑桩土相互作用的非线性,得到砂土中隧道开挖对邻近桩基础轴力影响的简化计算方法,并与土工离心试验结果进行对比,验证了该方法的合理性。在研究过程中,分析了隧道覆盖层厚度、隧道直径、隧道与桩之间的距离、隧道土体损失率、桩长、桩径等因素。研究结果表明,桩身轴力随着覆盖层厚度的增加而减小,随隧道直径和土体损失率的增大而增加;隧道与桩之间距离为2.5倍隧道直径时对轴力的影响最大;随着桩长、桩径的增加,桩身轴力逐渐增加。     

A simplified analysis method for piled raft foundations in non‐homogeneous soils

A simplified method of numerical analysis based on elasticity theory has been developed for the analysis of axially and laterally loaded piled raft foundations embedded in non‐homogeneous soils and incorporated into a computer program “PRAB”. In this method, a hybrid model is employed in which the flexible raft is modelled as thin plates and the piles as elastic beams and the soil is treated as springs. The interactions between structural members, pile–soil–pile, pile–soil–raft and raft–soil–raft interactions, are approximated based on Mindlin's solutions for both vertical and lateral forces with consideration of non‐homogeneous soils. The validity of the proposed method is verified through comparisons with some published solutions for single piles, pile groups and capped pile groups in non‐homogeneous soils. Thereafter, the solutions from this approach for the analysis of axially and laterally loaded 4‐pile pile groups and 4‐pile piled rafts embedded in finite homogeneous and non‐homogeneous soil layers are compared with those from three‐dimensional finite element analysis. Good agreement between the present approach and the more rigorous finite element approach is demonstrated. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

CFG复合桩在软弱地基处理中的应用

某工程采用CFG复合桩对软弱地基土进行处理,持力层为粉质粘土,设计单桩承载力标准值180kPa,复合地基承载力标准不低于220kPa,采用沉管法施工。成桩后进行桩间土的力学性质测试发现,施工前后桩问土的强度没有提高,土的挤密度不明显;运用单桩静力载荷试验分析发现,I区的l号桩发生刺入破坏,单桩承载力标准值按比例荷载计算为105kPa,远低于理论预估值,Ⅱ区单桩承载力标准值按比例荷载计算为185kPa,与设计值相近。用单桩动测试分析发现原因是由于桩间土的差异及施工桩身的施工质量问题所致。     

隧道开挖引起邻近单桩水平反应分析

隧道开挖会降低邻近桩基承载力,如何更为合理评价桩基水平附加响应是需要解决的问题。基于Pasternak双参数地基模型和三折线弹塑性荷载传递模型,采用两阶段分析法,并考虑侧向土体作用及地基土层的非均质特性,提出了更符合实际的单桩水平反应简化分析方法。通过与Winkler地基梁法及边界元法的对比分析,验证了方法的合理性。结合对单桩水平反应的多种影响因素进行参数分析,通过各因素相应的修正系数来对基准工况中单桩最大水平反应进行修正,得到计算工况中单桩的最大水平位移和最大弯矩。分析结果表明,桩基水平位移计算时可忽略侧向土体作用,而弯矩计算时应予以考虑;桩基计算工况的最大水平位移 最大弯矩 与平均地层损失比 呈现线性关系,而与隧道半径R、隧道轴线深度H、桩距隧道中心线距离x及桩身柔度系数 均呈现非线性关系。     

黏土地基中能量桩力学特性数值分析

能量桩是将地源热泵系统中的换热管埋置在桩体内部,桩同时起到承载和换热的作用,是一种新型的基础型式。为了合理分析黏土地基中能量桩的力学特性,需要了解能量桩运行过程中桩和地基土的温度响应,并考虑温度变化对土体力学性能的影响。基于有限元软件ABAQUS建立了能量桩传热分析三维有限元模型,把能量桩的传热简化为换热管内液体与管壁之间的对流传热、桩体中的热传导和地基中的热传导,将计算结果与常规理论和实测数据进行了对比验证。对热力耦合边界面本构模型进行了二次开发,通过算例验证了模型对土体压缩和剪切性状温度效应的模拟能力。利用所提出的能量桩传热分析方法和热边界面模型,考虑不同的桩顶工作荷载水平,对正常固结黏土地基中能量桩单桩的长期性能进行了研究,分析了温度循环对桩顶沉降、桩侧摩阻力和桩身轴力的影响。结果表明,工作荷载越高,温度循环次数越多,桩顶累积沉降越大。     

层状地基中地铁施工垂直穿越既有管道变形分析:耦合方法与两阶段方法对比

地铁施工引起的临近既有管道变形是城市轨道交通建设中较为关心的施工问题。目前,针对该领域的研究一般假定地基土体均质,而没有考虑地基的自然成层性,此外大多没有考虑既有管道变形与土体自由位移场相互作用的耦合效应。为此,基于弹性层状半空间地基模型,针对隧道开挖边界引入非均匀收敛变形径向土体位移移动模式,提出了层状地基中地铁施工垂直穿越既有管道变形的耦合分析方法和两阶段分析方法,并进行了算例对比和参数分析。结果表明:耦合方法在分析非均质层状地基时具有较好的计算精度,其精度要高于基于Loganathan和Poulos公式的两阶段方法;同时,地基土体的成层性对既有地下构筑物的变形性能具有较大影响。研究成果可为合理制定城市地铁施工对周围环境影响的保护措施提供一定的理论依据。