非均质地基中平面应变隧道开挖面稳定上限分析

非均质是软黏土地基中比较普遍的现象,而目前隧道开挖面稳定研究中比较成熟的理论主要是针对均质土体。因此,从塑性极限分析上限法的基本原理出发,采用平面应变隧道刚体平动破坏模式(多块体上限法),考虑软黏土地基的非均质性,推导了平面应变隧道极限支护压力关于隧道埋深、土体重度及土体强度的上限公式。通过与其他方法的比较分析,证明了极限分析方法在隧道开挖面稳定性方面的可行性;利用该方法的计算结果详细探讨了隧道开挖面稳定的影响因素;而且由计算结果可知,地基土的非均质性在影响隧道开挖面极限支护压力的同时,也影响着隧道开挖破坏面的位置和形状,为工程实践提供重要的理论依据。     

非均质土体中盾构隧道开挖面支护力上限分析

基于对数螺旋破坏模式,考虑黏土的非均质特征,采用极限分析上限法推导了盾构隧道掌子面支护力计算公式,通过优化计算得到了不同条件下的最优上限解。采用该破坏模式与已有的模型试验、工程实例进行对比,验证了在非均质土中采用双对数螺旋极限分析上限法的适用性;同时详细分析了在土体不同参数条件下,隧道掌子面支护力、滑动面范围的变化趋势以及工程影响,结果显示在非均质土中,掌子面支护效率的主导因素是初始黏聚力与掌子面超前核心土,最后通过归一化处理得到了非均质土中极限支护力的设计推荐图,可为工程中初步确定盾构隧道掌子面支护压力提供理论依据。     

各向异性和非均质黏土粗糙地基承载力上限计算

通过构建一种网格状多刚性块破坏机制,利用上限法研究了黏土地基各向异性和非均质对粗糙条形基础地基承载力的影响。该破坏机制允许滑动面和速度矢量沿破坏区域过渡区的径向和切向发生变化,形成了更为精确的破坏机制和塑性流动速度场。根据上限定理得到各向异性和非均质性黏土上条形基础极限承载力的目标函数,将其转化为非线性规划问题,并通过编程对该计算模型进行求解。与已有研究成果对比分析表明,两者具有较好一致性,且优于现有同类方法。文中亦探讨了黏土地基非均质、各向异性以及其他相关参数对地基承载力的影响。     

非均质各向异性黏土光滑条基承载力上限解

黏土地基中土体强度的非均质和各向异性是比较突出的现象。在已有工作的基础上,根据目前常用的不排水条件下饱和黏土非均质和各向异性强度模型,采用已被证实计算光滑条基极限承载力相当高效的多块体离散模式,编制了考虑强度非均质和各向异性时黏土地基上光滑条基地基承载力计算的多块体上限解计算程序,实现了非均质各向异性黏土地基上光滑条基地基极限承载力的多块体上限解法。为验证多块体上限解法的应用情况,将计算结果与已有的上限解、滑移线解等做了广泛的对比发现,该处计算非均质和各向异性黏土地基上光滑条基极限承载力的上限方法是相当有效的。为方便应用,基于多块体上限方法给出了非均质和各向异性条件下地基承载力系数 的计算曲线。探讨了 随土体强度非均质和各向异性的变化规律。通过分析非均质条件对地基破坏面的影响,揭示了非均质对地基承载力影响的内在原因。     

非均质与各向异性黏土基坑抗隆起稳定分析

经典的Prandtl 机构不能很好地反映支护结构入土深度的影响,也不能反映土体强度非均质和各向异性的影响。根据塑性极限分析上限定理,基于修正的Prandtl机构,推导了既可以合理反映支护结构入土深度影响,又可以反映土体强度非均质和各向异性特性的基坑抗隆起稳定的上限解公式,同时基于商业化程序的二次开发,建立了可以考虑土体强度非均质和各向异性影响的强度折减弹塑性有限元方法。通过提出的修正Prandtl机构上限解与强度折减有限元方法以及多块体上限解的对比,验证了修正机构上限解以及强度折减有限元法的合理性和可行性,最后讨论了非均质系数、各向异性系数、支护机构入土深度等因素对基坑抗隆起稳定性的影响,并通过了实例的验证,相关结论可供工程参考。     

基于刚体平动运动单元的上限有限元研究

刚性块体极限分析上限法常应用于岩土工程稳定性研究,然而应用时需假定刚性块体破坏模式并递推繁琐的几何关系。为此,提出一种适应性更广的基于非线性规划模型的刚体平动运动单元上限有限元法,并解决了其优化模型初始值的确定问题。通过引入有限单元思想,将计算区域离散成刚体单元,同时以单元速度和节点坐标作为决策变量,由上限定理建立非线性规划模型获得上限解。利用编制的上限有限元程序进行边坡和浅埋隧道稳定性算例验证,表明运动单元上限有限元法能调整速度间断线至较优方位,所得破坏模式特征鲜明,上限解精度高,可广泛应用于边坡、隧道等稳定性分析研究。     

浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度分析

开挖面支护压力是影响隧道开挖面稳定的重要施工因素,也是进行隧道开挖稳定性可靠度分析的关键。采用FLAC3D软件计算开挖面的最小极限支护压力,结合响应面法计算浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度指标卢,将土体粘聚力和内摩擦角作为随机变量,考虑土体粘聚力和内摩擦角之间的相关性。分析结果表明,不考虑参数相关性计算得到的可靠性指标偏于保守。通过计算验算点处的极限支护压力与原支护压力比较,证明响应面法在结合FLAC3D计算开挖面稳定的可靠度方面是足够准确的。     

盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究

目前,盾构隧道开挖面稳定性评价方法均是确定性方法。为了考虑土体参数的变异性,提出用可靠方法来评价其稳定程度。采用数值模拟方法,研究了隧道开挖面极限支护压力。基于BP神经网络预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力,对其进行统计,得其概率分布特征。在理论分析的基础上,结合工程实际,探讨了盾构施工土压力的确定原理。建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程,对其进行了可靠度分析。该研究除能够科学、合理地评价开挖面的稳定程度外,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。     

深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式的上限分析

相对于盾构隧道施工的大量需求与快速发展的状况,国内在盾构工法特别是大型深埋盾构隧道施工技术和理论研究方面还存在不足,特别是水压条件下深埋盾构隧道开挖面稳定问题。基于极限分析上限法和水土压力统一参数,对考虑水压影响的均质土深埋隧道开挖面稳定性计算方法进行研究,建立了考虑水压影响的深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式模型,并推导了其极限支护压力计算公式。然后利用土层厚度加权平均法,可将上述方法应用于多层土深埋盾构隧道开挖面稳定性的评价中。最后,以上海长江盾构隧道实际工程为例,采用本文推导的极限分析上限三维对数螺旋破坏模式方法计算并分析其极限支护压力,并将计算结果与前人研究和规范方法计算的结果进行对比分析。通过该研究可改进与完善水压条件下深埋盾构隧道极限支护压力确定方法,从而为考虑水压条件下盾构隧道施工支护压力的合理确定提供理论依据。     

非均质边坡稳定性上限分析评价研究

边坡稳定性评价研究是土力学经典问题。为研究非均质边坡稳定性问题,以上限分析法为理论基础,建立非均质边坡分段对数螺旋线破坏机构。应用拟合多项式近似描述对数螺旋线,计算破坏机构外力功率和内能耗散率,应用设计的计算流程进行强度折减循环计算,使边坡逐步过渡至极限平衡状态,确定边坡安全系数。以某露天矿南帮边坡为工程背景,经过反复强度折减,最终确定安全系数,通过变换初值的方式验证计算流程的稳定性,应用严格Morgenstern-Price法验证计算结果的准确性。研究结果表明:该流程性能稳定,不受初始值影响。相比于严格Morgenstern-Price法,二者安全系数计算结果偏差小于5%,可充分满足工程实践要求。同时,上限分析法求得的最危险滑面满足速度分离关系,具有更强的工程参考价值。     

非均质边坡稳定性上限分析评价研究

边坡稳定性评价研究是土力学经典问题。为研究非均质边坡稳定性问题,以上限分析法为理论基础,建立非均质边坡分段对数螺旋线破坏机构。应用拟合多项式近似描述对数螺旋线,计算破坏机构外力功率和内能耗散率,应用设计的计算流程进行强度折减循环计算,使边坡逐步过渡至极限平衡状态,确定边坡安全系数。以某露天矿南帮边坡为工程背景,经过反复强度折减,最终确定安全系数,通过变换初值的方式验证计算流程的稳定性,应用严格Morgenstern-Price法验证计算结果的准确性。研究结果表明：该流程性能稳定,不受初始值影响。相比于严格Morgenstern-Price法,二者安全系数计算结果偏差小于5%,可充分满足工程实践要求。同时,上限分析法求得的最危险滑面满足速度分离关系,具有更强的工程参考价值。     

非均质边坡稳定性上限分析评价研究

边坡稳定性评价研究是土力学经典问题。为研究非均质边坡稳定性问题,以上限分析法为理论基础,建立非均质边坡分段对数螺旋线破坏机构。应用拟合多项式近似描述对数螺旋线,计算破坏机构外力功率和内能耗散率,应用设计的计算流程进行强度折减循环计算,使边坡逐步过渡至极限平衡状态,确定边坡安全系数。以某露天矿南帮边坡为工程背景,经过反复强度折减,最终确定安全系数,通过变换初值的方式验证计算流程的稳定性,应用严格Morgenstern-Price法验证计算结果的准确性。研究结果表明:该流程性能稳定,不受初始值影响。相比于严格Morgenstern-Price法,二者安全系数计算结果偏差小于5%,可充分满足工程实践要求。同时,上限分析法求得的最危险滑面满足速度分离关系,具有更强的工程参考价值。     

非均质成层边坡极限承载力上限分析

极限承载力一直是采矿、岩土等领域关注的难点和热点问题,严重影响着边坡与邻坡建（构）筑物的安全稳定性。基于极限分析上限定理,考虑边坡滑动溢出位置不确定性影响,建立3种模式的非均质成层边坡刚性多滑块破坏机制,推导出边坡极限承载力上限解,并采用序列二次规划算法（SQP）求其最优值。以三岔露天矿北帮为工程背景,通过与数值计算结果对比分析,验证本文方法的有效性,进而开展不同坡角和排土场距坡肩距离影响分析。结果表明：（1）本文方法计算结果与数值计算结果吻合度较好,表明本文方法边坡极限承载力上限解合理有效;（2）边坡极限承载力与坡角大小呈线性负相关,与排土场距坡肩距离呈线性正相关,相比于排土场距坡肩距离而言,坡角对边坡承载力影响更为敏感;（3）坡角变化对边坡失稳模式影响较大,而排土场距坡肩距离的变化对边坡失稳模式影响不明显;（4）坡角和排土场距坡肩距离均对滑裂面起始位置和溢出位置有影响,滑裂面起始位置受排土场距坡肩距离影响较大而受坡角影响较小,滑裂面溢出位置受坡角影响较大而受排土场距坡肩距离影响较小。相关研究成果有望为边坡及邻坡基础设计提供理论支持。     

非均质黏土地基中平面应变隧道最小支护压力数值模拟

土体由于沉积而具有天然的非均质性,但关于非均质地基中隧道开挖面稳定性的研究却很稀少,在实际盾构隧道工程中均按均质地基对待。但这一简化并没有考虑非均质性对保持开挖面稳定所需最小支护压力的有利作用,以及对破坏模式的影响。故文中采用基于tresca准则的弹塑性有限元法来研究黏聚力随深度线性变化的纯黏土地基中平面应变隧道的开挖面稳定性,模拟了土体失稳渐进破坏的全过程。最终验证了无量纲化的有效性,得到了各种工况时保持土体稳定的最小支护压力值,并发现了黏聚力线性变化斜率对深埋隧道破坏模式的影响,可为理论分析和工程实践提供依据。     

岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法

将块体单元法与极限分析上限法相结合,提出了岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法。借助于块体单元法离散计算区域,通过块体系统速度场在结构面上满足Mohr-Coulomb屈服条件、关联流动法则、速度边界条件以及块体系统虚功原理,构成求解边坡强度储备安全系数上限解的非线性规划模型,模型的求解采用复合形法。最后研究了一个岩质楔形体边坡算例和小湾水电站进水口边坡实例,通过将块体单元法上限分析计算结果与刚体极限平衡法相比较,验证了该方法的正确性。     

非均质土坡的有限元塑性极限分析

在评价现有边坡稳定分析方法的基础上,提出了边坡稳定的有限元塑性极限分析方法。借助有限单元思想和线性规划,建立了边坡稳定的数学规划模型,由此可以求出安全系数的上下限解,从而,界定了边坡的安全范围,同时,可以给出下限状态下的应力场和上限状态下的速度场。以一个经典非均质土坡的边坡稳定作为算例,比较了多种方法的分析结果,论证了本方法的正确性。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

砂土地层中不同支护模式下盾构隧道开挖面稳定性研究

防止盾构隧道开挖面失稳的关键是合理设置不同盾构支护平衡模式下的支护压应力。在改进的筒仓楔形体模型计算方法得出的开挖面松动土体对刀盘压力呈近似呈抛物线分布的基础上,研究了气压支护模式、泥水支护模式和土压支护模式下,盾构隧道开挖面分别在地下水位以上和地下水位以下时开挖面的稳定性,研究结果表明:有效支护应力均匀分布时,除粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面中下部失稳;有效支护压应力呈上小下大的梯形分布时,除软粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面上部失稳;有效支护应力呈上大下小的梯形分布时,所有土体开挖面均为下部失稳;在气压、泥水和土压平衡支护模式下,开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。最后给出了开挖面松动土体对刀盘压应力公式中计算参数的无量纲化图,以方便实际工程运用。      

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     

非均质地基浅埋水平条形锚板承载力上限分析

考虑地基土体的非均质特性,采用非线性Mohr-Coulomb强度准则及其关联流动法则构造了浅埋水平条形锚板的曲线型破裂机制与机动许可速度场,根据极限分析上限定理推导了条形锚板抗拔承载力的表达式。利用变分极值原理求得了锚板抗拔承载力及其上方土体破裂面的上限解,分析了锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对锚板抗拔承载特性的影响,并将该上限解与已有计算方法进行了对比。结果表明:锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对其抗拔承载力与破裂面特征具有明显的影响。锚板埋深和土体非均质系数越大以及土体非线性强度系数越小,锚板抗拔承载力和土体破裂面深度、宽度均是越大。该上限解与极限平衡和极限分析有限元方法的计算结果基本一致,验证了所采用的曲线型破裂机制和地基非均质变化规律有效性,为条形锚板设计提供了一定的参考。