不同埋深盾构双隧道及开挖顺序对临近管线的影响研究

以不同埋深双隧道、不同开挖顺序对临近地埋管线的影响为研究目的,在离心模型试验中同时考虑隧道开挖所致地层损失效应和质量损失效应,并采用考虑土体非线性小应变特性的HP(Hypoplasticity亚塑性)模型和基于地层损失比的位移控制法进行有限元模拟分析。研究结果表明,不同埋深双隧道、不同开挖顺序对地表沉降、管线沉降及管线弯曲应变的影响较大。双隧道开挖完成后管线下凸区(管线底部受拉区)分布范围为-2.5D_T~1.5D_T(DT为隧道外径),且管线下凸区最大弯曲应变约为管线上凸区(管线底部受压区)最大弯曲应变的2倍。不应简单采用叠加原理对不同埋深先后开挖双隧道所致地表沉降、管线沉降及管线弯曲应变进行预测,应合理考虑后继隧道开挖所致土体的累积剪切应变及管-土相对刚度对预测结果的影响。     

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。     

不均匀土体位移引起地下管线弯曲变形研究

隧道开挖和管线置换引起的应力变化将不可避免地导致土体位移,进而对上覆既有管线产生诸多的不利影响。国内外学者对管-土相互作用开展了大量的研究,但用于预估隧道开挖和管线置换引起既有管线弯曲变形的简单并且有效的设计图表尚未提出。采用ABAQUS商业软件,对隧道-土-管线、管线置换-土-管线间的相互作用开展系统的有限元仿真模拟。通过采用管线不同运动方向下的等效管-土相对刚度,提出了隧道开挖和管线置换引起的管线弯曲变形的设计图表,并采用现场实测数据和离心模型试验结果验证此设计图表的合理性。设计图表中的管线最大弯曲曲率与土体最大曲率的比值和管-土相对刚度具有非常好的相关性。工程师一旦得到隧道开挖或管线置换引起的土体位移、管线尺寸、管线参数和土体参数,此设计图表可用来预测隧道开挖或管线置换引起既有管线的最大弯曲曲率。     

盾构隧道推进对邻近地下管线影响的物理模型试验研究

以上海地铁11号线某区间盾构工程为背景,采用相似物理模型试验研究盾构隧道开挖对上方垂直于隧道轴线的地下管线的影响,并将试验结果与数值解对比。采用量纲分析法推导出文中模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计出盾构机和隧道模型,分别通过管线刚度试验和模糊数学综合评判方法选定模型管线和配制相似土材料。研究结果表明,自主开发的半自动盾构掘进装置能较好地模拟盾构的开挖过程,较人工开挖扰动更小;下方盾构隧道开挖使管线产生的竖向变形关于隧道轴线呈对称分布,其形态符合高斯曲线的特征,最大竖向变形位于隧道轴线正上方处,竖向变形反弯点出现在与隧道轴线水平距离约一倍隧道直径的位置处;隧道开挖对管线的影响范围随管隧间距的增加而减小,管线竖向变形曲线的反弯点位置随管隧垂直间距的增大而有所内移;管线刚度对管线竖向变形的影响相对较小。     

盾构施工对不同位置地下管线变形的影响模拟试验研究

基于室内盾构模拟试验,研究管隧垂直、斜交和平行工况下盾构开挖对管线变形的影响。以合肥在建地铁为工程背景,主要对管线的沉降、变形和相对转角等规律进行模拟试验研究。研究结果表明,二次扰动更容易使土体产生沉降,对土体中的地下管线的位移影响更大;隧道在开挖过程中沿隧道轴向的管线变形与沿隧道环向的影响范围不同,隧道开挖对地下管线产生的环向变形影响大于轴向变形影响;隧道开挖使管线下方土压力发生变化,中间段管线下方产生荷载临空区域,土压力逐渐减小,两边缘端产生附加应力逐渐增大。研究成果可为盾构施工对地下管线变形影响的预测提供相应的控制破坏依据。     

隧道开挖条件下地埋管线的非线性响应分析

隧道开挖引起的地层不均匀沉降造成附近的地埋管线产生额外的变形,甚至破坏。被动管线与土体的相互作用的研究表明,不考虑土体的刚度衰减,较大的土体弹性模量使得管线的最大弯矩计算结果过大,偏于保守,造成不必要的浪费。在被动管线Winkler地基模型分析基础上,引入土体刚度衰减模型考虑土体非线性特性,提出了隧道开挖作用下管线响应的等效线性分析方法。基于自由土体位移场计算管周土体由于隧道开挖引起的附加应变,基于水平受荷桩的环状弹性介质模型考虑由于管土相互作用引起的管周土体应变,从而对被动Winkler地基模型的土体弹性参数进行修正,计算得到管线的最大弯矩。通过与现有的弹性理论方法、离心模型试验结果的对比,验证了针对隧道开挖引起的被动管土相互作用问题,该方法考虑土体非线性特性的合理性。     

隧道穿越引起地下管线竖向位移的能量变分分析方法

隧道穿越引起的地层位移可能造成地下管线变形过大或断裂等事故,引起工程界的高度关注。基于假定的地下管线竖向位移分布模式,通过能量方法建立变分控制方程,提出了求解隧道穿越地下管线竖向位移的能量变分解法,运用叠加原理将单线隧道解答延拓至双线隧道中。与离心机试验和工程实例的对比,验证了方法的正确性。通过参数计算,分析了管材弹性模量、管线埋深、地层损失率等相关因素对地下管线竖向位移的影响规律,研究结论具有工程参考价值。     

盾构隧道掘进引起上方已建隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道施工中经常遇到新建隧道下穿上方已建隧道的例子,如何提前预测已建隧道的纵向变形是目前工程界普遍关心的问题。基于能够考虑土体变形连续性的Kerr地基梁理论,分别将已建隧道简化为欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁,将新建隧道对已建隧道的作用简化为高斯分布荷载,建立了新建隧道施工对上方已建隧道影响的解析分析方法;并利用离心机试验结果进行了验证。分析了地层损失率、荷载形状参数和隧道与土体相对抗弯刚度对已建隧道纵向变形的影响。探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。研究发现,当隧道剪切刚度趋于无穷大时,Kerr地基上的铁木辛柯梁退化为欧拉伯努利梁;对于抗弯刚度较大的隧道（如抗弯刚度大于7.54×106 kN?m2）,Kerr地基梁具有较好的适用性;已建隧道的剪切刚度对其纵向变形何纵向曲率产生显著影响;当隧道等效剪切刚度有效系数≤1/4时,必须考虑隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。将所提分析方法应用于上海盾构隧道穿越工程中,并与现场实测结果进行对比,验证了方法的合理性。     

盾构下穿非连续管线变形特性及预测方法研究

城市地下管线采用承插式接口连接,管线结构的连续性与否取决于接口刚度。然而,现有研究大都假定地下管线为连续结构,忽略了接口转角对管线变形的影响。开展土工离心模型试验和两阶段有限元参数分析,系统研究了盾构下穿不同接口刚度管线的变形特性。发现非连续管线的薄弱接口导致其整体抗弯刚度明显小于连续管线,且接口转动导致非连续管线具有更好的与土体协调变形能力。因此,盾构下穿施工引起的非连续管线沉降明显大于连续管线。非连续管的结构连续性假定将大大低估管线沉降。盾构下穿引起的接口转角与地层损失呈线性关系。基于系统的有限元参数分析,建立了区分相对刚性、柔性管线的无量纲组。针对相对刚性、柔性的非连续管线,分别建立了管节相对长度、管-土相对刚度与接口转角的预测方法,利用离心模型试验结果验证了预测方法的合理性。新方法能有效地预测盾构穿越地下管线的接口转角,研究成果可应用于城市地下管网改造工程。     

地面堆载对变截面地埋管线影响分析

地埋管线在市政建设中容易损坏,基于Winkler地基模型,将地埋管线简化为变刚度Euler-Bernoulli梁,根据梁单元微分方程,采用传递矩阵法求解梁截面处位移、转角、弯矩及剪力,给出变刚度梁的一般分析方法。通过算例验证方法的合理性和适用性,分析了接头刚度变化对管线位移、内力的影响,为市政建设中地埋管线保护提供理论指导。     

受断裂面性质控制的构造位移场的数学模拟

地质体有着十分复杂的结构和构造,因此,如何掌握地质体中各点的位移规律和应力分布规律,对工程地质研究,预测矿山边坡稳定性和地下工程稳定性,地震预测和预报以及地质构造形变的规律都是十分重要的。     

Generalized displacements of a rigid elliptical anchor embedded at a bi-material geological interface

The present paper examines the class of problems related to a flat rigid anchoring region which is embedded at a geological interface. The analysis focuses on the evaluation of the elastic stiffness of the embedded anchor. A boundary element technique is used estimate the axial, rotational and translational stiffnesses of the anchor. These estimates are compared with a set of bounds which are evaluated in exact closed form. These bounds are obtained by invoking kinematic and/or traction constraintsat the geological interface. The numerical results presented in the paper illstrate the manner in which the various stiffnesses of the anchoring region are influenced by the elastic properties of the surrounding geological media.     

含软弱夹层土样变形破坏过程细观数值模拟及分析

基于颗粒流理论,引入接触连接模型和滑动模型,建立了含软弱夹层试样的颗粒流模型。通过颗粒流程序(PFC)数值模型试验,对含软弱夹层试样的强度和破坏发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压以及不同夹层参数条件下的应力-应变关系曲线,通过位移矢量场分析了破坏发展趋势。模拟结果表明,一般围压条件下试样沿软弱夹层滑动破坏,但在某特定围压下,软弱夹层的存在并不起主要控制作用;试样应力-应变关系曲线峰值随软弱夹层颗粒的摩擦系数和法向接触刚度的减小而下降,当颗粒法向接触刚度趋近0时,试样加载初始阶段呈现塑性流变特征;夹层颗粒的切向接触刚度只有低于某一特定值时才会使试样应力-应变关系曲线峰值降低。通过分析,得到了土体颗粒细观参数和宏观力学行为的内在联系,并对土体软弱夹层力学性质和渐进破坏过程有了更进一步的认识。     

复杂条件下隧道断面形状和支护参数优化

通过有限差分法（FLAC3D）数值计算和现场试验对马蹄形断面和大曲率边墙、似圆形断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行了对比分析,得出采用似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量和变形速率,尤其是水平收敛变形;现场变形量测时的丢失位移所占总位移比例较大,其中下台阶丢失位移比例最大;通过现场试验,对不同支护刚度下围岩压力、锚杆受力、钢架、混凝土应力以及二次衬砌分担的围岩压力和模筑混凝土受力情况进行分析,结合洞室变形的现场量测,得出二次衬砌接触压力及分担围岩压力比呈现出随着初支刚度增大而增大的规律,并综合确定了板岩段合理的支护参数。该结论对在构造应力发育的软岩地区修筑隧道提供了有益的工程经验     

On the dynamic stiffness of circular ring footings on an elastic stratum

Circular ring footings on an elastic stratum are considered. The static and dynamic stiffnesses are calculated using an efficient numerical technique. The results indicate that the static torsional and rocking stiffnesses of a ring footing do not deviate significantly from the corresponding stiffness of the circular footing for values of the inner-radius-to-outer-radius ratio up to about 0.75. The static horizontal and vertical stiffnesses change considerably only for values of this ratio greater than about 0.60. The change in the stiffness and damping coefficients is small for values of the ratio between 0 and 0.5.     

管道压浆浆液外加剂类型及掺量影响研究

预应力管道压浆浆液外加剂种类及配合比的选取是管道压浆工艺的重要部分。为研究减水剂和矿物掺和料对管道压浆浆液的影响及作用机理,进而研制一种流动性、保水性及力学性能优异的管道压浆浆液,本研究采用单组分掺和试验的方法,对掺有减水剂与矿物掺合料两种不同压浆浆料进行流动性、压力泌水率、沉积密度比、抗压及抗折性能试验研究,并得到不同掺量外加剂对压浆浆液和易性与力学性能的影响和作用机理,以及合适的外加剂掺量配比。研究表明：聚羧酸减水剂30 min与60 min流动度最佳,且压力泌水率表现也较为良好,综合考虑聚羧酸减水剂为压浆浆液的优良减水剂;聚羧酸减水剂掺量在0.4%～0.5%时,浆液的流动性与保水性表现良好,随掺量的继续增加,流动性提升较小;微珠由于其物理性质以及化学性质,对提高压浆浆液和易性与力学性能的效果较为明显;微珠掺量在10%～15%时,压浆浆液的和易性达到临界状态。     

Laboratory Estimation of Rock Joint Stiffness and Frictional Parameters

Numerical modeling of complex rock engineering problems involves the use of various input parameters which control usefulness of the output results. Hence, it is of utmost importance to select the right range of input physical and mechanical parameters based on laboratory or field estimation, and engineering judgment. Joint normal and shear stiffnesses are two popular input parameters to describe discontinuities in rock, which do not have specific guidelines for their estimation in literature. This study attempts to provide simple methods to estimate joint normal and shear stiffnesses in the laboratory using the uniaxial compression and small-scale direct shear tests. Samples have been prepared using rocks procured from different depths, geographical locations and formations. The study uses a mixture of relatively smooth natural joints and saw-cut joints in the various rock samples tested. The results indicate acceptable levels of uncertainty in the calculation of the stiffness parameters and provide a database of good first estimates and empirical relations which can be used for calculating values for joint stiffnesses when laboratory estimation is not possible. Joint basic friction angles have also been estimated as by-products in the small scale direct shear tests.     

基于弹性地基梁理论的冻胀作用下管道应力分析

穿越冻土区的埋地管线在遭遇冻土差异性冻胀时,管道会发生翘曲变形,管线将面临很大的安全隐患。为此,基于弹性地基梁理论建立冻胀条件下的管-土相互作用模型,分析了管道在冻胀及其影响因素作用下的应力分布规律,探讨了冻土地基特性（弹性模量、泊松比及地基系数）与温度的关系,对比了不同地基系数、冻胀量、管径、壁厚、温差以及上覆土厚度等特定条件下的管道应力峰值状况。计算结果表明：管道在过渡段与冻胀段及非冻胀段交界处有最大应力值,各类影响因素对管道交界处的应力影响最显著;地基系数的值越大,差异性冻胀量越大,管径越大,温差越大,管道交界处应力峰值也越大;管壁越厚,在管道交界处的应力峰值越小;管道上覆土层越厚,管道受冻胀作用弯曲应力越小,即加深上覆土层可降低管道由于冻胀抬升所产生的应力,可减缓管道变形。     

基坑开挖对邻近不同刚度建筑物影响的三维有限元分析

受各种因素的影响,基坑邻近建筑物的刚度差异显著。为了解基坑开挖对邻近不同刚度建筑物的影响,在考虑土体小应变刚度行为的基础上,对基坑邻近不同刚度建筑物的变形展开精细化分析。算例结果表明:对于任意刚度的建筑物,当其跨越坑外沉降槽最低点以及上凸曲率最大点时,墙体所产生的拉应变最为显著,即此时对于任意刚度的建筑物来说,均为最为不利位置。随着建筑物刚度的增大,墙体挠度值与拉应变值呈对数曲线下降。当建筑物整体刚度较差时,其墙体拉应变更主要取决于坑外沉降幅度,而受自身刚度影响较小。当建筑物刚度较大时,在基坑变形的影响下,建筑物更主要表现为刚体运动,而自身内部变形则相对较小。     

模拟岩石节理试样剪切变形特征和破坏机制研究

通过RMT－150C电伺服试验机,利用人工浇注素混凝土节理试样进行了不同剪切变形速率、法向应力和起伏角情况下的剪切试验,研究了节理破坏模式和刚度特征及其与起伏角、剪切变形速率和法向应力之间的关系。研究结果表明,试样破坏模式主要受起伏角控制,小起伏角情况下节理呈现磨损破坏模式,大起伏角情况下节理呈现剪断破坏模式,法向应力和剪切变形速率对节理破坏模式有一定的影响;节理的剪切刚度随剪切变形速率和起伏角的增大而增大,增大幅度随变形速率的增大有减小趋势;节理的剪切刚度随法向应力的增大而增大,基本呈线性关系。提出了考虑剪切速率和起伏角度影响的节理剪切刚度公式,并根据试验结果对剪切刚度公式进行了拟合。