考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元下限分析

以极限分析下限法理论为基础,应用有限单元思想离散结构物,建立了同时满足平衡条件、应力边界条件、屈服条件和应力间断条件的静力许可应力场,其中孔隙水压力被当作一种类似于重力的外力荷载。引入线性数学规划手段后,得到了考虑孔隙水压力的边坡稳定的下限法数学规划模型,由此可以求出安全系数的下限解及其对应的应力场。最后,以2个经典的土坡为算例,与多种方法的分析结果比较,论证了该方法的正确性。     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元上限分析

基于塑性极限分析的上限定理,考虑孔隙水压力的影响,以结点速度为未知量,根据塑性流动约束条件、速度间断约束条件、速度边界约束条件以及由外功功率与内功功率相等条件得到的目标函数,建立了求解孔隙水压力条件下土坡稳定性的有限元塑性极限分析线性规划数学模型;可求得边坡安全系数的上限值及相应的机动容许位移场;最后对2个经典算例进行了分析,验证了提出方法和程序是正确可行的。     

超前支护下隧道掌子面稳定性极限上限分析

软弱围岩隧道施工中,常采用超前支护确保隧道施工的安全。为了评价超前支护下隧道稳定性,建立了超前支护作用下截锥体、对数螺旋线共同破坏模型,基于极限分析上限法和综合强度折减法并考虑初期支护未支护段的影响,推导出了隧道稳定安全系数的目标函数,并利用Matlab编制程序求解该函数以此判断隧道稳定性。与模型试验结果和已有理论研究成果对比分析,验证了计算方法的合理性,同时分析了影响隧道稳定安全系数的各个因素。研究结果表明：围岩黏聚力、内摩擦角的增加,掌子面锚杆、拱部超前支护的施作对提高围岩稳定性有显著的作用,而初期支护未支护段长度、开挖高度的增加不利于围岩的稳定;在围岩内摩擦角较小时,分台阶开挖降低开挖高度提高隧道稳定性的效果更好;在围岩内摩擦角较大时,掌子面锚杆加固强度的增加对隧道稳定性提高的作用更显著。最后给出了超前支护的施工设计建议图,可为工程中初步确定超前支护参数和施工方法提供参考。     

沉桩超孔隙水压力对码头边坡稳定的影响

沉桩会对码头边坡稳定产生不利影响,一是引起桩周土体超孔隙水压力的急剧上升,导致土体有效应力降低;二是沉桩的振动加速度会产生对边坡稳定不利的瞬时惯性力。对于灵敏度低的土质岸坡来说,前者是影响其稳定性的主要因素。考虑沉桩时初始超孔隙水压力的分布,根据Biot固结方程超孔隙水压力消散解的一般表达式,建立了沉桩引起的超孔隙水压力随时间消散的解析式,在条分法的基础上考虑沉桩产生的超孔隙水压力的不利影响,建立了沉桩时边坡稳定安全系数的计算公式。根据沉桩顺序对某码头进行边坡稳定分析,结果表明：考虑打桩作用的岸坡稳定安全系数明显降低,沉桩产生的超孔隙水压力逐渐消散,边坡稳定安全系数随沉桩工序历时变化,施工中期由于超孔隙水压力叠加,岸坡最危险,沉桩结束3个月以后,超孔隙水压力基本消散,边坡稳定安全系数接近不考虑沉桩时的值。工程中要根据打桩计划进行边坡稳定计算。     

考虑水位和孔压影响的基坑抗隆起稳定性上限分析

分析了基坑围护墙内外水位和孔压的分布规律,基于极限分析上限定理,将孔压做功作为外力功代入上限定理能量平衡方程,选用Prandtl滑动模式建立了考虑地下水位和孔压影响的基坑抗隆起分析方法及其验算公式。通过该计算方法对坑外水位、土体强度、硬土层深度和基坑开挖宽度等参数的影响分析以及工程实例的对比计算,验证了公式的适用性。分析结果表明,基坑内外水位和孔压变化以及地下水渗流对抗隆起稳定性产生重要影响,地下水是影响基坑稳定性的一个重要的不利因素。与经典的Terzaghi、Bjerrum和Eide方法以及Chang方法相比,该分析方法可以考虑坑内外水位和孔压对抗隆起稳定性的影响,为软土地区基坑抗隆起稳定性分析提供了合理的计算方法。     

锦屏二级水电站深埋隧洞外水压力研究

对于富水区深埋隧洞来说,外水压力是一项重要荷载,是隧洞设计及施工中需重点研究的问题,国内外已有众多学者对此展开研究,但对高外水作用下的隧洞围岩稳定及支护结构设计依然是个难题.本文采用考虑降雨入渗渗流场分析的有限单元方法,对锦屏二级水电站深埋引水隧洞的外水压力进行了研究,提出富水区深埋隧洞渗流控制 "以堵为主,堵排结合". 通过对围岩高压固结灌浆,封堵地下水,利用灌浆圈围岩和隧洞衬砌支护联合承载.     

考虑渗流的多层土盾构隧道开挖面稳定性分析

将传统模式的均匀土层稳定性分析的楔形体模型扩展到渗流作用下多层土盾构隧道开挖面的稳定性分析中,楔形体是由梯形组成的,每一个梯形对应一层土层,利用太沙基有效松动土压力理论和上限定理,推导了渗流作用下盾构穿越多层土的隧道开挖面极限支护压力的计算公式。极限支护压力等于作用于开挖面有效支护压力和渗透力的总和,其中有效支护压力用极限平衡来计算,渗流力采用水头分布的数值方法计算获得的。计算结果发现,渗透力构成了总支护压力的主要部分,分析结果和工程实测数据是一致的。     

考虑孔隙水压力作用的岩土体弹塑性模型及其有限元实现

岩土工程中孔隙水的作用一直是工程安全稳定分析中不容忽视的问题。基于Viesca提出的考虑饱和孔隙水压力作用的孔隙弹塑性模型,推导其在满足D-P准则的理想弹塑性情况下的具体形式。对于不排水条件,饱水状态下材料强度参数被等效化,使得屈服面的形状发生改变,同时根据最近点投影法确定其在弹塑性计算中的本构积分策略。不排水孔隙水压力对岩土体的塑性响应的影响得以表达,而对结构的稳定性的影响通过基于过应力概念的不平衡力反映出来。基于该模型开发非线性有限元程序PoreTfine,选取非均质边坡降雨入渗下的稳定问题作为算例验证其实用性,边坡随降雨作用的非平衡演化过程得到研究。Skempton系数的增大对连续降雨条件下边坡有弱化作用,对其稳定性不利。     

高外水压力下隧道工程的渗控措施研究

本文简要叙述了深埋富水地区隧道工程外水压力处理的两种方式,从不同角度分析了两种处理方式的优缺点。根据渗流计算的原理分析了“灌浆封堵”外水压力的作用机理。并结合工程实例,对“以堵为主、堵排结合”渗控措施进行了三维有限元数值仿真分析,得出了工程实用的渗控方案,分析结果可为工程设计施工提供参考。     

水位涨落对库岸滑坡孔隙水压力影响的非饱和渗流分析

以某水库库岸滑坡为工程背景,根据饱和-非饱和渗流控制方程,针对不同滑坡体渗透性和库水位升降速率,研究库水位变化条件下滑坡体内孔隙水压力的动态响应,得到：(1) 水位升降时,在相同的入渗条件下,饱和渗透系数对初始地下水位有明显的影响;增大饱和渗透系数能降低地下水位,使地下水位线变得平缓,滑坡体的动、静水压力减小,有利于稳定;(2) 增加库水位升降速率,地下水位响应滞后变得显著,地下水位线形态整体变陡,滑坡体的动水压力增大,不利于边坡稳定性。     

盾构隧道施工引起的土体初始超孔隙水压力分布研究

盾构施工会对周围土体产生扰动,形成超孔隙水压力,引起工后固结沉降。运用应力释放理论推导与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力计算公式。假定扰动范围边界呈圆弧状,确定初始超孔隙水压力的分布范围;同时运用应力传递理论,推导分布范围内任一点土体的初始超孔隙水压力计算公式。通过对实测资料的分析可知,计算值与实测值吻合较好。算例分析表明,与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力呈近似圆形（顶部小、底部大）;随着到衬砌的径向距离增加,土体初始超孔隙水压力呈凹曲线形状;隧道底部的等值线最密,即变化最快;隧道顶部上方土体、不同深度处土体初始超孔隙水压力,以隧道轴线处为最大,呈现类似Peck曲线形状。     

三峡库区地下水渗透压力对滑坡稳定性影响研究

论文对三峡库区滑坡防治工程设计中的渗透压力问题进行了较为系统的研究。针对设计中普遍出现的问题。强调了“有效应力法”的合理性。结合三峡水库蓄水以及库水波动,讨论了设计中的“工况”问题。作者认为。从防洪水位调度角度上看,库区存在从175m～145m骤降的现象,可作为校核“工况”考虑。渗透压力是库区滑坡防治设计必须考虑的重要因素。作者总结了圆弧型和折线型滑面的滑坡稳定性和推力计算公式。但是,三峡库区,在水位由175m下降为145m的过程中,滑坡稳定性并不都是降低的。对于滑带平缓且厚度不大的滑坡体来说。由于滑体水下面积减少,水力坡降较小,反而有利于滑坡体稳定,说明滑坡体浮力的降低速率要大于渗透压力的增加速率。     

隧道围岩内地下水渗流边界效应影响研究

根据水位条件、施工工艺和防排水设计原则将隧道渗流计算围岩透水边界条件大致划分为4种类型,并分析了不同透水边界条件适应的施工工况。基于复变函数理论和保角映射方法,推导得出4种透水边界条件下隧道围岩内任一点孔隙水压力和隧道涌水量解析计算公式,通过与数值解的对比,印证了解析解的准确性。在此基础上,根据不同透水边界条件下隧道涌水量和围岩关键点孔隙水压力随埋深直径比（ ）的变化规律,分析了透水边界条件的变化对浅埋隧道和深埋隧道的影响,并探讨了浅埋水下隧道渗流计算中透水边界条件的选取。相关结论与认识对于隧道渗流计算和排水设计具有一定的指导作用和参考价值。     

考虑盾构掘进速度的隧道掘进面稳定性分析

隧道在低渗透性土壤中掘进,盾构掘进速度的改变将引起作用在掘进面上支护压力的显著变化。考虑盾构掘进速度以及土体的渗透系数的影响,通过伽辽金有限元法推导三维稳态渗流有限元方程,使用FORTRAN代码编制数值分析程序计算稳态地下水流条件下隧道掘进面附近水头分布。维持掘进面稳定极限支护压力由有效支护压力和渗透力共同构成,前者基于土体稳定的极限平衡理论计算结果,后者通过隧道掘进面附近水头分布推导得出。结果发现,低渗透性土层中进行隧道掘进,盾构掘进速度的改变对隧道掘进面附近水头分布产生很大影响,掘进速度的增加将引起作用在隧道掘进面上支护力的显著增加。理论分析结果与实验数据取得较好的一致,验证了该理论与方法的合理性和有效性。     

压力舱土体改良对盾构开挖面稳定影响研究

在渗透性大且富含地下水的砂砾地层中进行土压平衡式盾构施工,切削下来的土体具有渗透系数大、流动性差的特点,由于地下水的渗透使压力舱内支护土压力不能有效地施加到开挖面。通过压力舱土体改良技术,降低土体渗透性和提高土体的流动性是改善压力舱土体状态和提高支护土压力的重要措施。利用能够考虑大变形破坏的快速拉格朗日有限差分计算程序研究了压力舱土体改良效果对开挖面稳定性的影响,分析了压力舱土体渗透系数的降低对开挖面支护压力的影响关系,为土压平衡式盾构施工开挖面支护压力的确定提供参考。     

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。     

挡土结构上的土压力和水压力

总结和分析了在静水压力、稳定渗流和超静水压力作用下,挡土结构上水土压力的计算方法,通过实例说明了水土分算与水土合算结果的差异及考虑水的渗流作用和超静孔压力作用对挡土结构上总压力计算的影响,并强调应进行控制挡土结构稳定的临界状态分析。     

Continuous velocity fields for collapse and blowout of a pressurized tunnel face in purely cohesive soil

Face stability analysis of tunnels excavated under pressurized shields is a major issue in real tunnelling projects. Most of the failure mechanisms used for the stability analysis of tunnels in purely cohesive soils were derived from rigid block failure mechanisms that were developed for frictional soils, by imposing a null friction angle. For a purely cohesive soil, this kind of mechanism is quite far from the actual velocity field. This paper aims at proposing two new continuous velocity fields for both collapse and blowout of an air‐pressurized tunnel face. These velocity fields are much more consistent with the actual failures observed in undrained clays. They are based on the normality condition, which states that any plastic deformation in a purely cohesive soil develops without any volume change. The numerical results have shown that the proposed velocity fields significantly improve the best existing bounds for collapse pressures and that their results compare reasonably well with the collapse and blowout pressures provided by a commercial finite difference software, for a much smaller computational cost. A design chart is provided for practical use in geotechnical engineering. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

A theoretical study of reinforcement influence on the stability of a tunnel face

Summary The problem of tunnel face stability is studied and the analysis of the stabilizing effect achieved by pre-reinforcement of the core which has to be excavated is dealt with. In Italy, the insertion of longitudinal fibreglass pipes in the ground has proved to be efficient in solving face instability problems. A thorough review of other applications of the technology has been carried out.The results of a series of parametric, three-dimensional, elasto-plastic finite element analyses are presented. The tunnel excavation with or without support and face reinforcement is simulated in the models. The stresses, plastic zones and displacements in the ground, pipes and lining have been studied. The support effect of the pipes is demonstrated by the results. Face reinforcement significantly reduces the displacements of the face. The stresses in the material at the face are also charged from tension to compression, thus enhancing face stability.