考虑波致孔压累积与应力耦合效应的埋置管线周围海床响应特征与机制分析

波浪导致的海床液化是埋置管线失稳的一个重要因素。超静孔隙水压力累积引起的液化深度较深,对海底管线稳定性的影响较大,因此波浪作用下管线-海床系统的累积响应特征一直受到研究者的重点关注。本文基于考虑孔压累积与海床应力耦合发展的数值计算模型,对非线性行进波作用下含埋置管线的海床累积响应特征进行了模拟计算,并与非耦合模型的计算结果进行了对比分析,结果表明,当考虑孔压累积与海床应力的耦合效应时,管线附近累积孔压在水平方向上的不均匀分布会导致海床循环剪应力的增大,从而会极大地促进管线周围海床累积孔压的发展,增大管线的影响范围; 忽略孔压累积与海床应力的耦合效应,会在一定程度上低估管线周围海床的液化深度,不利于管线的安全。     

Stokes二阶波作用下斜坡海床中盾构隧道周围砂土渗流压力响应分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑海底斜坡地形下波浪非线性带来的影响。首先基于斜坡海床表面的动力边界条件,得到Stokes非线性波作用下自由海床的Biot固结孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土体摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了Stokes波作用下斜坡海床中隧道周围砂土的渗流压力响应解答;最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对波浪敏感参数(波长、周期、形态)、海床敏感参数(海床渗透性、剪切模量、饱和度、坡度)及隧道敏感参数(衬砌厚度、渗透性、埋深)进行了影响因素分析。结果表明：随着波浪周期及波长增加,衬砌外超静孔压明显增加;随着水深沿斜坡方向减小,Airy波和Stokes波理论在适用范围内(d/L>0.125,d为海水深度,L为波长),获得的波浪压力差异明显增加,前者会低估隧道周围的超静孔隙水压力;当海床渗透系数较大时(k_s&...     

简谐荷载作用下饱和土体中圆形衬砌隧道三维动力响应分析

研究了全空间饱和土体中圆形衬砌隧道在径向简谐点荷载作用下的三维动力响应,将衬砌用无限长圆柱壳来模拟,土体用Biot饱和多孔介质模型来模拟,引入两类势函数来表示土骨架的位移和孔隙水压力,并利用修正Bessel方程来求解各势函数,结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答,最后进行Fourier逆变换得到时间-空间域内的响应。通过算例分析了荷载振动频率和土体渗透性对土体和衬砌位移响应及土体孔压的影响。结果表明,饱和土体和弹性土体的位移响应具有明显区别。随着荷载频率的增大,土体和隧道位移幅值减小,土体孔压幅值增大;随着土体渗透性增大,土体位移及孔压幅值减小。     

波浪作用下饱和砂质海床土体与管线相互作用规律研究

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题,将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合,较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在,改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生,随着波浪荷载的持续作用,液化区域沿着管线外壁向上演化;同时海床表层土体产生液化并向深层发展,最终管线周围土体都发生液化,这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时,管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比,可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。     

非饱和土中圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应

在以往关于圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应中,衬砌周围土体大多假定为弹性介质或饱和介质。然而,自然界中的土体大多为非饱和介质。考虑土体与衬砌结构的动力相互作用及动荷载引起的附加质量密度的影响,研究了瞬态荷载作用下非饱和土中无限长深埋圆柱形衬砌隧道的动力响应。基于多孔介质混合物理论和连续介质力学理论,建立了非饱和土中圆柱形衬砌隧道受到瞬态荷载作用时衬砌及周围土体的控制方程,利用Durbin数值反演法得到了衬砌及土体在时间域的动力响应。数值分析了饱和度对瞬态荷载下径向位移、径向应力、环向应力和孔隙水压力的影响。结果表明：饱和度对衬砌及周围土体的瞬态响应影响显著;饱和度对径向位移沿径向的衰减影响较小,对环向应力和孔隙压力沿径向的衰减影响较大。     

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究

软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明：非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。     

准饱和土中圆柱形衬砌的瞬态动力响应分析

内源瞬态荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应解答是土动力学的经典问题之一。已有研究大都假设孔洞周围土体为理想弹性介质或完全饱和多孔介质。然而,实际工程中不存在完全弹性和完全饱和土体。分别视衬砌结构和周围土体为弹性材料和准饱和多孔介质（饱和度 95%）,根据牛顿第二定律、达西定律和Biot波动理论推导出准饱和土体的控制方程。根据边界条件导出衬砌和土体的位移、应力和孔隙压力的Laplace变换空间的解答。利用反Laplace变换数值计算方法,将解答转换为时域解。分析了饱和度对衬砌位移、应力和孔压的影响,结果表明,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较小;99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较大;但饱和度对孔隙压力的影响远大于对径向位移和切向应力的影响。得出位移、应力和孔压沿径向的衰减规律,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较小,99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较大,但饱和度对孔压沿径向的衰减影响远大于对径向位移和切向应力沿径向的衰减。     

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

波浪导致黄河口海床沉积物超孔压响应现场试验研究

黄河口海床特殊的工程地质性质与复杂的工程动力稳定性问题,均与海床沉积物在波浪荷载作用下的孔压动力响应密切相关。在现代黄河水下三角洲潮间带岸滩选择4个典型研究点,现场模拟波浪作用对原状海床沉积物实施循环加载,利用孔隙水压力观测、沉积物强度测试、样品采集与实验室土工测试等方法手段,测定黄河口原状海床沉积物在循环荷载作用不同阶段的孔压响应与强度变化。研究发现,黄河口原状海床沉积物在经历循环加载过程中,典型的超孔压响应可分为逐渐累积、部分消散、快速累积、累积液化和完全消散5个阶段,分别对应沉积物强度的衰减、增大、衰减、丧失和恢复过程,沉积物的粒度组成与结构性强弱决定了超孔压的具体响应模式。波浪导致原状海床液化深度受沉积物的干密度、孔隙比、饱和度等初始物理性质影响显著,细颗粒组分的相对含量高低也在很大程度上控制着沉积物的液化特性。     

循环荷载作用下竖向排水板加固软黏土的孔隙水压力累积特性研究

采用大型动三轴试验仪进行重塑高岭土试样的循环三轴试验,试样直径为300 mm,高度为600 mm。圆柱体试样中心放置了一块竖向排水板,在循环加载试验进行时和结束后都可进行径向排水。试验结果验证了径向排水可以有效地消散循环荷载引起的孔隙水压力。通过结合径向固结理论与不排水循环加载土体模型,提出了一个循环荷载作用下径向固结模型,用来描述在允许径向排水的情况下软黏土在循环荷载作用下的孔压累积特性。模型中考虑了应力历史和孔隙水压力消散对孔隙水压力生成的影响,并用大型循环三轴试验结果进行验证。研究发现,当施加较大循环荷载时,径向排水减缓了孔隙水压力累积到临界值的速率,因而土体在破坏前可以经历更多次的循环荷载;当施加中等循环荷载时,径向排水可有效阻止孔隙水压力增长至临界值。除此之外,还研究了加载间歇期对孔压累积特性的影响,结果显示3组循环加载结束后,累积孔隙水压力开始减小,表明之后更多的循环加载并不会引起孔隙水压力的累积增长。     

波流作用下黄河三角洲硬壳层液化渗流形成机制研究

波流作用于海床产生动态孔隙水压力,如不能及时消除会在其内部产生累积孔隙水压力,相邻两点间的孔隙水压力差值造成的水力梯度产生渗流力,渗流力引起水流动,海床表面为排水界面,从而会在海床内部形成向上的渗流力作用于泥沙颗粒上,使泥沙发生启动向海床表层运移,从而形成一定范围的粗颗粒层。本文采用数值模拟对不同流速下的海床累积孔隙水压力进行了研究,同时分析了硬壳层的存在对海床累积孔隙水压力的影响规律,根据取得的不同流速下海床内部的累积孔隙水压力值,计算海床任意位置处的渗流压力梯度,采用王虎等(2014)推导建立的海床临界冲刷深度的计算方法,分析不同流速下的硬壳层形成深度。结果表明: 海流流向与波浪行进方向一致时,对累积孔隙水压力起促进作用,流速越大累积孔隙水压力越大,反之对累积孔隙水压力有抑制作用。表面硬壳层的存在会显著促进累积孔压的消散,累积孔隙水压力沿深度分布的极值均出现在下层原始海床中,流速U₀=0m ·s-1时硬壳层厚度由1m增加到3m,极值点深度下降了1.38m。累积孔隙水压力引起的渗流力对于海床泥沙启动影响显著,在流速U₀=0m ·s-1,U₀=1m ·s-1时泥沙启动深度均为海床1.5m深度处,并且海流流向与波浪行进方向一致时,会产生较大ΔP/ΔL值带动较粗的泥沙颗粒至海床表层,但对泥沙启动的最大深度影响不大。     

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。     

波浪作用下黄河三角洲粉质土海床动力响应分析

应用饱和土动力固结理论和Pastor-Zienkiewicz III动力本构关系,对波浪作用下黄河三角洲粉质土海床的动力响应特征进行了有限元分析,应用总超孔压准则对海床进行了液化判别,并将计算结果与现场观测资料进行对比。结果表明：波浪导致的海床超孔压由瞬态孔压和累积孔压两部分组成;相比均质海床,拥有表面硬层的海床瞬态孔压沿深度衰减更快,累积孔压在表层增长速度更大;不同波浪条件下,瞬态孔压值及其变化趋势较为一致,累积孔压则具有较大的不同。年平均波浪条件下海床不会发生液化;5 a和50 a一遇极端波浪条件下,考虑三维效应和具有表面硬层的海床更容易液化,最大液化深度在海床表面以下2～3 m范围内。计算所得的海床最大液化深度与实测的黄河三角洲海底灾害地貌深度有较好的一致性,表明了文中方法的有效性和合理性。     

近间距双线大直径泥水盾构施工相互影响研究

对上海复兴东路越江公路隧道--近间距双线盾构隧道同向施工时相互影响的现场监测进行了研究。首先简要介绍了工程背景及其概况,然后介绍了为研究近间距盾构隧道相互影响而布设的监测项目,包括深层土体水平位移、地表沉降以及深层土体沉降、北线隧道三维位移、圆周变形、接缝宽度、北线隧道所受水土压力、北线隧道衬砌内力和土体中的超孔隙水压力。对监测数据进行了详细研究,得到了后建隧道推进时对地面沉降、深层土体位移变化、超孔隙水压力产生和消散、先建隧道衬砌位移、变形、内力的影响规律。从现场监测的分析结果来看,后进隧道对周围土体和先建隧道的影响是十分明显的。研究结果可以为大直径近间距双线推进的越江盾构隧道的设计和施工提供更加科学的指导。     

小半径曲线隧道下地铁运行对粉砂土层引起的振动响应规律

小曲线地铁盾构隧道位于粉细砂层中对于列车运营水平及竖向循环荷载的响应较为敏感,特别是离心水平荷载,而郑州大部分地层以此地质构成为主,因此地铁在长期运营状态下,由于粉细砂土层的动力响应导致的砂土层沉降,给列车运行会带较大隐患.进行了长期孔隙水监测,并利用MIDAS有限元计算平台建立地铁道床-衬砌-土体耦合动力模型进行相互验证,研究了单列列车运行与双向会车、不同隧道埋深时对隧道周围土层的振动响应规律.结果表明,孔隙水压力在列车运营初期较大,后期逐渐减小并稳定,其中受到上下班高峰期、季节性气候,以及地下水位的影响,孔压可能造成小幅度上升,但总体趋势是下降.由于荷载叠加效应,双向列车同时经过会使孔隙水压力增幅大于单向列车运行的情况,在隧道下方的最大沉降发生在隧道左端,离隧道越远沉降量越小;在地下水位一定时,隧道埋深与孔隙水压力大小成正比,与隧道周围土体沉降成反比.     

非线性波浪作用下海底管线-海床动力响应分析

确定波浪荷载作用下海底埋置管线和海床的响应是海底管线设计中的关键问题。目前大多数研究只是考虑了管线、海床在线性推进波作用下的响应,并没有考虑管线与海床之间的相互作用效应。采用接触摩擦理论,考虑管线与海床之间的相互作用效应,基于有限元方法研究了非线性波浪作用下海底埋置管线和多孔海床相互作用问题。数值计算结果表明,在计算中如果忽略波浪非线性项,既有可能低估海底管线内应力及管线周围海床中孔隙水压力,也有可能高估海底管线内应力及管线周围海床中孔隙水压力。     

考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应

在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现：隧道系统的介质（衬砌,冻土及非冻土）参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显。     

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。     

波浪作用下砂质海床孔隙水压力的响应规律实验研究

采用波流水槽模型试验的方法,研究了规则波和不规则波作用下砂质海床的孔隙水压力响应问题,其中主要考虑不同深度、波高及周期对孔隙水压力的影响,从而得出孔压变化规律。当周期和波高不变时,由波浪引起的孔隙水压力随水深的增加而逐渐减小。同一水深和波高条件下,由波浪引起的孔隙水压力随周期变大而变大;当水深和周期固定时,由波浪引起的孔隙水压力随波高的增加而增加。     

冲击荷载作用下软土隧道结构热-流-固耦合动力响应分析

爆炸对结构物的作用可以看成是冲击力和热的共同作用结果。基于Biot热弹性波动理论,利用饱和多孔介质热- 流-固耦合动力响应模型,研究了饱和软黏土中隧道结构内受指数衰减热/力冲击荷载作用下的动力响应。利用Flügge薄壳理论,得到隧道结构的运动方程。考虑土-结构接触面上的协调条件并利用热-流-固耦合动力响应模型的通解,得到了热/力冲击荷载作用下应力、位移和孔隙水压力响应在Laplace变换域中的解。利用Laplace数值逆变换技术得到数值计算结果,探讨了冲击荷载和热荷载作用下隧道结构刚度和厚度对应力、位移和孔隙水压力响应的影响。结果表明：在爆炸冲击荷载作用下,隧洞衬砌对周围土体起到很好的屏蔽作用,且衬砌刚度越大,其保护效果越好;衬砌与土体接触面上应力随衬砌刚度增大而减小,并且刚度越大应力衰减越快;衬砌刚度和厚度对热冲击的位移响应有明显影响,而对其温度响应的影响较小。