地表均布超载作用下盾构隧道上覆土层竖向土压力转移分析

通过对地表均布超载的模型试验实测既有盾构隧道上覆土层竖向土压力、土体沉降进行分析,结果表明:地表均布超载作用下,与隧道顶部的垂直距离越近,隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀程度越大,同时土体沉降的不均匀程度也越大。隧道上覆土层出现不均匀沉降时,土体单元之间发生竖向相对位移而产生竖向剪力,隧道上覆土中表现出竖向土压力转移现象,从而使隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀。隧道上覆土层中土体单元之间的竖向剪力大小与单元之间的竖向相对位移及土体力学性能有关,因此,地表超载作用下隧道上覆土沉降的不均匀程度及上覆土的力学性能对隧道上覆土层的竖向土压力分布不均匀程度有影响,进而对隧道变形产生影响。     

外荷载作用下软土压缩模量的动态演化规律研究

在软土地基的压缩性评价和变形计算中,压缩模量是一个重要的土性参数,目前一般是通过室内侧限压缩试验曲线得到,通常是一个常数。实际上,压缩模量在地基固结过程中会随着土体固结度的增加而逐渐增大,因此,探讨外荷载作用下软土压缩模量的变化规律显得十分必要。以珠江三角洲地区某高速公路代表性软土地基为研究对象,采集天然状态和超载预压后两种状态的淤泥质土样,分别开展不同压力条件下的室内固结试验,通过分析比较两种状态土样的试验数据,得出了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力变化的定量关系和压缩模量随压力及时间演化的规律。在此基础上,结合天然状态和超载预压后的淤泥质土样在室内再压缩前后的微观结构图像,分析了两种状态下淤泥质土压缩模量随压力和时间演化的机理。从而为软土变形计算的参数合理取值提供了有用的参考,且对软基堆载预压过程中控制加荷速率和分级荷载的大小具有重要的现实意义。     

南京地铁运营隧道变形的工程地质机理研究

根据南京地区的工程地质与水文地质条件和多年隧道结构变形的监测资料,系统分析了不同地貌单元内隧道结构的变形特征,指出影响南京地铁隧道结构变形的主要工程地质因素是盾构隧道的软土问题和矿山法隧道的水文地质问题。结果表明:南京地区发育不同成因类型的软土,特别是长江河谷平原区软土,具有高孔隙比、高含水量、高压缩性、结构性强等特性,易导致隧道结构发生不均匀沉降。同时,穿越丘岗地区的矿山法隧道,一旦上游水源补给量超过正常值时,易导致隧道结构的衬砌逐渐抬升变形甚至引发运营中断事故。这一研究成果为南京地铁运营隧道结构变形分析提供了工程地质方面的理论基础,以便采取针对性的措施及时控制变形,确保安全营运。     

盾构穿越软土地层预加固数值模拟与变形控制

依托佛山地铁3号线创驹区间盾构隧道工程,采用数值模拟得到不同加固方式下的地表沉降和隧道变形,研究了盾构穿越全断面软土地层时的变形规律,提出一套盾构安全穿越加固建议,并结合现场实测,验证了模拟结果的正确性。研究表明：盾构在全断面软土地层中推进时,地表沉降、隧道拱顶沉降和水平收敛值均不断增大,且主要发生在盾构通过时及盾尾管片脱出后,同时该段也是预加固的主要作用范围;先行隧道对地表沉降影响大于后行隧道;盾构穿越未加固土层时地表沉降、隧道拱顶沉降、水平收敛最大值分别为27.7 mm、13.78 mm、10.57 mm,采用超前预注浆加固时各变形分别为未加固的57.0%、69.1%、61.0%,采用三轴搅拌桩预加固时各变形分别为未加固的32.1%、50.2%、43.0%,预加固可有效控制变形,且三轴搅拌桩变形控制优于超前预注浆加固。当盾构区间地面环境复杂,不具备地面加固条件时,建议采用超前预注浆加固控制地表沉降量及隧道变形。     

软土地区地铁道床沉降特征及其诱发因素分析

以上海4条地铁线路道床长期沉降监测资料为基础,分析了地铁隧道的纵向沉降特征;结合该地区地质环境调查资料,深入分析地铁隧道沉降与下卧层地层结构、浅部地下水位变化以及区域地面沉降三个地质环境因素之间的相互作用关系。结果表明,地铁隧道下卧地层结构差异是地铁隧道沉降差异性的重要地质环境因素,深基坑降排水引起降水目的含水层地下水位下降,使得降水目的层以及相邻软黏性土层发生较大的压缩变形,导致以降水目的层上覆软黏性土层为承载体的地铁隧道也随之发生沉降,区域地面沉降也是地铁隧道沉降的重要影响因素。     

饱和软土层地铁列车运行引起的环境振动研究

我国沿海地区大量的地铁隧道都修建在饱和软土地层,饱和软土地层中地铁列车运行引起的环境振动逐渐成为社会关注的问题。以上海2号线某地铁区间隧道为研究对象,采用循环运动模型本构模型和水土耦合动力分析方法,分析了饱和软土中地铁列车运行引起的地表振动加速度以及振动位移响应规律,采用加速度振级对地表的振动强度进行了评价,分析了单次列车通过时引起的隧道下卧土层超孔隙水压力（EPWP）响应规律。计算结果表明,饱和土的振动响应比干土要小得多,地表水平向与竖向的振动规律明显的不同,超孔隙水压力沿隧道下方沿向是不断减少的,在距离隧道中心的纵断面上是先增加后减少。分析饱和土中地铁运行引起的环境响应规律,可为地铁沿线建筑物减隔振设计及沉降控制提供一定依据。     

重叠隧道上覆地层变形规律分析

通过对深圳地铁Ⅰ期工程浅埋暗挖法施工的重叠隧道现场调研,并结合施工中的试验、监测成果对重叠隧道上覆地层（地表、地中）水平、竖向变形和隧道结构变形进行了综合分析,明确了富水含砂软弱地层地铁隧道拱顶沉降大于地表沉降的事实,得到地层变形的三维变化规律和重叠隧道分步开挖的施工时空效应;并实测得到未降水施工条件下隧道结构周边超静孔隙水压力分布及其随开挖变化规律。研究结果对于同类地层条件下地铁隧道设计、施工有一定的借鉴作用。     

地层渐进成拱对浅埋隧道上覆土压力影响研究

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中,浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化,受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同,同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系,因此,不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况,提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制;其次,同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系,确定拱内土体应力分布;随后,优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后,对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力,初始松动区范围不受覆跨比影响,而受地层强度影响,随内摩擦角增加而减小;（2）最大拱效应阶段以后,松动土压力随地层变形发展而增加,深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢,反之较快;（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加,深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显;（4）对于下北山隧道,初始地层拱存在,初始松动土压力为0.37 ,极限松动土压力为0.41 ,最终松动土压力为0.54 ,隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。     

沉管隧道含垄沟卵石垫层变形特性试验研究

采用含垄沟卵石垫层作为大型沉管隧道的基础是一种创新,为研究水下该垫层在工程荷载下的变形特性,开展了7种不同工况模型静载试验,得到各工况下卵石垫层沉降量、压缩模量等参数以及荷载值与沉降量之间的关系,分析了垫层厚度、垄沟尺寸、预压荷载、级配大小等指标对卵石垫层力学特性的影响。试验结果表明,不同于碎石垫层卵石垫层承受的竖向荷载与其沉降量开始成非线性变化;随着荷载值的增加,垫层沉降速率逐渐减小,垫层被压密一定程度后荷载与沉降趋于线性关系;卵石的最大粒径越大,垫层的压缩模量越大,沉降量越小;预压导致卵石垫层再压缩时沉降明显减小,且压缩模量增大;垄沟的间距越大,卵石垫层的压缩模量越小,沉降量越大。垫层厚度越大,卵石垫层的压缩模量与沉降越大。研究成果可为沉管隧道垫层的设计提供参考。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

基于三角形滑移面的地基松动土压力研究

由岩溶塌陷、隧道开挖等方面引起的土体变形往往会对基础建设和基础结构等造成不均匀沉降、地面塌陷及开裂等危害,确定土体结构顶部松动土压力的分布情况并准确地分析土体变形与土拱效应间关系显得尤为重要。为了揭示土体变形和沉降对结构顶部松动土压力的变化规律,进行了一系列不同H/B的活动门试验（H为地基高度,B为活动门宽度）。基于试验结果,提出以三角形作为力学模型分析不同滑移面时松动土压力的数学模型,考虑了滑移面角度与土体变形及主应力偏转三者之间的关系,分析了滑移面内任意水平微分土条的主应力偏转情况并建立受力平衡微分方程,根据不同滑移面形态下的边界条件求解松动土压力理论公式,与已有试验结果对比验证了理论公式的合理性。通过对滑移面角度、侧向土压力系数和内摩擦角等主要参数进行分析,结果表明：在较小相对位移下（1%～3%）土体应力迅速发生转移和重分布,初始滑移面角度略小于π/4+φ/2（φ为内摩擦角）,随着H/B增大土体应力比缓慢增长最终趋于稳定;地基内封闭三角形滑移面的松动土压力与相对位移及内摩擦角相关;内摩擦角的增加使得土拱效应得到充分发挥,加强了应力转移,降低了土拱应力比;内摩擦角的增大减小了水平向...     

考虑二期荷载的高填明洞加筋减载土压力计算

随着城市建设的迅速发展,既有高填明洞填土顶面将不可避免地出现新增结构物等二期荷载的情况。为了明确明洞回填完成后新增二期荷载对其顶部垂直土压力的影响,在已有明洞减载结构土压力计算公式的基础上,利用土体沉降弹性理论计算公式建立了土工格栅变形与土体沉降变形的关系,并考虑二期荷载作用,进一步完善了高填明洞减载前后的洞顶垂直土压力计算公式。建立数值分析模型,将数值分析结果与文中公式计算结果进行了对比。结果表明：公式计算与数值分析结果较为接近,表现出相同的规律性;有无减载措施对明洞回填土压力影响较大,填土越高,减载越显著,实际作用在明洞顶土压力越小。新增二期荷载作用下的明洞顶垂直土压力计算,应考虑其对土体沉降变形的影响,而非简单叠加。     

地铁盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载影响研究

为提升地铁盾构隧道的防灾减灾能力,以北京某典型地铁盾构隧道及邻域的基坑工程为基础,应用相似材料模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下地铁盾构隧道的变形特征及围土压力分布规律,并对基坑底部与盾构隧道顶部净距和基坑加载强度的影响进行了分析。研究结果表明：盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载过程中,随着基坑开挖卸荷的进行,盾构隧道逐步上浮,基坑开挖至底部时,竖向位移达到最大值;随着基坑加载的进行,竖向位移可得到适量恢复,最大竖向位移差及最大水平位移差均出现在基坑开挖卸荷完成阶段,此时应尽早完成基础底板封闭施工。基坑开挖卸荷-加载过程中,盾构隧道围土压力始终呈葫芦型对称分布,盾构隧道顶部及底部土压力较大,腰部土压力较小,基坑开挖卸荷完成后,长轴方向土压力明显减小,基坑加载完成后,土压力有所恢复,但并未达到最初状态。随着基坑底部与盾构隧道顶部净距的增加,盾构隧道结构位移、拱顶与拱底竖向位移差及水平收敛均逐步减小,当净距大于3 h（h为基坑深度）时,上方基坑卸荷-加载对盾构隧道影响逐步趋于轻微。在基坑加载强度为卸载强度的2倍时,盾构隧道竖向位移可恢复至最初状态。     

隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性,采用离散元颗粒流软件,从细观角度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析,同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后土压力以及二次衬砌结构内力（轴力、弯矩）,分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明,下伏煤层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈“O”形分布,隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩;洞周允许位移越大,颗粒接触力链间断区域越大;间距越小,颗粒接触力链间断区域越大,当间距大于2.0D（D为隧道跨度）时,下伏采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失,降低了地基反力,间距越小,降低程度越高;二次衬砌内力分布有一定的离散性,二次衬砌裂缝最先出现在拱底,是隧道主体结构的薄弱环节。     

Lateral force and centroid location caused by horizontal and vertical surcharge strip loads on a cross‐anisotropic backfill

This work presents analytical solutions for determining lateral force (force per unit length) and centroid location caused by horizontal and vertical surcharge surface loads acting on a cross‐anisotropic backfill. The surcharge loading types are point load, line load, uniform strip load, upward linear‐varying strip load, upward nonlinear‐varying strip load, downward linear‐varying strip load, and downward nonlinear‐varying strip load. The planes of cross‐anisotropy are assumed parallel to the backfill ground surface. The proposed solutions, derived by integrating the lateral stress solutions (Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2005; 29 :1341–1361), do not exist in literature. Clearly, the type and degree of material anisotropy, loading distance from the retaining wall, and loading types markedly impact the proposed solutions. Two examples are utilized to illustrate the type and degree of soil anisotropy, and the loading types on the lateral force and centroid location in the isotropic/cross‐anisotropic backfills generated by the horizontal and vertical uniform, upward linear‐varying and upward nonlinear‐varying strip loads. The parametric study results demonstrate that the lateral force and centroid location accounting for soil anisotropy, loading distance from the retaining wall, dimension of the loading strip, and loading directions and types differ significantly from those estimated using existing isotropic solutions. The derived solutions can be added to other lateral pressures, such as earth pressure or water pressure, required for stability and structural analysis of a retaining wall. Additionally, they can simulate realistically actual surcharge loading problems in geotechnical engineering when backfill materials are cross‐anisotropic. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Earth pressure diagram and field measurement of an anchored retention wall on a cut slope

To utilize space more effectively for constructing apartments, roads, infrastructure, etc., excavation work is typically found in slope areas. An anchored retention wall has been installed because of the presence of soil slopes behind the walls and unsymmetrical excavation sections. An instrumentation system is normally applied on the anchored retention walls of slopes to observe and estimate lateral earth pressure acting on anchored walls. The earth pressure acting on the wall is decreased with increasing the deformation of the wall during the progress of excavation work. An earth pressure diagram acting on the anchored walls can be presented approximately as a trapezoid. The earth pressure at the ground surface is larger than zero. Also, the earth pressure is increased linearly from the ground surface to 15% of total excavation depth and then keeps constant. The earth pressure acting on the anchored retention walls installed on the cut slope is higher than that of the horizontal ground surface behind the wall, owing to the surcharge load of the slope soils.     

Nonlinear consolidation of vertical drains with coupled radial-vertical flow considering time and depth dependent vacuum pressure

The system of vacuum pressure combined with vertical drains to accelerate soil consolidation is one of the most effective ground improvement methods. The consolidation theories of soft soil improved by vertical drains including void ratio–dependent compressibility and permeability have been widely applied in practice to predict the consolidation behavior. In this paper, analytical solutions of the consolidation of vertical drains are derived incorporating the loss and propagating stage of vacuum pressure. In addition, special solutions are obtained for the cases of instantaneous surcharge loading and staged surcharge loading, based on the general solution. The solution is verified by ignoring the propagating stage of vacuum pressure formation and comparing it with an existing solution. The effects of vacuum pressure loss and propagating stage combined with other parameters are investigated through the ratio between excess pore water pressure and surcharge loading.     

Finite element analyses of negative skin friction on a single pile

This paper presents finite element analyses of negative skin friction on a single pile under various conditions. Negative skin friction is a common problem if a pile is designed in a highly compressible soil. There are two most important parameters in estimating the load caused by negative skin friction: (1) the distribution and magnitude of skin friction and (2) the location of the neutral plane. The neutral plane is the location where the pile and soil settle the same amount or have no relative displacement. Negative skin friction is a very complex phenomenon influenced by many factors. In this paper, a two-dimensional axisymmetric model is built in the finite element program, ABAQUS. The model is first verified with a known case history. A systematic parametric analysis is performed to investigate the influence on both the neutral plane and the magnitude and distribution of negative skin friction along the pile length of various influencing factors, including the consolidation time, the properties of pile/soil interface, the lateral earth pressure coefficient, pile-soil limiting displacement, the intensity of surcharge, and soil stiffness. Based on the analyses, it is found that the location of the neutral plane is significantly influenced by the consolidation time and the stiffness of bearing layer. The distribution and magnitude of negative skin friction is influenced mainly by the pile/soil interface, soil compressibility, and the surcharge intensity. Based on the field measurements from literature and this investigation, a simple design procedure is proposed for estimating the pile load caused by negative skin friction.     

基于EPS板减载的不同矢跨比高填黄土明洞土压力及影响因素离散元分析

利用离散元计算软件PFC2D模拟EPS板减载措施下不同矢跨比(0.4~0.9)拱形明洞的土压力变化状况,从微观角度对减载明洞上方垂直土压力、竖向位移、侧面水平土压力及颗粒间接触进行深入分析,明确内部土体的土压力变化规律。同时,对最佳矢跨比下的不同槽宽比和边坡坡角进行参数敏感性分析。结果表明:EPS减载下,明洞顶出现“土拱效应”,明洞顶垂直土压力沿水平方向呈“U”形变化,竖向位移呈“V”形减小,明洞侧面水平土压力沿竖向呈斜“S”形变化;在最佳矢跨比0.8下,颗粒间接触呈现接触力最小、配位数最小、孔隙率最大的良好状态。当槽宽比越大时,平均垂直土压力越大,竖向位移差和平均水平土压力越小,颗粒间接触状况越差;当边坡坡角越大时,平均垂直土压力越小,竖向位移差和平均水平土压力越大,颗粒间接触状况越好。研究成果可为沟谷地区高填减载明洞结构选型和施工提供参考。     

真空预压法及真空-堆载联合预压法的室内试验研究

通过室内试验,研究了试样在模拟的堆载预压、真空预压、真空-堆载联合预压以及各向等压4种情况下土体的固结变形特性。结果表明,在真空预压模拟试验情况下,试样的变形、加固情况等指标与各向等压模拟试验下的情况很接近,即：试样的竖向变形小于堆载预压模拟试验情况下试样的竖向变形,土性改善程度要优于堆载预压的情况。而真空-堆载联合预压模拟情况下,试样的竖向变形大于真空预压的情况,加固效果好于堆载预压的情况,总体上具有更好的加固效果。