上海地区由管线渗漏引发地而塌陷数值模拟研究

上海市城市道路发生的地面塌陷主要原因为浅部砂层分布区域地下排水管线渗漏引发流砂,导致地下土体流失,地表硬壳层承载力下降。将有限元和离散元二者进行耦合,从管线渗漏位置和对邻近管线影响两个方面诱发地下空洞机理进行数值模拟研究。研究结果表明,管道表面顶部局部渗漏引起地表以下土体流失量最大,底部渗漏造成的影响范围较小;管道断裂渗漏引起的地面塌陷范围比管道局部渗漏大得多,但深度较管道顶部局部渗漏引起的塌陷深度小;邻近管道埋深越大,地表以下土体流失量越大,引起塌陷影响区域范围越大,而埋深较浅时,其所受邻近渗漏管道的影响较大;在对地面塌陷进行监测与预防时,不应仅关注地表沉降变形,关注管道周边的土体变形是一种更加及时有效的方法。     

地面超载引起邻近埋地管道的位移分析

地基土承受超载作用时就会产生沉降,在土体沉降作用下埋置于其中的管道,管壁就会产生变形甚至破裂。为分析地面超载对临近地下管线的影响,基于温克勒（Winkler）弹性地基短梁理论,应用Boussinesq解,考虑地面超载引起下卧层的沉降及地基土体的侧向移动对管道的影响,建立地面超载对埋地管道影响的分析计算模型,并采用有限差分法进行求解;通过算例分析了超载大小、位置,管道刚度、埋深、管径以及土体性质对埋地管道位移的影响;结果表明：超载大小、管道的刚度、埋深、管径对地下管道位移的影响较大,而当地基基床系数和超载离管道的距离增大到一定值时,地面超载对其影响将减弱。因此,需要考虑邻近超载对管道的影响,合理制定埋地管道的保护措施。     

顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元方法分析了顶管施工引起的相邻平行地下管线的位移,研究了注浆、纠偏、离顶管距离的远近、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比及不同管材对地下管线位移的影响。计算结果表明,注浆与纠偏压力越大,地下管线的位移越大;地下管线距离顶管越远,引起的位移越小;地下管线弹性模量越小,产生的位移越大。     

顶管施工对邻近地下管线的影响预测分析

采用通用Peck公式计算顶管施工引起的地下管线平面处的土体竖向位移。对地下管线的受力模型进行简化,基于Winkler地基模型,得到地下管线由于顶管开挖引起的极限弯矩、理论弯矩以及管线变形的计算方法。通过算例分析,与连续弹性解、Attewell解和王涛解的计算结果进行比较,探讨了土质条件、管线材质、管线埋深、管线管径对地下管线受力的影响。计算结果表明,本方法适用于各种土质,可较好地预估管线所受弯矩,且不会低估管线所受的最大弯矩;在相同条件下,管线埋深越大承受的弯矩也越大,但埋深仅对最大正弯矩和最大负弯矩位置附近处的管线影响较大,对其余部位影响较小;管线抗弯刚度越大,管线承受的极限弯矩和影响范围也越大;管线管径越大,管线承受的弯矩也越大。     

暗挖隧道与邻近结构物相互作用研究现状及展望

软土中采用暗挖方式开挖隧道往往会引起土体变形。由于城市中暗挖隧道多建在建筑物高度集中的地区,土体变形对邻近既有结构物的损伤不容忽视。同时,既有暗挖隧道周围结构物的施工也不可避免地会引起隧道的变形和受力。文章主要阐述了目前暗挖隧道施工引起的土体变形对邻近地面建筑物、桩基、地下管线、既有隧道和基坑的影响以及邻近结构物施工对既有暗挖隧道影响的研究成果,并提出了需要进一步研究的课题及研究方法。     

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。     

基于光纤传感及数字图像测试的管-土相互作用试验研究

我国城市化、工业化进程对地下管线的依赖性和需求越来越强,但是近年来相关的重大安全事故频发,亟待加强对管道破坏机理及管-土相互作用的研究。本文基于准分布式光纤布拉格光栅(FBG)技术,在室内开展了一系列平面应变模型试验,利用光纤应变传感器监测了地表加载作用下埋地管道的受力变形特征,据此提出了由应变测值反演管周土压力的计算方法;同时,利用粒子图像测速(PIV)技术获取了管道周边土体的变形规律,并和光纤监测结果进行了对比分析。试验结果表明:采用FBG传感技术,可以有效获取管周土压力分布及土体应变的演化过程;不同埋深率情况下管周土体的变形破坏模式有较大的不同,土拱效应随管道埋深增大而变得更加显著。相关结论为进一步认识埋地管道的灾变机理、提高监测预警水平,提供了一定的参考。     

基坑开挖对邻近地下管线影响的变形控制标准

基坑开挖会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形,甚至会引起管线的开裂破坏。基于位移控制理论,对板式支护体系由于基坑开挖而引起的周边自由土体位移场的分布规律进行了探讨,通过位移控制两阶段简化分析方法与位移控制有限元方法的对比,验证了简化方法的合理性。其次对最近修订的《上海市基坑工程技术规范》的基坑环境保护标准进行了探讨,利用简化方法通过算例计算以分析其仍需改进的方面,在此基础上,基于地下管线的自身承受能力,提出了基坑开挖对管线保护的变形控制标准,给出了为保证管线正常使用,基坑开挖深度与基坑允许侧向变形的关系,从而可以为基坑开挖环境影响评价标准的建设提供相应的理论依据。     

基坑开挖对邻近管道影响数值分析

基坑开挖会导致周边土体产生变形,不可避免地将影响到土体掩埋的地下管道。为研究基坑开挖对邻近管道的影响,本文基于昆明市某基坑项目,采用MIDAS GTS NX有限元分析软件对实际项目建模并计算,并重点针对3种常见的影响因素:管道材质、管道直径与管道距离坑边距进行分析研究。结果表明:管道材料刚度越强,抵抗土体变形能力越好;管道直径在2 m时,抵抗变形能力最好;在条件允许的情况下,使得管线在2.5倍基坑开挖深度以外,基坑开挖对管线变形最小。     

基于土体小应变本构模型的TRD工法成墙试验数值模拟

等厚度水泥土搅拌墙技术即TRD工法,近年来在深基坑工程中得到了广泛应用。以上海国际金融中心基坑工程开展的0.7 m厚、8 m宽、56.7 m深TRD成墙试验为背景,采用有限元方法,并基于土体小应变本构模型对其成墙过程进行了模拟,得到了土体侧向位移和地表沉降曲线,并与实测数据进行了对比。结果表明,距离墙体5 m处两者的土体侧向位移曲线基本一致,而距离墙体1.4 m处的土体侧向位移在深度大于20 m后的计算结果较实测值偏小;地表沉降在靠近墙体处最大,随着距墙体的距离增大而逐渐减小。最后分析了成墙深度对地表沉降和土体侧向变形的影响,结果表明,深度越深,引起的土体侧向变形和地表沉降也越大。通过不同成墙深度引起的地表沉降归一化曲线可看出,TRD成墙引起的最大地表沉降约为0.05%H（H为成墙深度）,沉降影响区域约为1.8H。     

地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响

洞桩法能够较好地控制地层变形和对周边既有建（构）筑物的影响,目前已成为北京地铁暗挖车站施工的主流工法。以北京地铁10号线黄庄站工程为背景,基于地表和管线沉降的实测数据,建立“隧道-管道-土体”的三维有限元计算模型,研究了洞桩法车站施工对地层的影响,并从沉降、变形和管-土相互作用等方面系统研究了施工对邻近刚性接头管道的影响。研究结果表明,洞桩法车站施工中导洞和扣拱施工是关键工序,这两个工序引起的地表沉降占总沉降的90%以上;刚性接头管道的沉降、变形及管道-土体差异沉降与管道和隧道相对位置关系密切相关,主要受其正下方土体开挖影响;管道变形由整个管体共同承担,地层位移使管道产生弯曲和轴向变形,建议采用应变作为管道变形控制标准。     

煤矿采空区地面塌陷预测方法探讨

采空区地面塌陷危险性预测评估虽然具有局限性,但根据煤层埋深、覆岩厚度、工程地质条件等选取经验数据进行先期预测,可以定量地研究煤层开采对环境造成的影响,对合理进行灾害防治具有实际意义。本文以华能新庄、肃北县牛圈子四号煤矿为研究对象,分别运用地表移动和变形预计法与地表移动范围角量参数法,分别对缓倾煤层、倾斜煤层进行采空区地面塌陷的预测,通过对预测结果的综合分析,得出宜采用地表移动角量参数法预测缓倾煤层,采用地表移动和变形预计法预测倾斜煤层,为今后类似煤矿采空区地面塌陷预测提供科学依据。     

采空塌陷区管土相互作用特征分析

文章分析了采空塌陷作用下油气管道的受力特征,将采空区地面塌陷过程中塌陷土体与管道的相互作用分成了下塌土蠕变、管体局部暗悬、管体完全悬空外露和土体突发沉陷4个阶段。基于抗大变形钢特性及应变设计理念的管体应力—应变关系,对Ramberg-Osgood本构关系进行了二次开发。结合急倾斜煤层开采实例,利用FLAC3D数值模拟计算了塌陷宽度相同条件下,不同土体下沉变形时管体与地表土体相互作用及变形的关系,验证了管道在受采空塌陷作用下经过的各个阶段及受力特征。     

基坑全过程开挖及邻近地铁隧道变形实测分析

根据邻近已运营地铁隧道的基坑工程监测数据,对基坑开挖全阶段施工过程的深层土体侧向位移与邻近地铁隧道变形之间的规律展开研究,探讨基坑开挖的施工危险节点与重点影响区域。研究发现,基坑开挖前期围护结构施工和降水均对地层和邻近地铁产生了不容忽视的初始位移影响,围护结构长时间无支撑暴露是基坑侧移快速增长的危险时段;基坑开挖具有空间效应,中部侧向变形要大于边角,且单向开挖易造成后挖区土体的位移场和应力场叠加,引起邻近隧道的最大变形向后挖区偏移;基坑开挖深度与邻近地铁埋深相近时,隧道结构产生显著的水平位移和“横鸭蛋”式收敛变形,竖向位移波动不大;深层土体侧移曲线表现为“阶梯鼓肚形”,土体最大水平位移与隧道变形在小范围内呈线性关系,但随着侧移量的增大,隧道变形发生偏离拟合曲线的超线性增长,在工程中应值得关注。     

采空塌陷区管道成灾机理分析及工程防治措施

由地下采空造成地面突然塌陷而构成对管道工程的危害是最严重的管道地质灾害之一。通过对地下采空产生的地表移动和变形对管道的影响和损害的讨论,分析了采空塌陷对管道的危害特征。在分析矿区地表移动与覆岩的破坏规律和采场采动影响下覆岩破坏规律的基础上,研究了采空塌陷区管道成灾机理及影响因素。然后提出了采空区输气管道安全保护措施,对采空塌陷区的油气管道完整性管理工作具有指导意义。     

浅埋管道水平横向作用下砂土极限承载力研究

断层、滑坡、液化等地质灾害引起的场地大变形对埋地管道结构安全产生严重的威胁。开展了中密砂中埋地管道−砂土水平横向相互作用的系列三维数值模拟,根据数值模拟的结果探讨了不同深径比下管−砂土横向相互作用时土体的破坏模式,研究了深径比对砂土极限承载力的影响。基于管周土体的破坏模式建立了简化计算模型,根据极限平衡理论推导了管道水平横向运动时砂土极限承载力计算公式。研究结果表明：极限状态下,浅埋管道周围土体形成延伸到地表的破裂面,轮廓线近似对数螺线;砂土的极限承载力随着深径比增加,最终在临界深径比处达到稳定;随着深径比的增加,土体发生剪切滑动破坏所需的管道位移也逐渐增大;由于横向承载力系数取值依据不同,国内外规范计算所得土体极限承载力差异较大;得到的解析解能够较好地预测中密砂土中浅埋管道水平横向运动时土体的极限承载力。     

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。     

隧道开挖对邻近地下管线的影响预测分析

隧道施工会引起周围土体移动,进而对邻近地下管线产生危害。采用Loganathan公式计算隧道开挖引起的管线平面处的土体竖向位移,对地下管线的受力模型进行简化,基于Winkler地基模型,推导出地下管线由于隧道开挖引起的弯矩和变形计算公式。通过相关算例的分析,与连续弹性解和Attwell解的计算结果进行了比较,研究结果表明,提出的方法可以很好地预估地下管线所受的弯矩。     

地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形

对地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法进行研究。考虑盾构轴线与水平面的夹角 （即隧道埋深变化）,对林存刚公式进行修正,结合正面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力和土体损失的共同作用,提出全新的土体垂直变形计算公式。算例分析结果表明：在隧道埋深较浅工况下,新方法计算结果与林存刚公式的计算结果差异较大,新方法计算得到的开挖面前方地面隆起和后方地面沉降均较大;盾构上仰掘进时,随着 增大,由正面附加推力、盾壳摩擦力及土体损失引起的纵向土体垂直变形曲线呈上移趋势,由附加注浆压力引起的纵向土体垂直变形曲线则呈下移趋势;地面沉降最大值变小,但地面横向沉降槽范围逐渐变大。     

自行走隧道掘进机行进对地表沉降的理论分析

通过对自行走式隧道掘进机在地下爬坡过程中引起的地表变形进行了研究,结果表明：掘进机行进轨迹的纵向沉降曲线与随机介质理论预计的沉降曲线接近;在自行走掘进机埋深较浅时,横断面沉降曲线与Peck理论正态分布曲线误差较大,周向增阻结构嵌入土体能够造成地表土体的隆起。