经典朗肯土压力墙后土体滑裂面机制研究

朗肯土压力理论至今仍是计算土压力的重要方法。由于朗肯主动土压力分布是根据墙后土体应力达到极限状态而得到的,根据极限应力状态认为墙后极限土体的滑动面为一簇平面,由此计算墙后极限土体与土压力的力学平衡不能满足。从极限平衡理论出发,针对朗肯主动土压力下墙后土体极限滑动面问题,明确提出墙后极限土体边界为滑动平面和开裂面的组合,提出的滑裂面（包含滑动面和开裂段）从力学平衡、土压力分布、土压力合力大小等方面完全符合朗肯主动土压力的理论解,可认为是朗肯主动土压力所对应的墙后土体真实滑裂面。同时对朗肯理论的墙后拉应力问题也作出了相应解释,并论证了被动土压力的墙后土体滑动面为一簇平面。研究结论对朗肯土压力理论是一个补充和完善     

考虑渗流的盾构隧道开挖面稳定性分析

通过工程实例,应用VB6.0与FLAC3D软件集成可视化系统,考虑水的渗流效应和不考虑水的渗流效应两种情况,对盾构隧道开挖面的稳定性进行分析。根据稳定性理论,确定开挖面支护压力在进行微小变化时,中心点水平位移发生突变时的支护压力为极限支护压力,得到了两种情况下开挖面的极限支护压力、应力场、位移场和塑性区的变化。结果表明:开挖面失稳的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,考虑渗流的开挖面极限支护压力大于不考虑渗流的极限支护压力,渗流力构成了总支护力的主要部分;由于孔隙水压力的影响,考虑渗流效应的隧道开挖面应力小于不考虑渗流效应时的应力,其位移和塑性区却大于不考虑渗流作用的位移和塑性区;考虑渗流情况下开挖面的稳定性比不考虑渗流情况要差。同时与实测资料比较,验证了软件系统的合理和有效性,为设计和施工时开挖面支护压力的施加提供了一定的指导依据。     

考虑渗流条件下开挖面失稳离心试验研究

当土压平衡盾构穿越高水位地层（如穿越江河）时,地下水与土舱之间的高水压差会产生过大的渗透力,导致开挖面失稳。为了研究渗流条件下开挖面失稳问题,开发了一套隧道离心模型试验装置,主要包括刚性模型箱、模型盾构、开挖面伺服加载系统、水位控制系统、储水箱。针对饱和砂质粉土地层,开展了一系列不同水位高度的稳态渗流开挖面失稳模型试验。结果显示,开挖面失稳过程中随着开挖面位移的增加,有效支护压力迅速下降;在达到最小值 之后缓慢回升并趋于稳定;极限有效支护压力 与水头压力 呈线性关系。     

砂土地层中不同支护模式下盾构隧道开挖面稳定性研究

防止盾构隧道开挖面失稳的关键是合理设置不同盾构支护平衡模式下的支护压应力。在改进的筒仓楔形体模型计算方法得出的开挖面松动土体对刀盘压力呈近似呈抛物线分布的基础上,研究了气压支护模式、泥水支护模式和土压支护模式下,盾构隧道开挖面分别在地下水位以上和地下水位以下时开挖面的稳定性,研究结果表明:有效支护应力均匀分布时,除粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面中下部失稳;有效支护压应力呈上小下大的梯形分布时,除软粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面上部失稳;有效支护应力呈上大下小的梯形分布时,所有土体开挖面均为下部失稳;在气压、泥水和土压平衡支护模式下,开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。最后给出了开挖面松动土体对刀盘压应力公式中计算参数的无量纲化图,以方便实际工程运用。      

浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度分析

开挖面支护压力是影响隧道开挖面稳定的重要施工因素,也是进行隧道开挖稳定性可靠度分析的关键。采用FLAC3D软件计算开挖面的最小极限支护压力,结合响应面法计算浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度指标卢,将土体粘聚力和内摩擦角作为随机变量,考虑土体粘聚力和内摩擦角之间的相关性。分析结果表明,不考虑参数相关性计算得到的可靠性指标偏于保守。通过计算验算点处的极限支护压力与原支护压力比较,证明响应面法在结合FLAC3D计算开挖面稳定的可靠度方面是足够准确的。     

盾构法隧道施工的精细模拟

在分析了现有的部分细节仿真中存在问题基础上,提出在盾构开挖面前方设置开挖卸荷单元,来模拟开挖面土体的三维移动,改进了千斤顶推力的施加方法.通过施加已知结点位移模拟刀盘超挖和盾尾脱空引起的地层损失,并通过设置横向和纵向三维Goodman接触面来模拟盾构前行、盾尾脱空及注浆作用下土体与结构间的接触.利用推荐的方法对一算例进行分析.结果证明了模拟方法的合理性.     

层状岩质边坡中最不利滑裂面迁移现象的研究

在阐述层状岩质边坡最不利滑裂面迁移现象的普遍性和研究意义之后。分析了边坡结构类型。潜在滑动面阻滑作用,荷载,开挖,水文地质条件变化。预应力锚固和挡墙支护对边坡最不利滑裂面迁移的影响。并以江阴长江公路大桥等工程实例侧重阐述了荷载和开挖所引起的边坡最不利滑裂面的迁移。     

盾构法施工过程的有限元模拟

在综合考虑了现有的有限元模拟方法的基础上,对部分仿真模拟细节进行了改进,改进了水平荷载的施加方法,用"等代层"来模拟盾尾建筑空隙,用预设单元的刚度迁移来模拟盾构的推进过程。通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟,分析了盾构推进过程中地表土体的位移与变形,计算得到的隧道横断面和隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据比较接近,结果证明了模拟方法是可行的。     

三峡工程坝址花岗岩体缓倾角结构面成因综合研究

本文对长江三峡工程坝址花岗岩体中缓倾角结构面成因进行了全面的综合研究。从野外地质调查人手,在大量野外勘测的基础上进行宏观分析,同时辅之以扫描电镜、透射电镜、包体温度测定等方法进行微观构造组构、差异应力等的研究。在地质力学宏观分析的基础上,利用地质力学物理模拟进行相似条件下的反演,并利用非线性有限元数值模拟进行验证。同类研究在国内外均未见先例,可为同类工程研究借鉴。     

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。     

盾构施工中土体损失引起的地面沉降预测

土质软硬决定了隧道周围土体的移动方向,移动焦点在隧道中心点与隧道底部位置之间变动。采用两圆相切的土体损失模型,通过引入移动焦点的坐标参数,建立了统一的土体移动模型,该模型能将Park模型与Loganathan模型包括在内。假定土体不排水,利用源汇法推导了由土体损失引起的地面沉降通用计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明该方法的计算结果与实测值非常吻合,适用于各种土质条件。Loganathan公式只适用于土质较差的情况,当土质较好时计算得到的地面沉降量要比实测值偏小。     

一种盾构掘进引起地表沉降的实用预测方法

盾构隧道施工中,提前预知盾构影响范围内的地表沉降情况对减少施工对既有建筑物的危害是有帮助的。Peck法公式用于描述隧道掘进引起地表沉降分布曲线已经被工程界广为接受,但地层损失一般从工程经验中获得,导致该理论在实践中应用受限。基于实测沉降数据,用最小二乘法求解地层损失,并且对Peck法公式进行了拓展,建立了一种用于预测盾构影响范围内地表沉降情况的实用方法。并编制了可视化的电算程序,工程实例表明,该方法行之有效。     

盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究

目前,盾构隧道开挖面稳定性评价方法均是确定性方法。为了考虑土体参数的变异性,提出用可靠方法来评价其稳定程度。采用数值模拟方法,研究了隧道开挖面极限支护压力。基于BP神经网络预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力,对其进行统计,得其概率分布特征。在理论分析的基础上,结合工程实际,探讨了盾构施工土压力的确定原理。建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程,对其进行了可靠度分析。该研究除能够科学、合理地评价开挖面的稳定程度外,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。     

盾构法隧道施工工后横向地表总沉降研究

盾构法隧道施工引起的土体超孔隙水压力消散,会导致工后地表继续沉降。在前人研究基础上,提出了隧道周围土体的初始超孔隙水压力计算方法。采用分层总和法,计算由于扰动区内土体超孔隙水压力消散引起的地表固结沉降量,结合施工阶段地表沉降量,叠加得到总的工后横向地表沉降。提出了固结开始t时刻的地表总沉降量计算方法,研究了地表沉降速率随时间的变化。算例分析结果表明：本文方法计算得到的横向地表沉降曲线符合正态分布规律,与实测值吻合;地表总沉降速率的发展也与实测沉降速率曲线相符。     

盾构俯仰角变化对盾构-土相互作用影响研究

盾构姿态改变过程中盾构-土相互作用是复杂的多相耦合问题。针对盾构俯仰角这一关键姿态参数,基于地基反力曲线,通过等效土体弹簧简化了盾构-土相互作用关系,从而建立了盾构-土相互作用模型。通过改进的Terzaghi松动土压力计算方法,解决了盾构-土相互作用初始边界问题。基于以上研究成果,得到了盾构俯仰角理论计算方法,并对垂直基床系数以及上软下硬地层等因素对盾构-土相互作用的影响进行了分析和讨论。结果表明:上软下硬地层不利于盾构姿态的控制,对于盾构姿态控制的要求更高。最后,结合济南地铁R2线盾构隧道工程对俯仰角的实测数据进行了对比分析,结果表明,由于千斤顶施加的偏转弯矩无法完全作用于盾构,导致实测值普遍略小于理论值。盾构俯仰角的理论计算方法可为盾构姿态控制提供理论指导。     

盾构法隧道施工对邻近摩擦单桩影响的研究

采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟盾构施工,通过变化隧道埋深、隧道数量及开挖顺序研究盾构法开挖隧道对邻近摩擦单桩的影响。计算结果表明,隧道与桩的水平距离不变时,隧道埋深存在一个临界值,当隧道埋深为此临界值时隧道开挖引起的桩顶沉降、桩身侧移最大;隧道埋深较小时,隧道开挖会使桩产生较小的上移;隧道与桩的水平距离缩小相同值时,隧道埋深越小,开挖引起的桩顶沉降增加量越大;双隧道开挖引起的桩顶最终沉降量大于单隧道开挖引起的桩顶最终沉降量;双隧道同时开挖引起的桩顶沉降量、桩顶最大侧移大于双隧道先后开挖引起的桩顶沉降量、桩顶最大侧移;无论是同时开挖还是先后开挖,垂直双隧道引起的桩顶沉降量明显小于平行双隧道引起的桩顶沉降量。     

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。     

地表临时堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形分析

违规临时地表堆载将引起地层附加应力,对既有盾构隧道产生不利的影响,严重者将导致隧道结构破坏。现有方法多是将隧道简化为搁置于Winkler地基的Euler-Bernoulli梁,不能考虑隧道的剪切变形和隧道埋深对基床反力系数的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应和隧道埋深的地表堆载下既有盾构隧道变形和受力的简化解析解。将既有盾构隧道简化为搁置于Winkler地基的Timoshenko梁,地基反力系数考虑隧道埋深的影响。通过三维有限元模型和已发表工程案例的实测数据,验证所提方法的正确性及适用性。通过参数分析发现,在荷载中心与隧道中心距离较近情况下,浅埋盾构隧道将发生较大的沉降变形;提高等效抗弯刚度和基床反力系数可以减少隧道沉降变形。而增大等效剪切刚度对隧道的沉降变形贡献较小,但是可以明显减小管片之间的错台变形。该研究成果可为合理预测地表堆载对既有盾构隧道的影响提供一定的理论支持。     

盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析

以成都砂卵石地层中地铁1号线的土压平衡盾构掘进施工为研究背景,采用室内试验、PFC2D二维颗粒流程序和 Plaxis 3D有限元软件对盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征进行了细宏观数值模拟,揭示了土压盾构穿越砂卵石地层的失稳机制和沉降规律,并结合实际施工参数和实测地表沉降数据进行了对比分析,获得了土压盾构在砂卵石地层中掘进引起的地表横向沉降槽和纵向沉降槽曲线,分析了不同大小的开挖面土仓压力和盾尾注浆压力对地表沉降的影响,给出了砂卵石地层开挖面土仓压力的建议值和盾尾注浆压力参数的合理取值范围。细宏观分析表明,与注浆压力相比较,土仓压力对地表最大沉降曲线的形状影响较小;但必须关注土仓压力的变化,在砂卵石地层中由于土拱效应对开挖面稳定性影响较大,甚至发生突然坍塌破坏。     

砂土中盾构隧道开挖面失稳土体三维形状分析

合理确定盾构隧道开挖面前方失稳土体的形状是开挖面极限支护压力计算及开挖面失稳风险评估的基础和难点。建立模拟盾构隧道开挖面失稳过程的数值模型,利用Handy拱效应理论,依据Mohr-Coulomb破坏准则,得出失稳土体破坏位置和形状的计算方法。研究结果表明,水平方向由于隧道左右两端的支承作用产生水平压力拱,使失稳土体存在一个极限边界,极限边界内垂直方向的土体移动产生悬链线形的最小主应力拱,失稳土体形状类似贝壳形。以南京地铁3号线浦珠路站－滨江路站区间盾构隧道工程作为算例,理论分析和数值模拟结果吻合较好。