劈裂注浆复合土体三维等效弹性模型理论研究

劈裂注浆可以有效改善土体的变形参数,大大降低土体在受力状态改变时的变形量,对劈裂注浆后复合土体的等效变形参数进行研究十分重要。在综合分析劈裂注浆扩散机制和工程应用实际的基础上,基于均质化理论提出了劈裂注浆后复合土体的三维单元体几何模型,按等效原则给出了浆-土体积及受力分配关系模型图;接着基于横向各向同性本构关系推导了模型的等效弹性模量和等效泊松比的解析解。然后采用有限元方法取得了模型特定条件下的等效弹性模量和等效泊松比,并与解析结果进行对比分析。最后把模型和相应的解析结果引入Flac3D岩土工程专业分析软件,结合一个热力隧道工程实例对隧道劈裂注浆后关键位置的沉降进行预测分析,并与实测值进行了对比。研究表明：对所提出的计算模型,解析计算与有限元方法计算结果吻合度较高,说明了解析结果的正确性;基于该模型及其解析结果得到的隧道开挖后的沉降预测值与实测值具有良好的一致性,说明所提出的模型和相应的解析计算方法具有一定的可靠性和实用性。     

复合地基等效弹性参数研究

考虑复合地基边界约束条件的影响,采用复合地基单元体模型,基于变形一致的原则,推导了复合地基在弹性变形阶段的等效变形模量和等效泊松比的解析解。研究表明,复合地基的等效弹性常数与复合单元体侧向约束条件有关,侧向约束越强,等效变形模量越大,泊松比越小。侧限条件和无侧限条件的等效弹性常数是复合地基各种约束情况下的2个极值,在较强的侧限约束条件下,等效泊松比随置换率的变化相对明显。研究还表明,按面积加权法计算的复合变形模量偏小,而计算的复合压缩模量偏大,等效压缩模量与加权法计算的差值随置换率不同而异,并随着桩土压缩模量比的增大而增加,其差异一般可达20%～30%     

随机分布贯穿裂隙岩体变形特性研究

洞室开挖后,其周边通常会产生许多随机分布的贯穿裂隙,直接影响洞室围岩稳定,研究随机分布贯穿裂隙岩体的变形及变形特性具有重要意义。基于线弹性理论和线性刚度理论计算岩石和裂隙的位移,用概率的方法建立了随机分布贯穿裂隙岩体变形的计算模型,给出了随机分布贯穿裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究了岩石和裂隙的材料参数和几何参数对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。可得如下结论：等效弹性模量和等效泊松比随着岩石弹性模量的增大而增大;等效泊松比随着岩石泊松比的增大而增大;等效弹性模量和等效泊松比随着裂隙法向刚度的增大而增大;随着剪切刚度的增大,等效弹性模量逐渐增大,而等效泊松比则逐渐减少;随着裂隙平均间距的增大,等效弹性模量逐渐减小,等效泊松比在平均倾斜角较小时逐渐增大,在平均倾斜角较大时逐渐减小;随着裂隙平均倾斜角的增大,等效弹性模量先减小后增大,而等效泊松比先增大后减小。模型能较全面地考虑构成岩体的岩石和裂隙的材料参数与几何参数对岩体变形的影响,其结果对研究洞室围岩的变形和工程设计有一定的参考价值。     

隧道开挖条件下地埋管线的非线性响应分析

隧道开挖引起的地层不均匀沉降造成附近的地埋管线产生额外的变形,甚至破坏。被动管线与土体的相互作用的研究表明,不考虑土体的刚度衰减,较大的土体弹性模量使得管线的最大弯矩计算结果过大,偏于保守,造成不必要的浪费。在被动管线Winkler地基模型分析基础上,引入土体刚度衰减模型考虑土体非线性特性,提出了隧道开挖作用下管线响应的等效线性分析方法。基于自由土体位移场计算管周土体由于隧道开挖引起的附加应变,基于水平受荷桩的环状弹性介质模型考虑由于管土相互作用引起的管周土体应变,从而对被动Winkler地基模型的土体弹性参数进行修正,计算得到管线的最大弯矩。通过与现有的弹性理论方法、离心模型试验结果的对比,验证了针对隧道开挖引起的被动管土相互作用问题,该方法考虑土体非线性特性的合理性。     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。     

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。     

劈裂注浆抬升既有管道效果分析及工程应用

地铁车站施工中常穿越大量的市政管道,由于隧道开挖引起地层损失和地表沉降,地下管道将会发生变形,往往影响地铁施工,注浆是对地下管道进行沉降控制的主要技术措施。以北京地铁黄庄站下穿热力管道抬升注浆工程为研究对象,利用三维有限差分数值方法分析了新建车站开挖引起超大管道的变形特征。结果表明,在抬升区注浆单元施加膨胀压力可以较好模拟注浆抬升既有管道的效果;采用应变软化模型,可以有效模拟土体材料的弹塑性力学行为,反映注浆完成后浆脉的固结和周围土体的湿陷作用。对比注浆抬升模拟计算和沉降监测结果,验证了有限差分数值方法模拟劈裂注浆抬升管道过程的正确性和有效性。同时模拟分析注浆抬升管道的影响因素,获得了一些规律性的认识,为劈裂注浆抬升地下管道工程的施工和设计提供指导。     

双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究

基于双线水平平行盾构施工中土体损失引起的土体变形二维解析解,建立土体变形三维解析解。取不同的纵向位置作为变量,建立土体损失率沿纵向的变化方程;考虑先行隧道施工对后行隧道的影响,分别计算两条盾构隧道施工引起的土体变形,叠加得到双线平行盾构施工引起的土体总变形。其方法能够计算土体深层沉降和水平位移,较精确地反映土体三维变形。算例分析结果表明：预测值与实测值较为吻合;土体沉降随着离开挖面距离的增加而不断增大,最终在x = -40 m左右时趋于稳定;随着先行隧道与后行隧道开挖距离的接近,最大土体总沉降量逐渐增大;土体沉降会随着深度z的增大而略微增加,但沉降槽宽度将略微减小;随着两条隧道轴线水平距离L的增大,最大土体沉降逐渐减小,沉降曲线形状慢慢由V型转变成W型,不再符合正态分布规律。     

一种基于弹性应变能的裂隙岩体等效弹性模量评价方法

基于线弹性断裂力学裂隙面张开位移及剪切位移理论公式,考虑裂隙存在常法向和常切向刚度情况,研究了含单个裂隙岩体加载过程中由于裂隙存在而附加的弹性应变能。基于应变能等效方法并假设两种裂隙变形模型--非均匀变形模型和均匀变形模型,研究了二维非贯通裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量解析表达式。研究结果表明,对于贯通裂隙规则分布情况,均匀变形模型得到的解析解与Amadei等的结果一致;对于非贯通裂隙正态分布情况,考虑裂隙相互作用的非均匀变形模型解明显低估裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量,而考虑裂隙相互作用的均匀变形模型解与有限元数值解的偏差在10%以内。得到的解析表达式在一定条件下可以作为裂隙岩体等效弹性模量评价方法之一。     

圆柱孔收缩的线弹性-完全塑性解及其应用

针对隧道开挖引起的地层损失现象,将开挖过程简化为圆柱孔收缩问题,借鉴文献[1]关于圆柱孔收缩的计算方法引入临界状态土力学理论,给出了圆柱孔收缩问题的线弹性-完全塑性解析解,并结合隧道开挖的工程特点给出了地层损失比以及地表土体最大沉降与隧道支护压力之间的关系式。将该方法的计算结果与Grant的离心机试验实测结果进行了对比,并通过国内外的工程实例对该方法的计算结果进行了验证,证明计算结果准确合理,可为隧道开挖引起的土体变形分析提供借鉴。     

Dynamic analysis of an offshore structure on an elastic-plastic foundation-soil system

The effect of foundation stiffness upon the dynamic response of an offshore structure is investigated. The non-linear deformation behaviour of a stratified seabed is included in the finite element simulation. The seabed is represented by a simplified spring model. In the linear elastic analyses the stiffnesses are derived using elastic half-space theory. For the non-linear problems, elastic-plastic finite element analyses are used to generate equivalent properties.An example of the method is given as applied to a three towered concrete gravity platform. Variation of natural frequency is used to indicate the significance of changes in parameters such as soil shear modulus, structural stiffness and deck mass. The forced response behaviour to random wave excitation is also investigated using a linear elastic analysis. The effect of the interaction of the foundation — soil with the structure on the dynamic response is demonstrated by the results.     

水平旋喷桩施工引起周围土体变形分析

水平旋喷桩施工期间,大量高压流体注入土层,引起土层内部产生较大的膨胀作用,致使周围一定区域的土体发生变形。水平旋喷桩施工引起土体变形可以归结为压力膨胀和体积膨胀共同作用的问题。依托单根水平旋喷桩施工的现场实例,建立了水平旋喷桩施工引起土体变形的数值模型。将水平旋喷桩施工引起的土体变形问题简化为圆孔的膨胀问题,可以统筹考虑注浆压力和注浆流量的影响。首先需要确定注浆压力的影响半径和注浆流量引起的体积膨胀比,然后可以通过数值模型计算膨胀引起的土体变形。数值分析结果与现场实测值的对比表明,当注浆压力影响半径为成桩半径的6倍时,数值计算结果与现场实测值吻合较好。     

复合地基沉降计算的复合本构有限元法适应性研究

复合本构有限元法是一种新型的复合地基沉降数值计算方法.采用复合本构有限元和传统三维有限元两种计算模型,通过不同桩土模量比、置换率和桩长条件下复合地基沉降计算结果的比较,对复合本构有限元法的适应性进行了探讨.     

Settlement analysis of rectangular piles in nonhomogeneous soil using a Winkler model approach

An analytical approach using a Winkler model is investigated to provide analytical solutions of settlement of a rectangular pile subjected to vertical loads in nonhomogeneous soils. For a vertically loaded pile with a rectangular cross section, the settlement influence factor of a normal pile in nonhomogeneous soils is derived from Mindlin's solution for elastic continuum analysis. For short piles with rectangular and circular cross sections, the modified forms of settlement influence factors of normal piles are produced taking into account the load transfer parameter proposed by Randolph for short circular piles. The modulus of subgrade reaction along a rectangular pile in nonhomogeneous soils is expressed by using the settlement influence factor related to Mindlin's solution to combine the elastic continuum approach with the subgrade‐reaction approach. The relationship between settlement and vertical load for a rectangular pile in nonhomogeneous soils is available in the form of the recurrence equation. The formulation of settlement of soils surrounding a rectangular pile subjected to vertical loads in nonhomogeneous soils is proposed by taking into account Mindlin's solution and both the equivalent thickness and the equivalent elastic modulus for layers in the equivalent elastic method. The difference of settlement between square and circular piles is insignificant, and the settlement of a rectangular pile decreases as the aspect ratio of the rectangular pile cross section increases. The comparison of results calculated by the present method for a rectangular pile in nonhomogeneous soils has shown good agreement with those obtained from the analytical methods and the finite element method. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

大直径超长桩压浆后承载性能的试验研究及有限元分析

结合大直径超长桩试桩得到的试验资料,应用有限元方法分析了压浆对大直径超长钻孔灌注桩承载性能的影响。根据反分析计算结果可知,桩周摩阻力、桩端加固体变形模量及桩周土的变形模量均有不同程度的提高,桩周土在整个桩长范围内变形模量提高幅度为33 %～67 %,平均侧阻力提高幅度为30 %～40 %,与实测结果相基本一致。     

考虑成层土路堤荷载下复合地基加固区沉降计算

考虑土的成层性,假定桩周成层土弹性模量的不同不影响桩中性点位置,应用弹性理论和桩土位移协调条件及边界条件,推导了路堤荷载下复合地基加固区桩及桩周土压缩量计算的解析式,同时得到了各层土范围内桩、桩周土竖向应力及桩侧剪应力的表达式,并利用有限元分析了桩周土弹性模量的变化对桩中性点位置的影响规律,验证了假定。结果表明:使用该计算方法分析路堤荷载下复合地基加固区内桩和桩周土的变形,计算结果与有限元及实测结果比较接近,满足工程计算精度要求,能为类似地基土成层分布工程沉降分析提供有益参考。     

Numerical analysis of seepage–deformation in unsaturated soils

A coupled elastic–plastic finite element analysis based on simplified consolidation theory for unsaturated soils is used to investigate the coupling processes of water infiltration and deformation. By introducing a reduced suction and an elastic–plastic constitutive equation for the soil skeleton, the simplified consolidation theory for unsaturated soils is incorporated into an in-house finite element code. Using the proposed numerical method, the generation of pore water pressure and development of deformation can be simulated under evaporation or rainfall infiltration conditions. Through a parametric study and comparison with the test results, the proposed method is found to describe well the characteristics during water evaporation/infiltration into unsaturated soils. Finally, an unsaturated soil slope with water infiltration is analyzed in detail to investigate the development of the displacement and generation of pore water pressure.