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。     

盾构法施工中楔形体模型滑裂面倾角的研究

在盾构开挖面极限支护力的计算理论中,楔形体模型由于简单、直观而得到广泛的应用,但确定滑动面倾角 较为繁琐,尤其是在迎坡条件下的研究较少。在梯形楔形体模型的基础上,通过引入盾构隧道的纵坡坡度角θ,建立了迎坡条件下的盾构开挖面极限支护力计算模型,推导出开挖面极限支护力计算公式。对开挖面支护力计算值的数据分析发现,不考虑渗流力和黏聚力的影响时,滑动面倾角 仅受隧道线路纵向坡度角 的影响较大,而土的内摩擦角c、重度 、开挖面直径D、埋深H和地表附加应力q对其影响很小;考虑黏聚力c的影响时,c≤11 kPa时滑动面的倾角 随黏聚力的增大逐渐减小,且当黏聚力、内摩擦角和开挖面直径一定时,滑动面倾角 只在某一特定数值附近小幅度变化,同时当开挖面直径D>5 m时,滑动面倾角随开挖面直径的增大而增大;土的重度、地表附加应力和埋深对滑动面倾角的数值影响不大,计算滑动面倾角时可不考虑它们的影响。在分析研究基础上得到了滑动面倾角 的计算公式,简化了极限支护力的求解过程。     

非均质地基中平面应变隧道开挖面稳定上限分析

非均质是软黏土地基中比较普遍的现象,而目前隧道开挖面稳定研究中比较成熟的理论主要是针对均质土体。因此,从塑性极限分析上限法的基本原理出发,采用平面应变隧道刚体平动破坏模式(多块体上限法),考虑软黏土地基的非均质性,推导了平面应变隧道极限支护压力关于隧道埋深、土体重度及土体强度的上限公式。通过与其他方法的比较分析,证明了极限分析方法在隧道开挖面稳定性方面的可行性;利用该方法的计算结果详细探讨了隧道开挖面稳定的影响因素;而且由计算结果可知,地基土的非均质性在影响隧道开挖面极限支护压力的同时,也影响着隧道开挖破坏面的位置和形状,为工程实践提供重要的理论依据。     

考虑砂土抗剪强度空间变异性的盾构开挖面稳定性分析

采用传统研究方法对盾构开挖面稳定性的分析多基于土体是均质、各向同性材料的假设,显然与其本身的非均质性相违背。为此,开展了考虑土体抗剪强度参数的空间变异性对盾构开挖面稳定性的影响研究。在随机场理论的基础上,采用协方差矩阵分解法建立了描述砂土内摩擦角空间变异性的三维随机场模型,借助于数值分析软件平台研究了内摩擦角的变异系数、自相关距离对开挖面失稳模式、极限支护应力的影响规律,并采用概率分析法探讨了极限支护应力特征值的选取。结果表明：砂土内摩擦角的空间变异性对开挖面稳定性有重要的影响;随内摩擦角的变异系数的增大,极限支护应力的概率分布离散性越大;开挖面失稳模式与自相关距离的大小密切相关,当自相关距离与隧道直径比较接近时,开挖面可能出现局部失稳;提出了开挖面极限支护应力特征值的概念,并结合失稳概率给出了其初步确定方法。     

基于FLAC3D强度折减法滑坡三维稳定性研究——以三峡库区白果树古滑坡群为例

利用FLAC3D的内置fish语言基于强度折剪法对其进行了二次开发,编制了滑坡体安全系数计算程序。结合工程实例,将这种方法应用于已知滑动面条件下的滑坡稳定性分析中,得到滑坡体天然状况下的二维、三维安全系数,同时对内摩擦角和粘聚力参数进行了敏感性分析,对比并分析了传统极限平衡法和FLAC3D强度折减法的计算结果,得出以下结论:①利用二维FLAC3D强度折减法计算的滑坡安全系数略高于传统极限平衡法;②利用三维FLAC3D强度折减法所得滑坡安全系数略高于二维FLAC3D的计算结果;③滑坡安全系数都是随着内摩擦角和粘聚力的增大而增大,其中内摩擦角和粘聚力的变化对三维FLAC3D强度折减法比二维求解安全系数影响更大一些。然后模拟了滑体在天然条件下处于极限平衡状态的滑动方向,并得出天然状况下滑坡整体基本稳定,仅滑坡后缘可能出现局部失稳的分析结果。同时探讨了三维FLAC3D模型建立过程中滑坡外围不动体及滑带以下基岩所取范围大小、网格剖分粗细程度对计算安全系数的影响。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

柔性支护黏性土基坑非极限被动土压力研究

经典的Rankine和Coulomb土压力计算理论均建立在土体达到极限平衡状态的基础上,并不适用于位移需要严格控制的基坑工程。以柔性支护的黏性土基坑边坡为研究对象,考虑边坡土拱效应、非极限状态下柔性支护结构与土体间内摩擦角以及黏聚力发挥值、土体内摩擦角以及黏聚力发挥值的影响,从黏性土应力莫尔圆出发,采用微层分析法建立静力平衡,搜索边坡土体潜在滑动面,推导柔性支护黏性土基坑的非极限被动土压力计算式。通过实例计算对比分析了本文计算理论与经典Rankine计算理论,推导公式计算得到的被动土压力小于Rankine计算值19%,合力作用位置低于Rankine计算值,作用位置距桩底距离较Rankine计算值小1.5%,计算得到的潜在滑动面为一水平倾角随深度逐渐减小的曲面,潜在滑动面范围小于Rankine极限状态滑动面。     

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。     

超前支护下隧道掌子面稳定性极限上限分析

软弱围岩隧道施工中,常采用超前支护确保隧道施工的安全。为了评价超前支护下隧道稳定性,建立了超前支护作用下截锥体、对数螺旋线共同破坏模型,基于极限分析上限法和综合强度折减法并考虑初期支护未支护段的影响,推导出了隧道稳定安全系数的目标函数,并利用Matlab编制程序求解该函数以此判断隧道稳定性。与模型试验结果和已有理论研究成果对比分析,验证了计算方法的合理性,同时分析了影响隧道稳定安全系数的各个因素。研究结果表明：围岩黏聚力、内摩擦角的增加,掌子面锚杆、拱部超前支护的施作对提高围岩稳定性有显著的作用,而初期支护未支护段长度、开挖高度的增加不利于围岩的稳定;在围岩内摩擦角较小时,分台阶开挖降低开挖高度提高隧道稳定性的效果更好;在围岩内摩擦角较大时,掌子面锚杆加固强度的增加对隧道稳定性提高的作用更显著。最后给出了超前支护的施工设计建议图,可为工程中初步确定超前支护参数和施工方法提供参考。     

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。     

用改进的JC方法分析三维Hoek-Brown准则的可靠度

选用工程中广泛应用的Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ强度准则作为极限状态函数,将方程中的六个变量：即主应力分量σ１、σ２、σ３;岩块单轴抗中度σＣ和岩石参数ｍ,ｓ作为其随机变量,采用改进的ＪＣ方法三岩体经度准则的可靠度指标β。由于三维Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｎ准则方程所表现出来的高次非线性和复杂性,文中利用复合函数求导法则直接针对随机变量求解可靠度指标和相应的验算应值,并进行了参数相关及不同概型情况下三维Ｈｏｅｋ－Ｂ     

Charts for probabilistic design of strip footings in cohesionless soils

Design charts that enable quick determination of the probability distribution parameters related to the ultimate bearing capacity of shallow foundations resting on (c = 0) soils are developed. These charts are intended to assist foundation designers and analysts in studying the reliability of structures as related to the capacity of the foundation system. The approach presented herein provides a more reliable alternative to foundation design and analysis than the current conventional design procedure which employs the assumption of an appropriate factor-of-safety. © Rapid Science Ltd. 1998     

特定场地下土工构筑物的几何可靠性分析

针对特定场地下土工构筑物的正常使用极限状态,采用近年发展的几何可靠性方法计算了多种构筑物的可靠度指标。考虑同一场地下的钻孔灌注桩、抗浮锚杆和CFG桩单桩加载变形测试曲线的离散性,各曲线回归参数呈现差异并可作为随机变量,进而探讨了各曲线回归参数间的相关性及联合分布特性。基于这些回归参数的联合发散概率密度等值线,即随机变量刚好达到极限承载能力状态,该几何可靠性算法可在随机变量的原始空间求得土工构筑物的可靠度指标。通过比对该几何可靠度指标与常规的一次可靠性算法成果,验证了该几何可靠性计算技术的可行性。计算表明,几何可靠性评价模型实施简便,易于被工程技术人员接受。     

考虑状态含水率和密度的膨胀土膨胀模型试验研究

以邯郸强膨胀土为研究对象,通过室内K0应力状态膨胀试验,研究了膨胀土的膨胀率与压实度、初始含水率、上覆荷载之间的关系,进而建立了考虑上述3种影响因素的膨胀率公式。同时,建立了终了含水率与初始含水率、压实度、上覆荷载之间的关系,从而得到了膨胀土线膨胀系数表达式。利用提出的膨胀模型可以得出任一含水率状态下膨胀土的膨胀本构关系。该试验操作简单,模型表达式简洁,具有较强的实用性,可为膨胀土工程的设计施工提供理论依据和参考     

基于不平衡推力法的边坡可靠度分析

Rosenblueth方法是一种简单实用的可靠度指标计算方法,不需要了解各状态变量分布函数,只要利用它们的均值和方差,就可求得边坡的可靠指标。推导了下滑力超载储备安全系数的显式表达式,以此式作为边坡可靠度分析的状态函数,结合Rosenblueth方法的优点,给出了一种边坡稳定可靠度分析的实用方法。     

抗拔桩极限平衡方程及其应用

将抗拔桩侧阻力分解为与桩侧正压力不相关的桩-土黏结强度 、与桩侧有效正压力成正比的摩擦力 两部分,采用摩擦定律计算摩擦力 。基于轴对称条件,假定土体为半无限弹性体,以Mindlin公式积分计算分析极限平衡状态下桩-土共同作用,依据平面应变条件下柱状孔扩张的弹性力学解建立桩-土界面位移协调方程,推导出抗拔桩极限平衡方程,给出了求解方法及计算参数确定方法。该方程能反映桩与土的材料特性、桩体尺寸、桩顶埋深、群桩效应、卸荷效应等多因素对抗拔桩极限承载力的影响。结合海上风电大直径超长抗拔钢管桩足尺试验进行验证。对比分析结果表明,该方法计算的抗拔极限承载力与实测值接近,计算精度远高于现行规范推荐方法,其结果可为工程应用及抗拔桩承载力机制研究提供参考。     

边坡稳定模糊随机可靠度分析

考虑边坡稳定评价中存在的两种不确定性--模糊性和随机性,以模糊随机变量为基本变量,建立模糊随机功能函数和模糊随机极限方程,得到模糊可靠指标和模糊可靠度。本文给出模糊随机可靠度的计算方法,给出实例并与经典随机可靠度比较,得到更合理的结果。     

基于主成分分析的优化神经网络模型及静压管桩单桩极限承载力预测

引入主成分分析法和基于共轭梯度优化算法的人工神经网络模型原理,建立了静压管桩单桩竖向承载力预测估算的新方法。通过对影响单桩极限承载力的各因素进行主成分分析确定了综合变量,构建了以综合变量为输入,以单桩极限承载力为输出的神经网络模型。应用神经网络结构分析的共轭梯度算法,优化计算获得给定样本的网络权值和阈值,获得静压管桩极限承载力的估算网络,应用实例分析计算了静压管桩单桩极限承载力问题。结果表明,利用所建立的神经网络预测静压管桩极限承载力是可行的,且具有较好的预测精度和良好的适用性。该方法为静压管桩竖向承载性状的理论分析开辟了一个新的研究途径,为今后相关问题研究提供借鉴和指导     

Updating reliability of single piles and pile groups by load tests

Pile load tests are used to refine designs and for quality assurance. They can also be used to verify the reliability of piles and pile groups. Stochastic methods have previously been developed to verify the reliability of single piles. A general stochastic method to verify the reliability of pile groups is developed in this paper. The method can be used to assess the reliability of groups where pile tests have been conducted to the ultimate capacity, to below the ultimate capacity but exceeding specified capacity, and where pile tests fail to achieve the specified capacity. In the latter case, the method allows decisions to be made as to whether the reliability of the entire pile group is satisfactory or whether additional piles need to be installed.     

Stochastic response surface method for reliability analysis of rock slopes involving correlated non-normal variables

This paper proposes a stochastic response surface method for reliability analysis involving correlated non-normal random variables, in which the Nataf transformation is adopted to effectively transform the correlated non-normal variables into independent standard normal variables. Transformations of random variables that are often used in reliability analyses in terms of standard normal variables are summarized. The closed-form expressions for fourth to sixth order Hermite polynomial chaos expansions involving any number of random variables are formulated. The proposed method will substantially extend the application of stochastic response surface method for reliability problems. An example of reliability analysis of rock slope stability with plane failure is presented to demonstrate the validity and capability of the proposed stochastic response surface method. The results indicate that the proposed stochastic response surface method can evaluate the reliability of rock slope stability involving correlated non-normal variables accurately and efficiently. Its accuracy is shown to be higher than that for the first-order reliability method, and it is much more efficient than direct Monte-Carlo simulation. The results also show that the number of collocation points selected should ensure that the Hermite polynomial matrix has a full rank so that different order SRSMs can produce a robust estimation of probability of failure for a specified performance function. Generally, the accuracy of SRSM increases as the order of SRSM increases.