盾构影响下桥基加固方案的数值模拟与实测验证分析

盾构下穿桥梁要同时满足隧道围岩稳定及上部桥梁结构正常运营的双高要求,开展相应保护与加固措施是工程建设核心技术之一。结合某市地铁2号线盾构下穿立交桥梁工程实例,综合考虑水文地质特征、桥梁结构健康状态及盾构法施工隧道围岩变形特性,提出降低施工风险的桥梁加固措施,并从施工难点及桥梁损伤角度对比分析两种加固措施的可操作性。根据数值模型与实测数据等分析结果表明:相比“支座换托”加固措施而言,“型钢支撑”易于施工操作加固效果较好,且对桥梁结构无损。工程中采用后围岩整体变形较小,地表及桥基最大沉降在5mm以内。

重载铁路循环动载下水泥改良膨胀土路基动力特性

基于蒙华浩勒报吉-吉安段重载铁路工程,建立列车-有砟轨道-基床-地基动力系统耦合三维数值模型,进行重载铁路循环列车动载作用下水泥改良膨胀土路基动力特性研究。结果表明:轴重25~30 t列车以时速120 km运行时路基面动应力范围为106.3~127.2 kPa,大于轴重25 t列车以时速60~150 km运行时路基面动应力范围(88.81~114.59 kPa)以及轴重17 t的高速列车以时速250~350 km运行时路基面动应力范围(60~85 kPa);重载铁路列车运行时路基面动应力沿路基深度逐渐衰减,在基床表层和底层范围内的衰减分别可达40%和80%以上,动应力影响深度达3~4 m,超过基床设计厚度2.5 m。鉴于动力影响深度范围内路基的动应力水平远低于同位置填料的临界动应力,由临界动应力法评估可知,重载铁路水泥改良膨胀土路基的动力稳定性满足服役要求。

高强玻纤格栅软基加固传荷机理现场试验研究

针对高强（每延米纵、横向极限抗拉强度≥300 kN/m）玻纤格栅软基加固荷载传递机理问题,结合季节性＂低温区＂（冬季漫长,最低气温-30℃）某高速铁路DK369＋335.13~DK369＋795.53标段（采取＂CFG桩＋土工格栅＋水泥级配碎石＂软土地基处理方式）300 d现场试验实测数据,研究了高强玻纤格栅软基加固作用下路基的变形、应力变化、桩土应力比和格栅受力特点。结果表明：地基沉降、桩土应力和格栅应变主要发生在填土期,随荷载试件效应累计速率较快;双层高强玻纤格栅因刚度较大,抗力能力强,承担上覆土时具有＂驾驭效应＂,和水泥级配碎石一起协同工作,桩、土之间的应力更加均匀,共同承担上部荷载;恒载期高强玻纤格抵抗冻土及雨、雪产生的附加荷载效应较好,侧面验证了其在季节性低温区高速铁路软基处理中无法比拟的优越性。

重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能

为了探究重载铁路水泥改良膨胀土路基填料的工程特性及路用性能,采用室内动三轴试验、微观结构试验、路基原位动力试验相结合的方法,揭示了膨胀土掺入水泥3%~5%改良前后静态指标与动态指标的变化特征,分析了水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作重载铁路基床底层及以下路堤填料建设期的工作性能,评估了服役期列车动载作用下路基的动力稳定性.研究结果表明:膨胀土掺入3%~5%水泥改良后,强度提高同时胀缩性显著降低,水稳定性提高3~4倍;相比重塑素膨胀土,水泥掺量3%~5%改良膨胀土临界动应力提高5~6倍;检测路基压密程度与强度指标满足规范且有较大富裕,监测路基中线地基沉降在铺轨前处于稳定状态;原位动力测试表明列车动载作用下路基的动应力沿深度逐渐衰减,在基床表层与基床底层范围内最大衰减量分别可达40%和80%以上,动应力影响深度是基床设计厚度的1.4~1.8倍,动应力影响深度范围内路基的动应力值远小于同位置填料的临界动应力,运营期路基动力稳定性满足安全服役要求.研究成果能够为重载铁路水泥改良膨胀土路基精细化建设养修提供理论参考.

盾构动态掘进中围岩变形特性的数值实验研究

为了解软弱土层盾构隧道围岩的变形特性,结合某市地铁盾构下穿既有桥梁结构工程实例,建立每个分析步下盾构动态掘进三维数值模型。模型建立在库仑屈服准则和孔隙水达西定律推导的固结有限元方程上,综合考虑刀盘扭矩、推进力、土仓压力、桥基荷载及孔隙水压力等影响盾构施工质量的诸多因素,结合室内三轴实验和现场实测数据,对盾构动态掘进过程建模原理、模型合理性、围岩变形特性及桥梁结构安全等问题进行研究。研究结果表明:盾构掘进对围岩变形影响表现为接近、穿越和远离3个阶段;盾构接近断面时,受刀盘扭矩、推进力和土仓压力的影响,前方地表出现拱起;盾构穿过、远离断面后,围岩发生沉降、向隧道内和向前运动趋势,变形主要集中洞口上方,呈"槽"型;地表/桥基沉降计算和实测值吻合,围岩变形能够满足盾构隧道施工安全。

浸水环境下重载铁路改良土路基动力特性研究

浸水入渗与重载列车动载耦合作用下路基的动力响应程度更突出,对行车安全及路基长期稳定提出更严要求。为揭示重载列车动载作用下干燥与浸水路基的动力特性,依托浩吉(浩勒报吉-吉安)重载铁路工程背景,开展循环加载400万的现场激振试验,利用激振设备和配重块组合模拟了轴重25~30 t、速度120 km/h列车动载作用。试验结果表明:路基干燥与浸水状态下,动应力与加速度沿路基深度变化趋势吻合,传至基床底层底面衰减量可达80%;浸水入渗与列车动载的加剧作用更多体现在基床表层与底层的衔接处,相同荷载条件下,衔接处浸水路基的动应力最大可提高28%;相较而言,加速度受浸水环境影响的敏感性远低于动应力;对比可知,沿路基深度范围内动应力水平远小于同位置填料的临界动应力,试验结束路基面累积变形小于5mm,且呈收敛趋势,说明无论从动强度还是动变形角度来评估,水泥掺量3%~5%改良膨胀土用作基床底层及以下路堤填料时均能满足稳定需求。该研究成果能够对重载铁路改良膨胀土路基的精细化建设养修提供理论参考。

重载铁路水泥改良膨胀土路基填料动弹模量及阻尼比研究

动弹模量与阻尼比是土动力学分析中的重要力学参数,考虑重载铁路荷载特征定量分析水泥改良膨胀土的动模量和阻尼比的较少。依托蒙西至华中地区铁路煤运通道(简称蒙-华铁路)工程为背景,采用南阳邓州市大山寨膨胀土,通过在不同频率、围压、固结比及动应力幅值下的持续振动三轴试验,研究了水泥掺量3%和5%水泥改良膨胀土的动弹模量及阻尼比,并与膨胀土素土进行对比分析。结果表明:水泥掺量3%和5%改良膨胀土的最大动弹模量约为膨胀土素土的3~4倍;在动弹模量-应变曲线中,动应变小于0. 002时表现为陡降段,动弹模量随动应变增长降幅达70%,而动应变大于0. 002时降幅较小,动弹模量随动应变增长趋于稳定;动弹模量随围压、频率、水泥掺量增加而增大,阻尼比随围压、固结比增加而减小;低应变水平下,固结比与动模量成正相关关系,高应变水平下,固结比与动弹模量成负相关关系。同时,对动弹模量及阻尼比进行了归一化分析,建立了估算动弹模量及阻尼比的经验公式。

水泥改良膨胀土重载铁路路基填料的可靠性研究

重载铁路路基相比普通铁路和高速铁路路基承受更大的动力荷载,对填料要求更为严格。新建蒙西至华中地区铁路煤运通道(简称蒙—华重载铁路)三荆段(三门峡—荆门)沿线分布大量膨胀土,拟采用水泥改良膨胀土作为该区段路基填料。鉴于目前中国尚无在膨胀土地区修建重载铁路的实践与案例,针对重载铁路水泥改良膨胀土路基填料可靠性研究相对偏弱。为此,首先结合室内动三轴试验,系统探索重载铁路基床底层及以下路堤结构范围内水泥掺量3%和5%改良膨胀土的临界动应力;然后借助现场试验测试路基实际动应力水平,对水泥掺量3%和5%改良膨胀土填料的可靠性进行评估。研究结果表明:基床底层水泥掺量5%改良膨胀土填料临界动应力范围148.8~233.1 kPa,大于该范围实测路基动应力水平<71.45 kPa;基床底层以下路堤掺量3%改良膨胀土填料临界动应力范围142.5~249.7 kPa,大于该范围实测路基动应力水平<25.25 kPa,说明水泥改良膨胀土用作蒙-华重载铁路路基填料动力可靠性满足要求。研究结果对探索重载铁路基床范围内动力水平及水泥掺量3%~5%改良膨胀土填料的可靠性评估具有重要理论意义。

重载铁路水泥改良土路基动力特性试验研究

为探究重载列车动载作用下路基的动力特性,依托浩吉(浩勒报吉吉安)重载铁路三荆(三门峡荆门)试验段水泥改良膨胀土路基工程背景,开展不少于400万振次(近似模拟运营10年内的荷载量)的现场激振试验,利用大型激振设备和配重块组合模拟了时速120 km、轴重2530 t重载列车作用,并与时速120200 km、轴重21 t预留客运列车作用时的激振试验结果对比。结果表明:动应力受轴重影响敏感性大于行车速度,轴重2530 t重载列车作用时路基面动应力幅值范围约是轴重21 t客运列车作用时的1.21.4倍;动应力与加速度沿路基深度衰减趋势吻合,在基床表层与底层范围最大衰减量分别可达40%和80%,动力影响深度略大于基床设计厚度;路基面累积变形呈“快速缓慢稳定”发展,控制在4 mm以内,其中前150万次占比达90%;结合测试结果评估水泥掺量为3%5%的改良膨胀土用作基床底层及以下路堤填料满足动力稳定需求。研究成果能够为探索重载铁路基床动力水平与结构设计提供理论参考。

高铁CFG桩-筏复合地基固结解析解及特性

考虑桩—土在刚度、渗透性等方面的差异,建立端承型CFG桩—筏复合地基轴对称固结模型,推导桩间土的固结方程,并给出“单级等速加载”情况下固结方程的解析解;应用该解析解结合工程实例进一步研究置换率、桩—土压缩模量比、加荷速率地基设计参数对固结特性的影响。结果表明:桩的作用增大复合地基等价固结系数,固结速率随置换率、桩—土压缩模量比、加荷速率的增大而提升,该工程软土地基的置换率和桩—土压缩模量比适宜范围分别为0.03~0.06和100~150。

格栅强度对桩-网复合地基桩-土应力比影响研究

为探索不同格栅强度条件下桩-网复合地基桩-土应力比的变化规律,首先基于桩-网复合地基工作机理,推导出桩-土应力比的解析式;然后依托赣龙(赣州—龙岩)和哈大(哈尔滨—大连)高速铁路桩-网复合地基工程实例,由实测数据对比分析了格栅强度100k N·m^(-1)和300k N·m^(-1)条件下的桩-土应力比变化规律;最后建立三维数值模型,进一步分析了格栅强度在100~400k N·m^(-1)区间的桩-土应力比变化规律。结果表明:格栅强度在100~300k N·m^(-1)区间时,桩-土应力比随格栅强度增幅较大,当格栅强度超过300k N·m^(-1)以后增加的幅度较小。考虑复合地基承载特性最大贡献,建议选取格栅强度200~300k N·m^(-1),此时桩-土应力比为3.8~4.5。

重载铁路水泥改良膨胀土路基动力特性数值研究

相比普铁与高铁而言,列车动载作用下重载铁路路基的动力特性更突出。依托浩吉重载铁路工程背景建立"列车-有砟轨道-基床-地基"三维数值模型,对不同荷载条件下重载铁路水泥改良膨胀土路基的动力特性进行分析。同时,结合室内动三轴试验,获取水泥改良膨胀土填料临界动应力,并建立填料累积变形经验模型,综合"强度-变形"指标对重载铁路水泥改良膨胀土路基的长期动力稳定性进行评估。结果表明:路基动应力受轴重影响敏感性大于车速,轴重25~30 t重载列车动载作用路基面动应力是预留客运列车作用时的1.2倍;不同列车荷载作用下重载铁路改良膨胀土路基的动应力沿深度逐渐衰减,动力影响深度是基床设计厚度(2.5 m)的1.2~1.6倍,但影响范围内路基动应力水平远小于填料临界动应力范围,说明路基动强度稳定满足要求;结合动三轴试验"应变-振次"稳定性曲线,建立考虑振次、应力水平等多因素的水泥改良膨胀土填料累积变形经验模型,预测400万振次基床表面累积变形为5.5~6.5 mm,其中前150万振次累积变形量占比达85%以上,说明路基动变形稳定满足要求;数值结果与文献测试数据吻合,验证模型的合理性。

电厂循环管淤泥质地基过大沉降加固效果研究

海相淤泥质土具有含水量高、压缩性强及承载力低等特性,工程实践地基处治后服役期一旦出现沉降过大现象,不仅治理费用昂贵且二次加固技术要求较高。依托印度尼西亚雅加达湾北部龙湾3×315 MW燃煤电厂循环管地基工程为背景,在分析循环管地基原"真空预压+竹桩"处治措施的基础上,借助实测数据从设计、施工及管理等方面阐述了地基过大沉降的原因;考虑加固中循环管保持正常工作因素,提出"循环管两侧高压双管旋喷桩+循环管道下部双液注浆"二次集成加固方案。综合测试和数值计算结果可知,二次加固方案实施后循环管地基沉降得到控制,测试50 d(趋于稳定)累计沉降约为22 mm;计算预测30年累计沉降约为48 mm(5 cm以内),沉降速率小于0.01 mm/d;实测和计算均验证加固控制效果较好。研究成果能为类似工程实践提供理论参考。

下穿立交结构的盾构隧道围岩安全评价的均值与非均值模型

隧道围岩稳定性评估是地下工程建设与维护所面临的重要课题之一。基于此,文章从材料特性角度分别建立均值和非均值数值模型,针对沈阳地铁2号线1标盾构隧道下穿立交结构的围岩安全稳定性进行评价。其中,均值模型侧重于分析围岩变形、应力变化和塑性区分布特征,并结合实测数据对其计算合理性进行验证;非均值模型侧重于围岩体细观破坏过程,采用具有残余强度的弹塑性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,模拟隧道围岩强度折减下的渐进破坏过程及声发射规律,并计算出整体结构安全系数。同时,借助声发射(AE)规律,探讨了类似工况下隧道围岩破坏模式,可为类似工程实践提供参考依据。

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。

高速铁路PHC/CFG桩-筏复合地基变形特性研究

桩-筏复合地基在高速铁路软土地基处理中所占比例较大,研究其变形特性对工程设计及运营期维修具有重要意义。基于沪宁(上海-南京)城际铁路PHC桩-筏复合地基和CFG桩-筏复合地基工程实例,采用室内模型试验和现场测试相结合的方法,对PHC和CFG桩-筏复合地基建设期及运营期变形特性进行研究。研究结果表明:若桩长和面积置换率相同,桩刚度对桩顶沉降影响较小;若桩刚度相同,桩顶沉降随面积置换率增加而减小;PHC桩-筏复合地基整体变形小于CFG桩-筏复合地基,且在限制侧向位移方面表现出较大的优越性;桩-筏复合地基在建造期(铺轨前)堆载预压3个月完成的沉降量约占堆载预压6个月沉降量的90%以上,约占铺轨后沉降量的80%,建造期沉降量约为运营后3年半沉降量的65.4%~78.6%。

短桩桩-网复合地基荷载传递规律及变形特征研究

为探索中低压缩性土短桩桩-网复合地基荷载传递规律及变形特性,依托赣龙(赣州-龙岩)高速铁路工程背景,借助现场测试数据,分析路堤填筑过程中桩—土应力/荷载分担比、地基沉降及侧向变形规律。结果表明:短桩桩-网复合地基能够有效传递上部附加应力至桩端土层,土压力对上部荷载变化敏感度小于高压缩性软土桩-网复合地基;稳定时桩—土荷载分担比约为50%,桩与土同时发挥承载功效较好;地基沉降在填筑期达到占总沉降90%,侧向变形沿深度呈"弓"型分布,最大侧向变形25 mm,约为高压缩性软土桩-网复合地基60%;桩—土应力对上部荷载变化敏感性高于地基沉降,可依桩—土应力比变化判别地基沉降状态,达到评判工后沉降控制效果目的。

动静荷载分离思路下高铁基床累积变形计算方法

高铁循环列车动荷载作用下,基床累积变形不仅与列车安全运营密切相关,同时对指导线路服役期精细化维修管理意义重大,而目前基床累积变形分析存在途径偏少、精度偏低等问题。为探索适合高铁基床累积变形分析方法,依托沪宁城际铁路路基工程背景,基于动、静荷载引起动变形(沉降)的新思路,将运营期沉降数据推算工后沉降与建设期沉降数据推算工后沉降差值(推算法),以及运营期沉降与静载计算固结沉降差值(估算法)作为列车动载引起的累积变形,由此提出一种由实测数据推算与估算基床累积变形的新途径,并将该方法用到实例分析中。结果表明:推算与估算获取累积变形随时间发展规律吻合,均呈快速-缓慢-稳定3阶段特征,估算结果一致性好于推算;基床累积变形在铁路运营前3年基本达到稳定,量值控制在3.5 mm以内;数值模型验证了"推算与估算"方法可行。

不同试验条件下高铁路基基床累积变形差异探究

探索循环列车荷载作用下基床的累积变形规律,是高速铁路建设养修的重要课题之一。借助试验分析累积变形仍是目前最可靠途径,但受不同类型试验条件客观差异影响,累积变形测试数据存在差异。为此,结合动三轴试验、室内模型试验和现场动力测试,对三种途径获取基床累积变形规律及差异进行探讨。研究结果表明:模型试验和激振试验获取累积变形较为吻合,测试累积变形曲线均呈快速、缓慢和稳定3阶段特征;借助动三轴试验结果构建累积变形经验公式分析结果与文献估算值接近,两者稳定时曲线均大于模型试验和现场测试,差值约为0.7 mm;不同途径获取基床累积变形在铁路运营3年内均能达到稳定状态,最大值控制在2.5 mm以内。

基于我国南方连续降雨对软土路基影响的研究

基于南方某市南郊某高速公路工程实例,研究了降雨入渗对软土路基应力、应变以及孔压变化的影响,并提出解决方案和措施。