黏土地层大尺寸矩形顶管施工土体沉降及影响规律研究

大矩形顶管施工技术被广泛应用于城市地下空间开发中。通过对顶管隧道开挖的顶进过程进行全程模拟,在充分考虑模拟过程的时空性基础上,提出了大尺寸矩形顶管施工的趋真模拟方法,研究了黏土地层大矩形顶管施工中土体扰动规律及注浆压力、土仓压力等敏感因素对土体沉降的影响。研究结果表明:(1)黏土地层的土体变形对注浆压力更为敏感,对土仓压力不敏感,地表变形曲线随着注浆压力的增大由“U”形沉降槽模式向“M”形变形槽模式转化;(2)建议黏土地层上覆土厚度为8~12 m的情况下进行大尺寸矩形顶管施工,建议注浆压力为0.10~0.15 MPa,土仓压力为0.30 MPa,此时不仅可有效减小土体沉降,同时也不会造成过大的隆起;(3)采取“减少注浆压力,增大土仓压力”的双控调节方法,既可控制隧道轴线处不产生较大沉降,也可保证隧道远侧不产生过大隆起。该研究成果对促进黏土地层大尺寸矩形顶管技术的革新具有重要意义,为城市大尺寸矩形顶管施工技术的应用提供了重要的参考。

铁路基床翻浆冒泥病害成因的细观机理分析

基于朔黄铁路基床填料动力响应特性试验数据,建立PFC2D饱和粗颗粒土动三轴数值模型,选用线性黏结颗粒接触反映粗颗粒土的黏结特性,从细观力学和几何学角度研究翻浆冒泥病害形成的细观机理。结果表明:该数值模型能较好地反映粗颗粒土的动力响应特性。振动荷载通过改变土体颗粒与颗粒之间的接触荷载,破坏颗粒间的黏结键,形成自由颗粒和孔隙,造成基床软化,并最终形成翻浆冒泥病害。围压和土体颗粒间黏结作用越小,试样越容易发生软化,形成翻浆冒泥病害,基床强化应从改善基床表层和道床的围压状态以及提高颗粒间的黏结强度两方面采取措施。

不同变截面桩竖向承载特性的数值分析

基于现场试验,采用Abaqus有限元软件对等截面桩及变截面桩单桩竖向承载力测试实验过程进行数值模拟。结果表明:弹性变形阶段,竖向荷载-沉降曲线呈线性变化趋势,等截面桩比变截面桩桩身沉降较小;塑性屈服阶段,等截面桩与变截面桩单桩承载力几乎一致。变截面位置对桩侧摩阻力沿深度的分布有一定影响,最大侧摩阻力位置根据变截面的位置而变化。变截面桩的平均侧摩阻力较等截面桩的平均侧摩阻力大,变截面桩侧摩阻力效果较等截面桩更有优势。在相同承载力条件下,变截面桩所耗费的材料较等截面少,对于竖向承载特性,变截面桩与等截面桩表现基本一致,因此使用变截面桩能节约工程成本。

中小尺寸竖井圆形地下连续墙的施工监测与数值分析

基于工程实例,对中小尺寸圆形地下连续墙的施工过程中墙体应力、钢筋应力、墙侧土体压力等参数监测并进行分析。采用有限元软件Abaqus建立该竖井施工过程的数值模型,研究结果表明:中小尺寸圆形地下连续墙纵向截面不存在明显的受拉区和受压区,整个墙体表现为受压状态。同时,墙体的入土深度对墙体水平位移、墙侧土压力的影响很小。中小尺寸圆形地下连续墙结构设计不需要采用传统的竖向弹性地基梁法确定结构配筋和入土深度。由于墙体自稳性强、刚度高,顺做法与逆作法的弯矩与剪力相似,在保证安全的状况下,可使用顺作法施工提高施工速度。

巴东组典型红层软岩单轴压缩试验细观组构特征

红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩是巴东组特殊性岩土的代表,具有遇水易崩解特性。根据岩样单轴压缩试验,基于PFC2D程序,建立中硬岩、软岩单轴压缩试验数值模型;模型选用平行黏结颗粒接触模型。根据应力–应变曲线特征,采用分段定量参数标定法对软岩试样的细观参数进行标定;且通过调整法向和切向黏结强度比值σc/τc,控制试样单轴压缩破坏模式;分别对不同风化程度的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩在饱和、天然状态下单轴压缩试验过程进行模拟;并分析了试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙度等细观组构参数的分布特征和演化规律。研究结果表明:该数值方法能够很好地模拟中硬岩、软岩的单轴压缩试验过程,除中风化粉砂质泥岩外,风化程度和浸水条件仅能影响试样颗粒接触力在统计角度范围的大小,不能影响其分布形式;同时,风化程度和浸水条件延长了配位数显著下降的加载时间,配位数随裂缝数量的增加而减小;浸水条件和风化程度对泥质粉砂岩的孔隙度演化影响较大;风化程度对粉砂质泥岩孔隙度演化影响较大,而浸水条件影响较小。

典型巴东组泥质粉砂岩双轴压缩试验细观组构特征

基于泥质粉砂岩室内双轴压缩试验,建立PFC2D颗粒流数值模型,以此来探究泥质粉砂岩破坏的细观机理。考虑组成泥质粉砂岩试样的颗粒形状,根据电镜扫描图勾选出5种典型颗粒形状,与圆形颗粒一起生成给定孔隙率的稳定数值试样。颗粒间选用平行粘结接触模型,选取弹性模量、泊松比、峰值应力分别对饱和、天然状态的泥质粉砂岩试样进行不同围压下的细观参数标定,然后进行双轴压缩试验模拟,分析试样在双轴压缩试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙率等细观组构参数的分布特征和演化规律。试验结果表明:双轴压缩试验的细观参数标定可不考虑抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角Φ值的影响。破坏前后,试样各方向统计范围内都存在法向接触力和切向接触力。围压的存在影响试样的起始配位数、孔隙率和试样破坏后的稳定配位数和孔隙率,对配位数和孔隙率的改变速率影响很小。试样空间孔隙率的演化在一定程度上反映了试样破坏时内部结构的变迁,能更加直观地反映试样的破坏模式。

基于叠加原理的大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法

根据大尺寸矩形截面竖向曲线顶管的坡度,将顶管划分为几个区段,针对每个区段分别建立基于位移控制的有限元分析模型,通过设置起始边界条件,建立起各区段模型之间的力学联系。通过在不同的顶进位置对顶管起始截面施加一个管节宽度的位移得到顶管和围岩的应力场,进而计算每个区段模型各顶进位置的顶进力和侧阻力。将各区段对应数值模型计算得到的顶进力和侧阻力适当叠加,得到整个竖向曲线顶管顶进力与顶进距离的拟合关系。计算结果显示:对于浅埋顶管,顶管侧壁摩擦系数、管土接触范围与穿越土层的性质密切相关;对于砂性土层,减阻浆液容易漏浆、冒浆,顶管周围很难形成稳定的泥浆套,管土通常为全接触,侧壁摩擦系数可以取0.4。该计算条件下得到顶进力与顶进距离之间的拟合公式可以作为相同施工条件下浅埋竖向曲线矩形顶管顶进力的计算通式。