基于Timoshenko-Pasternak模型的盾构下穿既有隧道沉降简化计算方法

[目的]旨在解决在盾构下穿既有隧道沉降计算中,传统Euler-Bernoulli梁与Winkler地基模型精度不足问题。[方法]基于Timoshenko梁理论和Pasternak地基理论引入同时考虑土体剪切效应和隧道整体剪切变形的Timoshenko-Pasternak模型,通过推导盾构下穿既有隧道的沉降控制方程,并使用有限差分法对其进行求解,得到沉降计算结果。之后将这些结果与有限元数值模拟解、实际工程监测数据及传统Euler-Bernoulli-Winkler模型的理论解进行详细对比。[结果及结论]基于Euler-Bernoulli-Winkler模型的计算结果在既有隧道沉降值上存在低估现象,而在既有隧道沉降槽宽度和管片张开量上存在高估现象,且无法计算既有隧道管片的错台量。相较之下,基于Timoshenko-Pasternak模型的计算结果与数值模拟及实际监测值更为一致。该模型能够较为准确地估计既有隧道沉降、沉降槽宽度及管片张开量,并提供了可靠的隧道管片的错台量计算结果。这对实际工程具有重要的指导意义,为实际工程提供了可靠的参考依据。

新建曲线地铁盾构隧道下穿施工引起的既有隧道沉降分析

相比直线线路盾构施工,新建曲线盾构下穿施工引起既有隧道沉降规律更为复杂,且相关研究较少。基于两阶段分析法研究新建曲线地铁盾构隧道下穿施工引起的既有隧道沉降。第1阶段,结合镜像法、修正Loganathan法和Mindlin解,考虑曲线盾构转弯过程中的转弯超挖间隙和弯道内外侧不平衡施工参数的影响,计算新建曲线盾构施工引起土体竖向位移的3维解;第2阶段,将土体竖向位移视为位移荷载,施加在既有隧道上,基于Pasternak地基理论和Timoshenko梁理论,构建能够同时考虑土体剪切效应和既有隧道剪切效应的既有隧道沉降控制方程,运用有限差分法对方程降阶并求解。最后,与工程实例对比验证理论和控制方程的正确性,并对影响既有隧道沉降的关键参数进行分析。结果表明:新建曲线地铁盾构隧道下穿施工引起的既有隧道沉降槽曲线具有非对称性,最大沉降位置位于弯道内侧1~2 m处,与未考虑曲线影响的计算结果相差较大。减小掘进路线的转弯半径R0会增加既有隧道沉降,弯道内侧沉降增速大于弯道外侧,一般要求R_(0)不小于300 m;当R_(0)大于600 m时,可视作直线隧道下穿。增大刀盘直径D′会增加既有隧道沉降,沉降增加速度也随D′的增大而增大,但增大D′对沉降槽曲线的偏移程度影响较小。增大新建隧道与既有隧道竖向间距Zc会减少既有隧道沉降。

基于T-P模型的桩-桩水平振动相互作用研究

为精确揭示桩-土动力相互作用,弥补动力Winkler地基-Bernoulli-Euler梁模型(E-W模型)在桩-桩水平振动分析中的不足。考虑土体剪切效应和桩身剪切变形,建立Pasternak-Timoshenko模型(T-P模型)模拟桩-土动力相互作用,推导水平动力和竖向荷载共同作用下的主动桩水平振动解析解。在此基础上,根据桩-桩动力相互作用原理,建立被动桩水平振动控制方程,运用传递矩阵法考虑土体分层特性,利用初参数法计算桩-桩动力相互作用因子;与已有文献进行对比,验证计算结果的正确性。通过参数分析表明:土体剪切效应对水平动力相互作用因子有增强效果;在给定桩土参数的情况下,主动桩和被动桩存在“有效桩长”(L_(d)=10d~15d);当桩身长径比在L/d=5~10范围内时,不宜忽略桩身剪切变形对动力相互作用因子的影响;竖向荷载对水平-摇摆耦合作用因子的影响最为显著。

软土地基基坑开挖对临近桩变形影响的时效分析

为解决软土地基基坑开挖条件下,邻近桩基水平位移随时间逐渐发展的问题,结合两阶段分析方法,第一阶段引入三维分数阶Merchant黏弹性模型来描述软土的蠕变特性,采用对应性原理和Laplace积分变换方法,求得附加应力的Mindlin时域解;第二阶段将桩基看作Pasternak地基上的Timoshenko梁,将所得附加应力加载在桩基上,建立桩基的变形微分方程,利用有限差分法对方程进行求解,得到考虑桩基剪切效应及桩土剪切层厚度的桩基水平位移时域解.通过与已有文献中的算例进行对比,验证了该方法的正确性.最后,对三维分数阶Merchant黏弹性模型参数(剪切模量、体积模量、黏滞系数、分数阶)进行了影响因素分析.结果表明,所得方法能够较好地反映基坑开挖引起邻近桩基水平位移随时间的发展规律.

富水圆砾地层盾构下穿既有地铁隧道掘进参数研究

南宁地区富水圆砾地层中新建隧道下穿既有隧道的相关研究目前较为匮乏。依托南宁地铁3号线金湖广场~琅西站区间盾构下穿既有1号线地铁隧道工程,对下穿区间段的盾构掘进参数进行研究。研究结果表明:3号线下穿既有1号线施工过程中部分掘进参数控制良好,既有1号线沉降控制在5 mm内;适当提高泥水仓压力能够降低既有隧道沉降的增速,同步注浆量和同步注浆压力的不足则会引起既有隧道沉降值增大;下穿施工时,掘进速度应控制在10~15 mm/min并应适当停机调整盾构机姿态,泥水仓压力应控制在0.2~0.22 MPa,预压值Pa应适量提高0.01~0.02 MPa,调整级差不应超过0.015 MPa,同步注浆量应控制在5~5.5 m^(3),后进行开挖或泥岩圆砾复合地层中应适量增加0.5~1 m^(3),同步注浆压力应控制在0.25~0.4 MPa,并根据地质情况优化注浆位置以保证注浆效果。

竖向力与扭矩共同作用下单桩承载特性试验

为研究竖向力(V)和扭矩(T)共同作用下单桩的承载特性及内力分布规律,通过自主设计的试验装置,进行了一系列的竖向力和扭矩组合加载试验。为方便推广应用,对试验结果进行拟合,得到了竖向力和扭矩共同作用下单桩承载力计算公式。研究表明:在V-T组合荷载的作用下,单桩的承载力较单一荷载作用下降低,且当先施加的荷载(V或T)大于其极限值的1/3时V-T组合效应更加明显;V→T加载路径下的桩身扭矩和T→V加载路径下的桩身轴力,均随着桩深的增加而减小,且减小的速度加快;V→T加载路径下的桩身轴力和T→V加载路径下的桩身扭矩,分别会随着T和V的增加而减小,但减小的幅度较小;V→T加载路径下的单桩承载力较T→V加载路径下要高,因此应尽量避免单桩预先受到扭矩作用,防止因形成T→V加载模式而造成单桩的极限承载力的降低。

砂土地基中刚性单桩水平极限承载力改进计算方法

为了更准确地分析砂土地基中水平受荷刚性单桩的极限承载力,基于桩-土相互作用,推导出被动侧桩周实际径向土压力,并根据实际径向土压力分别提出极限土抗力和侧阻抗力矩改进计算方法。在此基础上,建立考虑侧阻抗力矩、桩端水平力和弯矩影响的刚性单桩水平极限承载力计算模型,给出水平极限承载力解析解。最后,通过算例验证本文方法的正确性。研究结果表明:本文推导的极限土抗力和侧阻抗力矩更符合实际受力状态;水平极限承载力改进计算方法可使平均相对误差由-15.914%减小到2.089%,可为工程实际提供参考。