基于极限分析上限法的地震作用下分层地基盾构隧道开挖面稳定性研究

目前针对盾构隧道开挖面稳定性的研究还较少考虑土体分层特性和地震作用的耦合影响,因此构建了一种在分层土体中考虑地震作用的开挖面三维对数螺旋破坏模型进行研究。首先,将地震引起的动态响应通过拟静力法简化为水平和竖直两个方向上的惯性力作用;其次,在均质土体中的三维对数螺旋破坏机制的基础上,将其改进为适用于分层土体的三维对数螺旋破坏机制;再次,根据上限定理,在虚功率方程中引入地震惯性力所做功率,得到考虑土体分层特性和地震作用条件下的盾构隧道开挖面支护力的上限解;最后,将上限理论解与三维数值模拟结果和既有模型试验结果进行对比,得到了较好的一致性。此外,针对水平地震加速度系数和地层厚度对关键物理特征进行了影响因素分析。结果表明,当比例系数ζ>0时,极限支护力随水平地震加速度系数的增大显著增大;当ζ<0时,极限支护力随水平地震加速度系数增大而增大的趋势减弱。当水平地震加速度系数kh=0时,即在无地震作用情况下,归一化极限支护力不随ζ的变化而变化;在上硬下软土层中,下部土层厚度比的增大会引起极限支护力的增大,在上软下硬土层中,下部土层厚度比的增大会引起极限支护力的减小。

波流耦合影响下分层海床隧道周围砂土渗流孔压及液化分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑波浪与海流共同作用对隧道的影响。此外,既有理论一般将海床视为均质且各向同性工况,忽略了实际情况下分层海床的影响。首先,基于波流共同作用下的海床表面的动力边界条件,采用传递-反射矩阵法得到波流共同作用下自由分层海床的孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了波流共同作用下分层海床中隧道周围砂土的渗流压力响应及液化判定解答。最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对海床渗透性和隧道衬砌渗透性进行了影响因素分析。结果表明:海流顺流会增大海床中的孔压和液化程度,逆流会减小海床中的孔压并抑制海床的液化,且流速相同时海床对逆流响应的相对差异总体上也大于顺流;当分层海床上层渗透系数较大时(k+s>1×10^(-2)m/s),海床整体孔压较大,且第一次分层处孔压变化明显;当隧道衬砌渗透系数较小时(k+l<1×10^(-6)m/s),隧道对超静孔隙水压在海床内传播“阻挡”效应明显。

Stokes二阶波作用下斜坡海床中盾构隧道周围砂土渗流压力响应分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑海底斜坡地形下波浪非线性带来的影响。首先基于斜坡海床表面的动力边界条件,得到Stokes非线性波作用下自由海床的Biot固结孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土体摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了Stokes波作用下斜坡海床中隧道周围砂土的渗流压力响应解答;最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对波浪敏感参数(波长、周期、形态)、海床敏感参数(海床渗透性、剪切模量、饱和度、坡度)及隧道敏感参数(衬砌厚度、渗透性、埋深)进行了影响因素分析。结果表明:随着波浪周期及波长增加,衬砌外超静孔压明显增加;随着水深沿斜坡方向减小,Airy波和Stokes波理论在适用范围内(d/L>0.125,d为海水深度,L为波长),获得的波浪压力差异明显增加,前者会低估隧道周围的超静孔隙水压力;当海床渗透系数较大时(k_(s)>1×10^(−2)m/s),波长和海床饱和度的增加会造成衬砌外超静孔压增大,而海床剪切模量、海床坡度及隧道埋深的增加会造成衬砌外超静孔压减小,在坡度较大的斜坡海床中,隧道衬砌外超静孔压呈明显的非对称分布;当海床渗透系数较小时(k_(s)<1×10^(−4)m/s),隧道周围超静孔隙水压处于较低水平,其他敏感参数的影响不显著;当隧道衬砌渗透系数较小时(k_(t)<1×10^(−6)m/s),隧道对超静孔隙水压在砂土内传播的“阻挡”效应明显;当衬砌渗透系数较大时(k_(t)>1×10^(−4)m/s),隧道周围砂质海床内超静孔压较低;衬砌厚度对衬砌外超静孔压分布影响不显著。

波浪作用下海底隧道氯离子侵蚀劣化时变分析

浅水区海底隧道处于复杂波动水力环境中,既有理论研究一般只在静水环境中计入氯离子自由扩散对隧道衬砌的侵蚀作用,而较少考虑海洋波浪力对衬砌结构腐蚀的促进作用。首先采用适用于浅水区的Stokes二阶波浪理论确定了海床表面的波浪压力,基于Biot固结理论获得了隧道衬砌周围的水压响应;接着利用改进的Fick第二定律同时考虑水压和浓度梯度驱动下的氯离子扩散,并采用指数型强度劣化模型描述服役时间内衬砌混凝土的劣化效应;最后结合波浪作用下衬砌氯离子侵蚀效应进行了海底隧道衬砌承载力计算,并将理论解析解与数值模型和既有的试验结果进行了对比,获得了较好的一致性。结果表明,忽略动态波浪压力对衬砌混凝土中氯离子渗流的促进作用,将低估衬砌混凝土内部的氯离子扩散速度,随着波浪周期增加,衬砌内部氯离子侵蚀入渗的最大深度明显增大;而不考虑衬砌强度劣化效应会明显高估隧道结构的服役寿命,不利于海底隧道服役期间的安全储备。

波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。

降雨影响下基坑开挖施工对邻近基桩变形响应分析

目前关于基坑开挖对邻近基桩变形响应的简化理论解研究,还较少考虑基坑开挖中支护作用的影响,尤其是没有考虑降雨环境带来的土工影响。基于一种适用于不同降雨工况的分层假定Green-Ampt模型来模拟降雨入渗过程,采用两阶段分析方法,研究了降雨影响下基坑开挖与邻近基桩相互作用的问题。首先,考虑基坑开挖土体卸荷、围护结构及支撑结构的影响,采用Mindlin基本解,分析降雨影响下基坑开挖施工导致邻近基桩位置的土体附加应力;然后,基于Pasternak双参数地基模型,探讨基桩与土体之间的相互作用,求得降雨影响下单桩和群桩随降雨历时变化的水平变形响应。通过工程监测数据与理论计算结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,也针对降雨敏感参数(降雨强度、饱和渗透系数、初始含水率、基质吸力)与基桩敏感参数(边界条件、支撑刚度、桩径、开挖深度、桩与基坑间距)进行了影响因素分析。分析结果表明,所提出的理论方法可较好地反映降雨影响下基坑开挖施工对邻近基桩的变形响应;降雨对邻近基桩变形影响显著,降雨参数敏感程度依次为:降雨强度>初始含水率>饱和渗透系数>基质吸力;随着降雨历时的增长,湿润层发展深度不断增大,其发展速率呈现出逐渐衰弱并趋近于土体饱和渗透系数的规律,基坑开挖引起的邻近基桩位移也随之越来越大,其顶部位移变化速率逐渐减小后收敛至某一特定值;支撑刚度和基桩与基坑距离越小,基桩受到降雨历时的影响程度就越大;不同桩径的基桩受到降雨历时的影响程度基本相同;开挖深度越大,基桩受到降雨历时的影响程度就越大。

强降雨影响下盾构隧道开挖面稳定性的三维对数螺旋模型上限解

目前针对盾构隧道开挖面稳定性的既有成果,还较少考虑降雨环境和地下水位的影响,尤其是强降雨入渗带来的土工影响。首先,基于分层假定Green-Ampt模型来模拟强降雨入渗过程;其次,在土体抗剪强度理论和有效应力理论的基础上,将修正后的Mohr-Coulomb准则和Darcy定律结合,推导出与降雨强度和降雨历时相关的分段形式表观黏聚力表达式;然后,基于极限分析上限理论构建三维对数螺旋破坏机制,将表观黏聚力做功引入上限定理的虚功率方程,通过优化计算,得到考虑强降雨入渗和地下水位条件下盾构隧道开挖面支护力的上限解。最后,将上限解析解与三维数值模拟结果及既有试验结果进行对比,得到了较好的一致性。此外,针对降雨强度和地下水位深度等关键参数进行了影响因素分析。结果表明:当降雨强度较小时(F/ks≤1,F为平均降雨强度,ks为饱和渗透系数),隧道开挖面极限支护力随降雨强度的增大而加速增大,随降雨历时的变化不明显,当降雨强度较大时(F/ks>1),极限支护力随降雨强度的增大而缓慢增大,随降雨历时的增加而显著增大;当地下水位深度较小时(Z_(w)/D≤3,Z_(w)为地下水位深度,D为开挖直径),极限支护力随地下水位深度的增加线性减小,当地下水位深度较大时(Z_(w)/D>3),其变化速率逐渐减小,最后趋于平稳。

地面堆载作用下黏弹性地层盾构施工诱发土体响应时域解

目前针对软土地层盾构施工诱发周围土体变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,较少考虑黏弹性土体的流变特性,也较少考虑地表堆载给盾构隧道施工所带来的影响。从地基黏弹性角度出发,引入隧道洞周的椭圆化收敛变形模式,采用复变函数理论并运用Laplace变换技术,提出了地表堆载作用下盾构隧道开挖引起的周围土体位移和应力的时域解。依托相关工程监测数据与简化时域解对比,得到了较好的一致性。研究结果表明:所得出的时域解能较好地反映地表堆载作用下盾构隧道开挖对周围土体位移场的影响,以及地层变形随时间的发展趋势。在地表堆载影响下,随着时间推移,开挖引起的地层变形不断增加,沉降速率则呈现出逐渐衰弱直至为零规律,而堆载突变导致其地表沉降值尤其沉降速率变化显著。研究成果对黏性地层密集堆载群范围内的隧道施工控制具有一定理论指导意义。

黏性场地列车荷载影响下衬砌半渗透边界盾构隧道诱发地表固结沉降解

列车荷载作用下衬砌长期渗漏会显著影响软土盾构隧道周围土体的固结沉降,对邻近环境和地铁的安全运营造成不良影响。针对盾构隧道周围土体固结沉降的既有理论研究一般多考虑衬砌不透水条件,较少考虑衬砌渗漏水及列车荷载耦合作用对于地层固结沉降的影响。引入隧道衬砌半渗透边界和列车三角形循环时效荷载,基于Terzaghi-Rendulic固结理论,采用Boltzmann三元件模型模拟土体流变效应,推导了列车荷载作用下黏弹性地层盾构隧道渗漏水诱发的土体超孔隙水压力消散和地表固结沉降的复变函数解析表达式,并与6个工程实测数据进行对比,验证了所给出解析解的正确性与适用性。此外,通过参数分析讨论了衬砌-土体渗透比和列车荷载参数对土体固结沉降的影响。结果表明:衬砌-土体渗透比是影响盾构扰动地层固结快慢的主要影响因素,衬砌-土体渗透比越大,固结完成时间越早;列车荷载作用下,早期固结沉降速率相较于不考虑列车荷载时会有较明显的增加,但在列车荷载当量增加后,固结沉降速率的增长有所放缓,且其增量与衬砌-土体渗透比密切相关,衬砌-土体渗透比越大,沉降增加量则越大;隧道衬砌可以视为扰动地层的排水边界,其加速了土体固结沉降,而列车荷载与衬砌半渗透性耦合,进一步改变了土体固结沉降形态。