侧部注浆对已建盾构隧道受荷变形影响试验研究

采用侧部注浆法整治盾构隧道横椭圆变形超限过程中,盾构隧道周围附加土压力及隧道变形特性暂不明晰。通过几何相似比为1∶10的缩尺寸模型试验开展了侧部注浆对已建盾构隧道的影响试验研究,试验结果分析表明:在注浆挤压作用下,将导致隧道周围的土压力在注浆点处局部增大,两边有一定程度的减小,产生了明显的水平被动土拱现象;在注浆附加荷载影响下,模型盾构隧道在注浆点附近发生了竖椭圆变形,而在离注浆点较远处则发生了横椭圆变形,且隧道发生了反弯现象;注浆过程中发生了“渗透→挤密→劈裂”扩散模式与“挤密→劈裂→渗透”扩散模式,并阐明了两种浆液扩散模式的扩散机制;隧道外壁附加荷载主要由浆液通过渗透扩散与劈裂扩散的浆液压力所形成,同时浆液挤压土体变形对隧道周围的浆液也将形成一定的挤压荷载。

联络通道施工盾构机接收对已建盾构隧道影响试验研究

联络通道机械法施工中盾构机接收对已建盾构隧道受荷变形影响机制暂不明确问题,通过设计1∶10的缩尺模型试验,开展了联络通道机械法施工中盾构机接收对已建盾构隧道影响试验研究。试验结果分析表明:联络通道机械法施工时,盾构机开挖面附加水平土压力将导致接收端已建盾构隧道对侧的土压力在中部有显著的增大,而两端则减小,即导致顶推对侧发生了水平被动土拱现象;在中间附加水平土压力作用下,隧道在中间发生了显著的竖椭圆变形,而在两端则发生了一定的横椭圆变形;隧道中间发生竖椭圆变形对上下地层形成挤压,在竖向上同样形成了被动土拱现象;隧道纵向挠曲变形时出现了一定的反弯现象。盾构隧道作为地层中的管状结构物,在地层中纵向变形分析时需要考虑横断面变形的影响。

考虑水力效应的裂缝边坡稳定性非线性能耗分析

现有考虑水力效应的裂缝边坡稳定性分析大多基于线性破坏准则,而岩土体破坏往往呈现非线性特征,因此开展水力效应影响下的裂缝边坡稳定性非线性极限上限分析具有重要意义。基于极限分析上限定理及强度折减技术,结合“外切线法”非线性破坏准则,构建坡顶含竖直裂缝的边坡对数螺旋线破坏模式,根据虚功原理推导出裂缝边坡安全系数解析式,通过MATLAB优化计算,结合边坡工程实例探讨了典型因素对裂缝边坡稳定性、临界裂缝及滑动面位置的影响规律。研究结果表明:随着地下水位h的持续上升,边坡安全系数不断降低,临界裂缝深度逐渐增大且临界裂缝位置逐渐向坡顶缘偏移;非线性系数m明显影响边坡的稳定性,边坡安全系数随着非线性系数的增大显著减小,采用线性破坏准则会高估地下水位变化对边坡稳定性的影响;随着非线性系数的增大,临界裂缝深度随之增大,临界裂缝位置距离坡顶缘越来越远,滑坡体体积逐渐增大;裂缝与坡顶缘距离l m随着非线性系数m的增大而增大(当m增大0.2时,l m增大约1 m),且随着裂缝与坡顶缘距离的增大,边坡安全系数无明显变化,临界裂缝深度先逐渐减小后趋于稳定。

方形基坑尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响

为研究方形基坑尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响,以某桥梁承台基坑为依托,采用数值分析手段,通过现场实测对选用参数进行验证,依托选用参数拟定不同平面尺寸计算工况,通过地层应力与桩后土压力变化分析其尺寸效应;通过对比长短桩围护结构与等长桩围护结构的变形受力差异,探明尺寸效应对长短桩围护结构支护效果的影响。结果表明:当方形基坑尺寸较小时,在坑边一定距离处会形成连续、封闭的“类圆形”拱区域,存在与圆形基坑中环箍效应相似的“类环箍效应”,算例表明该效应在边长大于18.0 m后环箍断开,效应消失;当拱区域封闭为环箍时,围护结构桩后土压力显著降低,当其不封闭时,土压力增长,坑边中部桩后土压力增长量大于坑角处;长短桩围护结构的支护效果在尺寸效应越强的方形基坑中降低越少,基坑的尺寸效应对其变形及稳定有利,算例中边长小于等于14.4 m的基坑可充分利用其尺寸效应,采用长短桩代替等长桩围护,做到绿色环保。

基于状态演化模型的高铁路基动力累积沉降变形预测研究

长期循环荷载作用下高铁路基会出现累积沉降变形,对轨道平顺性、列车运行的舒适性与安全性等产生不利影响。为预测高铁路基累积沉降变形,基于考虑颗粒材料系统流动性及历史应变的状态演化模型,采用有限差分法进行求解,得到预测长期循环荷载作用下路基累积变形的计算方法。开展分级荷载及长期循环荷载作用下的路基累积沉降变形缩比尺模型试验,对试验结果进行分析,并验证状态演化模型预测路基累积变形的合理性;提出三阶段拟合法,通过0~10000 s循环荷载作用下的路基累积变形试验数据拟合得到模型的关键参数,并对10000~25000 s的路基累积变形进行预测;最后深入分析初始状态模量、特征应变和特征参数对计算结果的影响。研究结果表明:路基累积沉降变形达到稳定值所需的时间随着荷载幅值的增加而增加;状态变量与荷载大小密切相关,随着荷载增大而增大;初始状态变量、特征应变及特征参数越大,路基的流动性及累积应变速率越大。所提方法可以很好地反映分级荷载及循环荷载下路基的累积变形,实现通过现有数据对路基未来累积沉降变形进行有效预测,为长期循环荷载作用引起的高铁路基累积沉降变形提供了实用的预测方法。研究结果可为高铁路基设计及变形控制提供参考,具有较高的实用价值和工程意义。

非对称荷载下内撑式基坑支护结构参数分析及设计优化探讨

非对称荷载作用下,内撑式基坑会向荷载小侧整体偏移,这将不利于基坑的稳定,因此有必要对支护结构进行设计优化。本研究以某偏压综合管廊基坑为例,通过有限元软件PLAXIS 2D对该基坑进行了仿真模拟,模拟结果与实测数据吻合良好,验证了模型的有效性。进一步对该基坑进行参数分析,研究了支护结构长度、等效厚度和弹性模量对支护结构变形和基坑安全性的影响。研究结果表明,在两侧支护结构均按偏压侧进行设计的基础上,增大某侧支护结构长度,会使该侧支护结构水平位移最大值增大,分别增大两侧支护结构等效厚度、弹性模量,均可以减小该侧支护结构水平位移最大值和非偏压侧支护结构顶部逆向位移。基于参数分析,提出一种针对非对称荷载基坑的简单有效、经济可行的优化思路,并通过数值模拟对优化效果进行了分析,证明了该优化思路的可行性。

降雨和库水位升降条件下考虑非饱和渗透系数空间变异的边坡可靠度分析

降雨和水位升降对库岸边坡具有显著影响,传统确定性分析难以准确评估其稳定性。考虑降雨和水位升降联合作用下水力参数的空间变异性,进行非饱和土边坡可靠度分析具有重要意义。以赣江库区中的莒洲岛边坡为研究对象,以贝叶斯方法校准的多元水力参数的联合随机场为基础,建立非饱和土边坡的稳定性分析方法。根据有限的岩土力学室内试验数据,采用贝叶斯方法校准土水特征曲线的模型参数,并从VGM、VGB、VG和FX模型中选出最优模型;联合多元水力参数的随机统计特征,生成非饱和土边坡渗透系数的随机场空间分布;针对2021年5月赣江水位快速升降并伴随暴雨的工程背景,将上述方法应用于莒洲岛库岸边坡的稳定性分析。研究结果表明,暴雨与水位变化的联合作用对边坡安全系数的影响显著,确定性分析的边坡安全系数偏低,考虑非饱和渗透系数空间变异性后计算所得到的SWCC综合可靠指标不能满足规范要求,需采取额外的边坡工程加固措施以保证边坡的长期稳定性。

基于应变梯度非局部Biot理论的饱和土地基动力特性研究

为探究孔隙尺寸效应(非局部参数表征)和介质局部非均匀效应(尺寸因子表征)对饱和土地基动力响应的影响,基于应变梯度非局部Biot理论,采用无网格法编制循环荷载下饱和土地基动力响应计算程序,验证无网格法程序的正确性。结果表明,尺寸因子为定值时,随着非局部参数的增加,观测点位移及孔压起始响应的时间有所延迟;而非局部参数为定值时,随尺寸因子的增加,观测点位移及孔压起始响应时间有所提前;说明考虑孔隙尺寸效应会减小系统的宏观模量,而考虑土体结构的非均匀效应则会增加系统的宏观模量。研究提出采用无网格法求解饱和土动力问题的方法和思路,可为今后研究饱和土动力学问题的研究提供借鉴。

地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应影响研究

在地下结构抗震分析中,软弱夹层场地较一般成层场地而言问题要更为突出。本文以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-地下连续墙-地铁车站结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应的影响,对比分析了在不同场地工况下地连墙以及地连墙的连接方式对地铁车站结构的地震响应规律。研究结果表明:地下连续墙与车站结构协同作用使得车站结构整体水平变形减小,且减小效果随着软弱夹层厚度的增加更加明显;地下连续墙同时会引起附加的侧向土压力作用到车站结构上,对上层中柱和侧墙顶部等部位存在不利影响,建议工程实践中采取一定的加强措施。

纵向残余顶推力对盾构隧道纵向刚度影响试验研究

针对盾构隧道纵向刚度影响因素复杂、客观存在的纵向残余顶推力常被忽略等问题,以南昌地铁盾构隧道管片环为原型设计1∶10的缩尺模型,按环缝连接接头位置的不同,分2组开展纵向残余顶推力对隧道纵向刚度影响的试验研究,并结合工程实际分析影响盾构隧道纵向刚度的若干因素。结果表明:横向受力相同时,不同于刚度均匀简支梁反演得到的纵向挠曲变形,模型盾构隧道实测得到的纵向挠曲变形表现出明显的非线性特性;盾构隧道残余顶推力对其纵向刚度影响显著,刚度增长与纵向预压力增加呈现非线性关系;在相同纵向预压力作用下,角码布设在与水平线呈45°位置时,模型管片环之间可能发生的剪切位移量更大;盾构隧道残余顶推力、隧道挠曲变形阶段、环缝连接螺栓数量与形式、管片环缝端部构造等均对盾构隧道纵向刚度产生影响;隧道纵向挠曲变形主要由环缝张开及管片环之间的剪切滑移2部分导致,且管片环之间的剪切滑移具有随机性。

排桩支护下颗粒介质水平拱效应研究

排桩支护体系中水平拱效应是土体发挥自身抗剪强度所产生的一种应力重分布现象,其对工程设计和安全评价有着重要意义。水平拱效应在实际工程中是三维空间结构,但目前土拱效应研究侧重于截取三维结构中某一剖切面将其简化为平面应变问题进行分析,而忽视了拱效应的三维几何特征。将三维空间结构切成若干水平面,对不同水平面施加不同的初始应力,利用自制大尺寸光弹试验设备从二维角度分析排桩支护体系中土拱形态演化以及水平拱效应三维几何特征,并利用颗粒流PFC2D软件对模型试验结果进行重现,同时运用数值模拟手段进一步探究土拱厚度随深度的演化规律。研究结果表明:排桩在受到远场荷载作用下,其水平拱效应经历了一个发展-稳定-破坏的过程,土拱效应破坏后支挡效果显著下降;不同深度处的土拱效应存在显著差异,差异体现在桩后成拱区沿桩底方向分为未形成段、形成段、稳定发展段和破坏段,成拱区影响范围在2倍桩径范围内;成拱区厚度为成拱区上拱顶点与下拱顶点的差值,上拱顶点为沿排桩方向出现第一个σx和σy相交的点,下拱顶点为靠近排桩的σy的极大值点;成拱区厚度沿桩底方向表现为先增大后减小的趋势。

考虑横向与纵向刚度相似的模型盾构隧道设计方法

由于盾构隧道的横向刚度有效率与纵向刚度有效率不一致,在模型试验中难以设计出横向刚度与纵向刚度均可满足相似要求的模型盾构隧道。根据模型试验相似设计理论,提出了一种横向刚度与纵向刚度均可满足相似要求的模型盾构隧道设计方法,即模型盾构隧道管片环采用修正匀质圆环模型,以横向刚度满足相似要求进行设计,提出了模型盾构隧道管片环设计计算方法,并采用对压法对模型盾构隧道管片环的横向刚度进行了测定;管片环之间采用垫有弹簧的螺栓连接,提出了相应的模型盾构隧道纵向刚度计算方法,并通过简支梁法对模型盾构隧道的纵向刚度进行了测定,对模型盾构隧道纵向刚度计算方法进行了验证。最后根据模型盾构隧道与原型盾构隧道纵向抗弯刚度相似关系,得到了垫在模型盾构隧道环缝连接螺栓上的弹簧刚度计算方法。

江水位及插入比对临江超大基坑变形的影响

为研究江水位变动对临江超大基坑产生的不利影响,以杭州市秦望地下综合体超大基坑工程为研究背景,基于小应变土体硬化本构模型和霍克-布朗岩石本构模型,采用数值建模软件PLAXIS建立了数值模型,通过与工程实测结果对比,验证了数值模拟的准确性.基于上述计算模型,分析了不同施工阶段基坑变形规律,研究了江水位变动、不同地连墙插入比条件下临江超大基坑变形规律.研究结果表明:地连墙插入比对地连墙侧移变形影响显著,但对坑外地表沉降影响较弱,当地连墙插入比为1.6~2.0时,可同时对二者产生较好的控制效果;随着江水位升高,地连墙侧移和地表沉降均逐渐增大,悬挂式止水帷幕条件下,江水位变动对地连墙侧移值与地表沉降值的影响更为显著.

水囊土压力计研制与试验验证研究

针对土压力盒易发生应力集中的问题,研制了水囊土压力计,即通过透明的PU空压软管将感压水囊与电子压力表进行连接,其中感压水囊的厚度可控制在5~10 mm,在使用时电子压力表的高度位置进行固定。将水囊土压力计与振弦式土压力盒埋设在不同压缩模量的土体中进行了对比试验,结果分析表明,由于感压水囊比土压力盒薄,虽然实测土压力偏大问题不可避免,但相对土压力盒测试结果而言,采用水囊土压力计测试地层中的土压力时应力集中问题显著改善;从测试结果可知,由测试元件厚度所导致的土压力偏大幅值为非线性,这与测试元件周围的土体颗粒变形调整有关。将水囊土压力计用于盾构隧道响应模型试验研究中,从测试结果可知,水囊土压力计与土压力盒的测试结果具有明显的不同;从测试结果的变化趋势分析来看,水囊土压力计的测试结果可信,且有必要采用水囊土压力计直接贴在模型盾构隧道外壁测试其周围土压力。水囊土压力计的测试原理简单,且成本低、精度高,因其为柔性构造,可根据测试需求选用感压水囊用于结构物表面为非平面的土压力测试。

考虑剪切变形下隧道开挖引起邻近桩基水平向响应简化分析

隧道开挖引起邻近桩基的变形影响理论研究都将桩基简化成Euler-Bernoulli梁搁置在传统的Winkler地基模型和Pasternak地基模型上,忽视了桩基变形时桩基自身剪切变形的影响。基于两阶段分析法,采用Loganathan公式计算隧道开挖引起邻近土体自由位移场,再将桩基简化成可考虑剪切变形的Timoshenko梁放置在Kerr地基模型上,建立桩基水平方向受力平衡方程,结合桩基两端约束条件,获得邻近桩基的水平位移及其内力半解析解。随后考虑群桩间土体遮拦效应,进一步获得隧道开挖对邻近群桩的变形影响。通过与工程实测数据及有限元模型计算结果对比,验证了本文方法的合理性。研究结果表明:邻近群桩水平位移及其弯矩随着地层损失率增大而线性增大;隧道埋深增大会引起邻近群桩水平位移减小,桩基弯矩峰值在隧道埋深较大时明显减小;桩隧间距增大会引起邻近群桩水平位移及其内力减小,其减小速率逐渐变缓。

考虑剪切变形下盾构隧道引起上覆管线变形分析

对近邻上覆既有管线进行盾构开挖会引起管线产生附加变形,从而影响既有管线的安全。已有的理论研究将既有管线简化成Euler–Bernoulli梁搁置在Winkler和Pasternak地基模型上,未考虑管线的剪切效应及三参数Kerr地基模型对管–土相互作用的影响。基于此,本文提出一种可预测管线纵向变形的解析方法。采用Loganathan公式获得隧道开挖引起的周围土体自由竖向位移,把土体自由竖向位移附加在既有管线轴线上方,将既有管线简化成可考虑剪切变形的Timoshenko梁,采用Kerr地基模型模拟管–土相互作用;提出剪切层弯矩的计算假设,结合管线两端的边界条件获得管线在盾构隧道下穿作用下的受力变形响应。工程案例研究结果表明:与已有文献理论分析方法比较,该方法计算得出的理论解析结果更加贴近实测数据;与Euler–Bernoulli梁计算结果比较,Timoshenko梁给出的计算结果更具有优越性。参数研究表明:随着既有管线剪切刚度的增大,管线抵抗变形的能力逐渐增强,从而导致隧道下穿引起的管线变形逐步减小,但会引起管线内力反向增大;随着地层损失率增大,既有管线受到的外力逐步增大,使得管线变形及其内力也逐渐增大;随着管线直径的逐渐增大,管线在隧道下穿作用下引起的管–土相互作用力逐渐增大,最终导致既有管线所受到的应力应变增大。

基于双界面滑移耦合的水泥土锚杆荷载传递模型

水泥土锚杆的承载过程伴随筋体—黏结体界面和黏结体—岩土体界面的黏结强度调动,界面剪应力的径向传播机制受到不同界面附近材料的应力和变形条件影响,对水泥土锚杆进行荷载传递分析需考虑双界面的剪切变形耦合。结合锚杆受力变形分析常用的荷载传递法和剪切位移法,将二者分别用于界面剪应力在锚杆轴向和径向引起的变形分析计算,考虑锚杆双界面的剪应力与剪切变形耦合,建立基于界面特性测试的水泥土锚杆双界面滑移耦合荷载传递分析模型。通过水泥土的材料性质试验及单元体尺度和模型试验尺度的水泥土锚杆拉拔试验,获得了模型的计算参数取值,并验证了模型对锚杆拉拔响应的预测能力。

非平衡堆载下基坑支护结构位移及内力分析

基坑两侧非平衡堆载引起两侧支护结构产生不同的位移及内力。以实际工程为背景,通过有限元软件PLAXIS建立非平衡堆载的数值模型,探讨由非平衡堆载引起支护结构位移及内力的变化。建立三维有限元模型结合实际工况进行分析,并得到以下结论:基坑非平衡堆载高度的增加会引起支撑位移和轴力的快速增长,并且无堆载一侧的支撑由向坑内位移转变为向坑外位移,支撑的位移增量达到两侧无堆载下基坑的7倍以上;非平衡堆载高度的增加也会引起基坑两侧的支护桩呈现出相反的的位移变化趋势,且位移变化速率较快。

深基坑标准段伺服钢支撑的应用及优化研究

正由于城市化的不断深入,基坑工程也向着更深更长的方向发展,传统的支护形式已经难以满足于对周边环境影响的苛刻要求,伺服钢支撑应运而生。本文依托杭州武林门地铁站,对支撑轴力及地连墙变形的实测数据进行分析并通过建立三维结构模型对基坑工程伺服钢支撑的架设方式和支撑组合形式展开研究。结果表明:普通预应力钢支撑无法满足基坑变形的要求;不同位置处的钢支撑对地连墙变形控制效果不同,距离变形最大处越近贡献越大,反之越小;钢支撑全部施加伺服系统控制效果最佳,隔一施加次之,仅一道施加最差;引入无量纲-建筑物倾斜率w,得出减小地连墙的变形是防止周边建筑物失稳破坏的关键;最后对基坑的支护结构进行优化,给出伺服轴力阀值,满足基坑的变形要求。

基于变形控制的基坑支护桩设计方法研究

随着城市化发展,基坑面临的环境越加复杂,对基坑工程的变形控制也愈发严苛。目前,基坑支护结构的设计仍是以强度控制,由于保守设计实际工程往往发生较大变形而未达到设计强度。基于矩阵理论改进里兹法,采用最小势能原理,考虑了支护桩与水平支撑的变形协调条件,获得了支护桩变形的总势能方程,求解了支护桩变形,提出了基于变形控制的基坑支护桩设计方法。最后通过三例典型工程的现场实测数据对理论进行验证,结果表明预测绝对误差随着支护桩的最大变形增大而增大,平均相对误差均在10%最大变形以内。