盾构施工对周围土体应力扰动研究综述

随着地下隧道工程的增加,盾构掘进会改变隧道周围土体的应力状态,可能导致变形或沉降。探讨盾构掘进对隧道周围土体应力的影响对未来研究有很大的参考价值。文中总结现有成果,分类分析隧道周围水土压力变化、应力变化的影响因素及围压计算方法。研究表明盾构掘进引起的土压力和孔隙水压力变化具有相似规律,隧道周围应力变化受内外多因素影响,围压计算方法大多基于经验。缺乏全过程施工现场数据和大型模型试验,施工方法及地表荷载、地下水位等外部因素对土体应力的影响尚需深入研究,围压计算方法体系亟待完善。

双剪统一强度理论在土压力计算中的应用

基于双剪统一强度理论 ,将挡土结构与土相互作用问题视为空间问题 ,推导出了黏性土与无黏性土的主动土压力与被动土压力的计算公式 ,并讨论了加权系数b对主动土压力的影响。为验证公式的可行性 ,通过工程实例将计算结果和采用朗肯土压力理论所得的计算结果及实测结果进行了对比 ,对比表明 :朗肯土压力理论所得的主动土压力偏大 ,当b =0 .5时 ,采用公式所得结果比朗肯土压力理论所得结果更接近实测值 。

基于广义有效应力原理的水土压力统一计算理论

为弥补水土压力合算与分算之间的跳跃,需要建立水土压力统一计算理论。以理想饱和砂土模型为分析对象,在"非充分浮力"和"充分浮力"概念的基础上,从一个全新的角度阐述了有效应力原理公式的物理本质及推导过程;在此基础上,通过引入折减系数,将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理;在广义有效应力的基础上,以水土分算为基础,推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式;为解决统一计算公式中的抗剪强度指标选取问题,依据有效应力强度指标和总应力强度指标,推导了统一抗剪强度指标公式。水土压力统一计算公式理论依据充分、推导过程严谨,实现了水土压力计算结果从砂土到黏性土的过渡,具有很强的理论意义和工程应用价值,可为完善土力学基础理论体系提供参考借鉴。

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。

平面应变条件下非饱和土抗剪强度统一解及应用

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,推导了平面应变条件下非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,进而考虑中间主应力、特别是基质吸力高低的不同影响,建立了非饱和土主动、被动土压力和任意侧压力系数下均适用的条形地基临界荷载解析解。本文解析解具有广泛的理论意义,根据实际工程具体情况,可进行多种选择。研究结果表明:在低基质吸力范围内,非饱和土被动土压力和条形地基临界荷载随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断增加,主动土压力则相反;在高基质吸力范围内,被动土压力和临界荷载均逐渐减小并趋于稳定;超固结比对条形地基临界荷载的影响较小。

水及土压力的实测研究

通过对上海软土地基基坑工程大量的实测土压力、实测孔隙水压力值和实测水位值的分析，阐述了基坑外土压力、孔隙水压力随工况的变化规律。认为软土地区既可采用水土合算，又可采用水土分算。给出了水土合算时的侧压力系数的取值方法；同时提出了水土分算时，土压力与水压力应分别乘以相应的系数，且给出了水压力合理的折减系数ｋｗ值（孔隙水压力与静水压力的比值称为静水压力的折减系数）以及水土分算时的土压力项的侧压力项的系数ｋｓ。

考虑地下水渗流的基坑水土压力计算新图式

用经典的土力学理论计算基坑的水土压力时所得数值和基坑结构上的实测值相差很大,分析了造成这种差异的最重要原因是地下水渗流对基坑土压力的影响,由此提出了考虑地下水渗透力的水土压力计算新图式。该图式对非均质土层基坑工程及边坡工程均适用。通过实例计算表明,根据新计算图式所求得的水土压力值和实测值基本一致。

基于统一强度理论的土压力公式

基于俞茂宏统一强度理论,考虑中间主应力效应,按照现有的极限状态分析方法,推导了土压力计算公式,Rankine土压力公式为其特例。按有效应力法与总应力法对土压力的计算公式进行了推导与分析,同时与已有文献的实例进行了对比分析。结果表明,得出的解答具有广泛代表性。

基于统一强度理论朗肯土压力的计算研究

采用双剪统一强度理论主应力型表达式和平面应变假设,首先将挡土墙土压力问题视为平面应变问题,通过广义虎克定律确定出中主应力σ2=ν(σ1+σ3),并根据朗肯土压力分析原理确定出另外一个主应力,最后结合双剪统一强度理论主应力型表达式分别推导朗肯主动土压力和被动土压力的计算公式。该公式除了引入考虑中主应力影响的系数b,还通过广义虎克定律把材料的泊松比ν引入朗肯土压力计算公式中。经典的朗肯土压力计算公式仅为该统一解的特例。该统一解可以灵活地运用于各种不同特性填土材料的土压力计算。最后通过一算例讨论不同权系数b对计算结果的影响。分析表明:采用经典的朗肯被动土压力理论所得到的结果是偏小的,而采用经典的朗肯主动土压力理论所得到的结果是具有一定的安全储备;双剪统一强度理可以更好地发挥材料的强度潜力,可取得一定的经济效益。

饱和软土中沉桩引起的孔隙水压力估算

饱和软土中挤土桩的承载力随时间的增长与沉桩引起的超孔隙水压力大小及其消散有密切关系。分析了小孔扩张理论的不足，提出用土压力理论来估算沉桩引起的超孔隙水压力。分别讨论了单桩和群桩两种情况下超孔隙水压力的计算，并与实测资料进行了对比。

土压力滑楔理论的统一解

基于滑楔理论计算土压力的基本原理,运用考虑中间主应力效应的统一强度理论,对传统的土压力公式不能反映土体材料强度的中间主应力效应的公式进行了改进,推导了基于滑楔理论的土压力统一解公式,Coulomb和Rankine土压力公式为其特例。通过变换统一强度参数,可获得一系列的解。在工程运用中可根据土质和工程的实际情况,适当选择统一强度参数和应力状态来确定土压力的大小。

考虑位移效应的土压力计算理论

基于朗肯土压力理论,假定填土的内摩擦角与该点土体位移呈非线性关系,进而提出挡土墙的主动和被动土压力的计算模式。该模式随位移变化是连续的,且能考虑墙土间的摩擦的影响。又将其与砂土模型试验结果进行了对比分析,吻合较好,从而证明用该计算模式计算其主动或被动土压力是合理的。此外,根据该计算模式,导出了一种有效估算其静止土压力系数的计算方法。

公路连拱隧道土压力荷载的计算方法研究

针对目前国内公路连拱隧道尚无比较成熟的土压力荷载计算公式的现状,根据连拱隧道的受力特点,基于普氏平衡拱理论,推导了深埋连拱隧道的土压力荷载计算公式,同时结合规范中关于隧道深浅埋分界高度的规定,给出了深浅埋连拱隧道的分界埋深及荷载计算公式,形成了完整的连拱隧道深浅埋情况下的荷载计算体系。通过大量的分析计算并与其他公式对比,验证了推导出的公式的合理性,并将公式应用于湖北沪蓉西高速公路连拱隧道及分岔隧道的设计中,取得了良好的效果。

基于流固耦合理论的煤矿立井井壁突水机理分析

将煤矿立井混凝土井壁视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用统一强度理论和弹塑性损伤力学模型,推导出立井混凝土井壁弹性区和塑性损伤区应力的解析表达式,以及井壁承受的地下水压与塑性损伤区半径之间关系的解析表达式。同时绘制了不同的φ(混凝土孔隙率)和λ/E(混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比)值与井壁承受水压p0和塑性损伤区半径c之间的关系曲线。研究结果表明:在井壁几何尺寸和混凝土强度等级不变情况下,不考虑地下水渗流对井壁的影响时(φ=0),井壁能够承受的临界水压p0c为31.9 MPa;当φ取0.4时,p0c为15.1 MPa,井壁能够承受的临界水压下降了52.7%。当λ/E取0.5时,p0c为30.5 MPa;当λ/E取2.5时,p0c为18.6 MPa,井壁能够承受的临界水压下降了39.0%。由此可见,在考虑地下水渗流对井壁影响的情况下,地下水渗流效应和混凝土损伤软化对井壁能够承受的临界水压p0c影响十分显著,井壁能够承受的临界水压随着混凝土孔隙率φ和混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比λ/E的增加而减小。

支挡结构上的水土压力特性试验研究

针对当前水土压力计算中很少考虑土自身性质对其影响的研究现状,以自制试验槽为研究工具,通过使用3种不同渗透性土样进行的支挡结构上水土压力测试研究,对比了水土压力实测值和由水土压力分算、水土压力合算得到的理论计算值,分析了孔隙水压力和土压力的变化规律。由试验结果可以得到,由水土压力合算得到结果偏小,但在一定条件下尚可以接受,在发生主动位移情况下墙后土体会产生负超孔压,渗透系数影响着负超孔压的消散和孔隙水压力的传递程度,并进一步影响支挡结构上水土压力的分布情况。由试验结果推知,当土体渗透系数小到一定程度时,水土压力合算的方法是合理的。

统一强度理论在地基承载力确定中的应用研究

基于统一强度理论,考虑中间主应力对地基承载力的影响,给出了静止侧压力系数K 0≠1条件下的地基临塑与临界荷载公式。结合实例,对基于统一强度理论和Mohr-Coulomb准则的地基承载力计算结果进行了对比分析。新的理论公式更为确切地反映了地基承载力的实质,有利于地基土体强度的充分发挥。基于河北境内177组不同土质地基的土性指标及载荷试验资料的统计分析,对中间主应力系数b的取值进行了深入细致的探讨,研究表明,对于粉土及黏性土地基,b的取值范围在0～0.5之间变化,理论计算所得地基承载力特征值与载荷试验实测值间的相对误差一般不超过5%。

双剪统一强度理论在空间主动土压力计算中的应用

采用双剪统一强度理论,导出了空间土压力计算的双剪统一解.算例分析结果表明:随着中主应力系数b值的增大,空间主动土压力减小,主动土压力系数略有增大,土压力作用点距墙顶的竖直距离略有减小.所给出的解可以灵活运用于各种不同特性材料空间主动土压力的计算,应用双剪统一强度参数公式可以求算不同b值所对应的土体的强度参数,该值同时包含了主应力σ1、σ2和σ3对材料强度的贡献,并可将与平面问题对应的常规土工试验方法所测得的强度指标0σ、0φ换算为空间问题所需的强度指标tσ,tφ.统一解可以更好地发挥挡土墙填料的强度潜力.

天然软土地基路堤临界高度一种计算方法研究

考虑地表硬壳层应力扩散作用、硬壳层的抗剪强度、中间主应力2对地基承载力的影响,从实际情况下土的静止侧压力系数出发,依据极坐标表示的弗拉曼公式和统一强度理论,推导出天然软土地基临塑与临界荷载公式,提出天然软土地基上路堤临界高度的一种计算方法。结合算例,探讨了软土层和硬壳层静止侧压力系数K0、中间主剪应力系数b取不同值对路堤临界高度HB/4的影响。结果表明:K0与b的改变对路堤临界高度HB/4影响很大,新的理论公式更能反应软土地基承载力的实质,对覆有硬壳层的软土地基上路堤的修筑具有一定的指导意义。

地壳应变场对气压短周期变化的响应

大气压力变化可分为由日、月引力和太阳热辐射产生的潮汐变化和非潮汐频段的短周期气压变化，其引起的地壳应变可达10^-9量级．我们选用分钟采样的观测精度达10^-9量级的钻孔应变仪，对山东省泰安台2002-2005年气压及体应变分钟值资料进行深入分析，研究了地壳应变场对短周期气压变化的响应规律．频谱分析结果表明，短周期气压变化对体应变的影响主要集中在周期大于2000S的低频段．利用小波分解方法，得出了短周期气压系数随不同频段和不同时间的变化规律：高频段（周期小于960s）气压系数数值较小，随频率变化幅度较大；低频段（周期大于960s）气压系数数值较大，但变化趋于平稳；在频段一定的情况下，短周期气压系数随时间变化较平稳．从钻孔应变仪观测原理和按余弦函数分布的载荷作用于地壳表面的应力解出发，得出了地壳不同深度对不同频率短周期气压场的响应，理论计算与实际观测基本相符．研究结果表明，短周期气压变化对低频信号（周期大于2000s）的影响较大，提取低频地球自由振荡信号时要消除气压影响，对苏门答腊大地震激发的地球球型自由振荡的功率谱分析验证了这一结论．

基于平面应变统一强度公式的结构性黄土填料挡墙地震被动土压力研究

基于结构性黄土不同含水率方形试样的三轴剪切试验,研究了非饱和黄土的残余强度效应和构度与强度参数的关系,引入两种效应修正了平面应变统一强度公式,分析了地震荷载作用下墙后土应力摩尔圆的变化规律,采用水平层分析法,建立了综合考虑中主应力、土结构性、残余强度的黄土填料被动动土压力公式。研究表明:平面应变统一强度公式计算得到的峰值或残余黏聚力和摩擦角随统一强度参数b值增大而增大,结构性对黏聚力的增幅较大,而对摩擦角影响则不明显;结构性黄土的地震被动土压力系数随b值、构度指标的增大而增大,而随水平地震系数的增大而减小;结构性较大时残余强度计算的地震被动土压力系数较峰值强度大,结构性较小时,两者计算结果接近。