考虑黏聚力及不完全拱效应的太沙基松动土压力

考虑滑移面上主应力旋转和埋深对侧向土压力系数的影响,基于摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)破坏准则推导黏聚力存在时滑移面上的侧向土压力系数,进而采用微分土条极限平衡方法推导滑移面上的竖向应力。在此基础上,假设小主应力轨迹为圆弧,进而推导不完全拱效应作用下滑移面间的竖向应力分布及平均竖向应力。结果表明:与传统太沙基(Terzaghi)松动土压力公式及其现有修正公式相比,本文推导的滑移面上的竖向应力受黏聚力和内摩擦角的影响更加显著,且滑移面上的主应力旋转会放大二者对滑移面上竖向应力的影响;黏聚力对滑移面间竖向应力及侧向土压力系数的横向分布具有相同的影响规律,即黏聚力越大,二者的非线性分布特征越显著;以小主应力轨迹为圆弧所得出的滑移面间竖向应力分布规律与杨明辉等的原位测试结果基本吻合,且活门上的平均竖向应力与Chevalier等的试验结果较为吻合。

基于不完全拱效应的隧道预处理机制与计算方法

隧道开挖中,掌子面–超前核心土的变形同样会使其周围产生拱效应,但该种拱效应不同于后方已开挖区域周围的拱效应,称之为不完全拱效应。不完全拱效应的发挥与预收敛变形和挤出变形有很大的关系,基于不完全拱效应提出了超前核心土周围围岩压力的计算公式,此公式与太沙基公式的不同在于考虑了预收敛变形对围岩压力的影响,并在黏性土的推导中考虑了非垂直滑移面效应,假定破裂面与垂直方向存在夹角θ。算例分析显示,随着预收敛变形的增加拱顶土压力的变化可分为近线性快速下降、缓慢下降及稳定阶段,计算土压力随内摩擦角、埋深比及黏聚力的增大而减小,且在黏性土中随破裂面倾角的增大而增大。在此基础上,推导了计算基于新意法的超前核心土加固参数的理论计算公式,结合算例验证了理论公式的适用性,该公式计算简单,便于理解,可用于新意法的初步设计阶段。

基于主应力旋转特征的浅埋隧道上覆土压力计算及不完全拱效应分析

砂土及黏聚强度较低的破碎岩体中,不完全拱效应对浅埋隧道上覆土压力计算的影响尚不明确。不同于传统极限平衡方法考虑主应力迹线的分布形态,直接考虑隧道开挖后主应力旋转角的分布特征,同时考虑滑移面范围变化及滑移面摩擦角调用情况,改进了浅埋隧道上覆土压力的计算。在此基础上分析完全拱作用下土体平均侧压力系数、竖向应力分布等特点,并与传统方法比较说明了其异同。此外,与数值结果、模型试验结果对比验证了改进解的适用性。最后在改进解基础上分析不完全拱效应的影响。结论显示:(1)隧道开挖后,滑移面范围内土体竖向应力减少,转移至滑移面外稳定土体,滑移面附近剪切应力δ集中,阻碍隧道上方土体向下变形,改进方法计算所得应力分布与实际情况更相符;(2)平均侧压力系数Kwav受土体内摩擦角φ及滑移面调用摩擦角δ共同影响,土体内摩擦角较小时,可忽略不完全拱效应δ/φ对平均侧压力系数的影响;(3)改进解与传统解均表明地层拱作用效果系数Kwavtanδ在一定范围内对土体内摩擦角φ不敏感;(4)此外,改进解表明地层拱作用效果系数Kwavtanδ对土体内摩擦角φ的不敏感性除受φ取值范围影响外,还受不完全拱效应δ/φ影响,随不完全拱效应增强(δ/φ减小),Kwavtanδ对φ的不敏感性越来越明显。