地下结构地层抗力计算方法及发展方向研究

地层抗力是描述地下结构与土体相互作用的关键荷载,其计算方法对地下结构设计来说至关重要,本文通过文献调研,对地下结构设计中的地层抗力计算方法进行了梳理与研究,分析了现有计算模型存在的主要问题,并从地下空间未来建设趋势的角度提出了地层抗力模型未来的发展方向。

盾构隧道地层抗力系数的修正计算方法研究

研究目的:地层抗力系数的合理取值对于盾构隧道管片衬砌结构的设计的合理性、安全性至关重要。鉴于此,本文从既有的盾构隧道地层抗力计算方法出发,通过引入荷载修正和断面不同位置修正的系数ξ,考虑地层中隧道结构与地层的相互作用,推导出基于简化二向不等地应力场假定的地层抗力系数的修正计算公式,并与既有地层抗力系数的计算方法及现场实测数据进行对比分析,对该修正计算方法进行验证。研究结论:(1)采用本文得到的地层抗力系数修正计算方法与Muir Wood方法、Plizzari-Tiberti方法等三种地层抗力理论算法下管片衬砌结构受力分布规律基本相同,但内力的量值有所差异;(2)三种算法下最大正负弯矩对应轴力均与现场实测结果相差不大,采用本文方法管片结构弯矩偏差明显小于其他两种方法;(3)本研究成果可为盾构隧道结构分析中地层抗力系数的合理取值提供有益参考。

锚杆抗滑桩桩侧地层抗力分布模式的试验研究

介绍了锚杆抗滑桩系统桩侧地层抗力分布规律的室内模型试验成果,试验共分3组,其中2组在坡体后缘加载,第3组采用千斤顶直接在桩后加载,桩身上各贴有一定数量的土压力盒,用以测定作用于桩身上的地层抗力。从3组试验中得出了锚杆抗滑桩桩身的荷载分布图,分析这些荷载分布图可以看出,对于锚杆抗滑桩来说,其滑面以下桩身的地层抗力主要分布在桩前一侧,与普通悬臂式抗滑桩计算模型中采用的地层抗力主要分布在桩背一侧的模式是不同的。根据试验结果给出了锚杆抗滑桩系统桩侧地层抗力的3种分布模式,并给出了桩前滑面以下部分被动抗力值的大致范围。

TBM隧道豆砾石-地层抗力系数计算方法研究

豆砾石回填与灌浆技术在护盾式TBM施工的隧道中获得了广泛应用,但是豆砾石填充层对地层抗力系数以及管片结构受力的影响有还有待研究。本文利用厚壁圆筒弹性应变理论和温克勒假设,首先建立轴对称条件下的豆砾石-地层抗力系数公式并对影响该公式的因素进行了分析。在此基础上,考虑了豆砾石填充层的非均匀分布,建立了非轴对称条件下的豆砾石-地层抗力系数公式。研究表明:(1)是否考虑豆砾石填充层的存在以及豆砾石填充层是否均匀分布对地层抗力系数具有重要影响;(2)不同岩性条件下,豆砾石填充层弹性模量均存在一临界值使豆砾石-地层抗力系数的性质发生突变;(3)豆砾石填充层厚度的增加则具有强化豆砾石-地层抗力系数性质的作用。

考虑地层抗力时的外层井壁内力计算

本文提出了在非均匀地压作用下外层井壁内力计算及校验中应同时考虑地层抗力对井壁作用的影响 ,分析了地层抗力存在的客观性 。

弱抗力地层盾构隧道失稳破坏的模型试验研究

以外径10.8m的大断面盾构隧道为研究对象,针对标准贯入度N≤5的软弱黏土地层条件,进行盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏模型试验,分析拼装方式、接头抗弯刚度、管片刚度、地层空洞及地层改良对盾构隧道稳定性的影响,探明盾构隧道的失稳破坏形态。结果表明,与增强管片结构刚度措施相比,地层改良更能显著提高盾构隧道的稳定承载力;地层空洞的存在加剧了管片衬砌的失稳,空洞位置越靠近隧道拱腰水平位置,盾构隧道的稳定性越差;从提高盾构隧道的稳定性方面考虑,建议采用错缝拼装方式、刚性管片接头,并避免管片缺陷的产生。盾构隧道失稳是管片衬砌结构强度破坏与整体刚度降低耦合发展的结果。在无管片缺陷、无地层空洞情况下,盾构隧道失稳时的管片衬砌最大单点位移80~140mm,椭圆扁平率2%~5%,可为外径10m级盾构隧道失稳判定提供参考。

基于梁-非线性弹簧模型的盾构隧道双层衬砌结构力学特征研究

随着我国盾构隧道数量的日益增多,越来越多的穿江越洋隧道开始逐步使用双层衬砌。采用经典梁-弹簧理论,考虑管片接头的非线性特征,建立盾构隧道双层衬砌结构抗剪压计算模型,分别对不同二次衬砌弹性模量、不同水压及地层抗力系数条件下的盾构隧道双层衬砌结构的受力及变形特性进行分析,获得上述因素对盾构隧道双层衬砌结构横向力学特性的影响规律。研究结果表明:二次衬砌弹性模量对双层衬砌结构的受力影响相对较小,在一定范围内水压的增大可以在一定程度上改善双层衬砌结构的受力状态,当地层抗力系数小于30 MPa/m时,管片和二次结构受力受地层影响较大,结构受力及变形处于不利状态。

盾构隧道管片上浮力学特性精细化模拟分析

针对盾构隧道施工阶段的管片上浮问题,计算地层抗力系数和管片横向刚度有效率,建立盾构隧道管片上浮三维荷载-结构计算模型,分析上浮荷载作用下管片结构与接头螺栓的力学特性。结果表明:考虑注浆压力时管片均出现上浮,最大上浮量出现于盾尾第6环管片处;管片顶底部和左右两侧的Mises应力均先增大后减小,在上浮荷载作用下管片环呈上下挤压状态;盾尾第6环管片的上浮位移和应力较大,管片左右两侧螺栓的剪应力大于管片顶底部。

盾构掘进过程中防止泥水劈裂的泥水压力设定

泥水盾构掘进过程中,泥水压力是其重要的掘进参数。特别是在过江越海隧道修建过程中,泥水压力设定不当易发生泥水劈裂、喷发到江底引发江水倒灌等工程事故,如Heinenoord第二隧道。为防止泥水劈裂的发生,结合已有研究成果给出了地层劈裂抗力的估算方法、测定原理和现场测定方法。讨论了控制泥水压力、提高隧道上覆土层强度、增加隧道覆土厚度和提高泥水的黏性和比重等防止泥水劈裂的方法,并指出控制泥水压力具有实时、有效和经济的特点。在此基础上,结合工程施工中的一般条件和特殊条件,对泥水压力的设定范围进行了研究。研究结果表明:①一般掘进条件下,使用地层静止土压力作为泥水压力的设定上限是安全的,不会发生泥水劈裂地层现象。②在盾构穿越建筑物等超载条件下,由于局部超载的存在导致其泥水支护压力增加,此时可以运用地层劈裂抗力的余量,适当提高泥水容重和支护压力。③在特殊情况下,如盾构带压换刀等,需要提高泥水压力时,宜使用所提供的现场泥水劈裂仪对地层的劈裂抗力进行精确测定后设定泥水压力上限。

嵌固段顶部拓宽型抗滑桩计算方法

针对边坡工程中可能出现的普通抗滑桩嵌固段顶端前侧地层抗力不足的问题,提出嵌固段顶部拓宽型抗滑桩结构。基于水平受荷的弹性地基梁模型,推导滑床为多层岩土体的嵌固段顶部拓宽型桩的内力、位移、地层反力计算公式。实例分析表明,当桩体局部拓宽宽度为原桩宽度2倍时,嵌固段顶端地层反力可减小约25%,桩体最大弯矩及剪力减少5%~10%。讨论了拓宽宽度与深度、桩体嵌固深度、桩间距等主要因素对拓宽型桩内力与位移的影响,结果显示:普通桩经嵌固段顶部拓宽后,桩身水平位移与嵌固段顶端前侧地层反力显著降低;拓宽宽度与深度、嵌固段深度的增加均能增强拓宽型抗滑桩的水平承载能力,但当拓宽宽度达到原桩2倍、拓宽深度超过嵌固段深度40%后,继续拓宽对桩体水平承载能力的增加效果不显著。

不同型式的双圆盾构衬砌内力分析

采用荷载-结构法计算双圆隧道衬砌结构内力。衬砌结构与周围土体的相互作用通过设置在衬砌全环的外法向链杆来体现。通过程序的迭代计算,合理区分衬砌结构的抗力区、脱离区范围。通过分析可知,左右平行以及上下重叠双圆盾构衬砌结构的抗力区范围明显不同,说明不同型式的衬砌结构与岩土的相互作用关系有很大差异。双圆盾构的中墙所受轴力较大,是整个衬砌结构受力的关键部位。双圆盾构衬砌轴力分布较均匀,且剪力和弯矩值较小,是较为合理的衬砌结构型式。

盾构上跨复合岩土层既有隧道管片力学分析

目前,地铁隧道采用盾构法施工趋于常态化,但传统荷载体系在复合岩土层中盾构隧道上跨既有隧道管片的受力计算中还存在一定局限性。为解决该问题,本研究通过修正惯用法与梁-弹簧模型的优缺点,提出了关于盾构上跨复合岩土层既有隧道管片的荷载体系与计算方法,并依托长沙地铁4号线圭塘站区间隧道工程,采用有限元模型对比分析了梁-弹簧模型与本方法结果。研究结果表明:穿越盾构后,既有隧道竖向位移趋势明显,盾构隧道管片位移引起拱顶与拱底的地层被动抗力不可忽略。梁-弹簧模型夸大了盾构隧道拱底处的主动土压力,未考虑到下部岩层对盾构隧道管片切向变形抑制较弱,且其对切向弹簧的设置不合理。本方法更符合复合岩土层中盾构隧道上跨既有隧道管片的受力情况,该结论可为类似工程提供参考。

软土盾构法隧道管片接头位置的优化研究

盾构法隧道衬砌结构由若干管片通过各种连接件 (如螺栓等 )拼装而成 ,因此相邻管片之间存在接头。本文在讨论接头位置对衬砌结构刚度、周围土层抗力分布形式以及结构本身内力、变形等影响的基础上 ,试图对接头位置的优化提出一些建议 ,以期能给衬砌结构设计提供参考。

矿山法地铁隧道二衬结构安全系数及可靠度计算方法研究

以北京地铁四号线某大断面矿山法隧道为背景,分别应用"初期支护与二次衬砌共同承受全部荷载的计算模式"与"不考虑初期支护承载而由二次衬砌单独承受全部荷载的计算模式"进行隧道截面安全系数和可靠度指标的计算,结果表明:两种承载模式得到的结构最不利截面安全系数均能满足要求,但"二衬结构单独承载模式"得到的最不利截面结构可靠度指标偏低.为确保根据不同承载模式得到的计算结果基本相同,在应用响应面法分析隧道衬砌结构荷载效应的基础上,采用了等效地层弹性抗力系数来表征初期支护对结构承载的贡献,为解决地铁隧道结构设计中由于结构承载模式不同而造成的计算结果差异提供了一个途径.

基床系数取值探讨

基床系数的概念源于文克勒尔的地基模型,它是目前工程界应用最广的一种地基模型。这一问题牵涉面广,各种基床系数之间的数值关系至今都无定论,为此,较普遍的观点是将解决问题的希望寄于现场原位测试,也有不少单位在这方面作了工作。但若能充分利用现有资料,理清各种基床系数之间的内在联系,从较为简单的室内试验入手,在此基础上经过查表反复对比、提出基床系数的建议值,还是较为实用、有效的。

双圆盾构管片结构计算中的一些问题探讨

梁—弹簧模型仅考虑环向接头的转动刚度,纵向分别用径向剪切和环向剪切刚度模拟;同时应用此模型分析了不同的通缝拼装方式,通缝与错缝拼装的区别,以及纵向螺栓、环向螺栓、地层抗力对错缝拼装下结构内力的影响,同时,探讨了水土分算时两种水压力加载方式、拱背土压力的影响以及不同纵向地层抗力对结构的影响。

既有大跨径砌体排水拱涵加固设计方法

建于20世纪的既有城市地下大跨径分离式基础砌体排水拱涵已超出服役期,当鉴定其需要加固时,往往采用整体式高性能混凝土内衬进行,其结构传力方式以及土-结构相互作用将发生变化。以湖南省长沙市红旗渠试验段加固工程为例,研究不同地层弹性抗力系数取值方法,提出了考虑土-结构相互作用的分布弹簧约束的荷载-结构法,并与拱形刚架法、固定无铰拱法和弹性支承无铰拱法的计算结果进行了对比分析,提出了各种计算方法的适用性,对城市地下砌体排水拱涵的设计和加固设计具有借鉴意义。