基于柱孔收缩理论的含气土盾构施工引起地表沉降研究

依托杭州地铁塘青线盾构穿越含气地层的实际工程,对柱孔收缩理论进行修正,首次提出基于柱孔收缩理论的含气地层盾构施工引起地表沉降理论计算公式,并结合实际工程参数,分析隧道埋深、开挖半径、基质吸力等因素对含气地层盾构施工引起地表沉降的影响。研究表明:柱孔收缩理论计算结果与实测数据较为吻合,能较好地反映出含气地层盾构掘进引起的地表沉降特征;与饱和土工程不同,双线盾构穿越含气地层时,先行线引起的地表沉降更大;含气土等非饱和土中基质吸力通过改变土体内摩擦角和黏聚力进而影响土体特性,但较之于土体黏聚力,土体内摩擦角的变化对盾构穿越含气地层引起地表沉降的影响更大。

考虑不同中主应力影响的柱孔卸荷缩孔效应分析

为得到考虑不同程度中主应力影响的柱孔卸荷缩孔解析解,对柱孔开挖卸荷过程中一定卸荷程度下的缩孔和塑性变形进行量化预测,采用统一强度理论(unified strength theory,UST)并引入卸荷因子和缩孔系数,推导得到无量纲化的柱孔卸荷缩孔近似解.对比不考虑中主应力影响的大应变解,给出中间主应力影响系数对孔周位移和应力的分布以及土体刚度、黏聚力、摩擦角对卸荷缩孔的具体影响,结果表明:中间主应力影响参数b越大,卸荷缩孔效应越小,其本质是b的增大使初始屈服卸荷压力降低,推迟外围峰值环向应力的出现,有助于减小孔周塑性区;b对孔周径向位移和环向应力的影响不可忽略,而孔周径向应力受其影响较小;土体刚度对卸荷缩孔关系的影响很大,刚度越大,中间主应力对卸荷缩孔的影响越小.根据无量纲化的卸荷缩孔解析解,可对某指定卸荷程度的柱孔孔径变化进行更合理的定量预测,用于指导隧道支护和开挖、桩基开挖卸荷后的承载特性以及钻井稳定性分析的具体实践.

考虑黏土结构性影响的柱孔卸荷收缩问题解析及数值验证

圆孔收缩理论是岩土开挖问题的主要分析方法之一,然而已有研究中大多未考虑土体的结构性影响。为此,采用结构性参数和结构损伤速率分别表征土体结构性强弱和损伤快慢,基于S-CLAY1S模型求解了不排水条件下各向异性天然结构性黏土中的圆柱孔卸荷收缩问题。首先推导了反映应力-应变关系的弹塑性刚度矩阵,进而联立硬化法则和塑性区大变形理论,得到了关于有效应力分量、各向异性分量和结构性参数的微分方程组,并结合边界条件进行了求解;同时编写了S-CLAY1S模型的显式积分算法,通过相应的有限元数值解验证了理论解的正确性。结果表明:土体结构性对圆孔卸荷收缩过程影响显著,结构损伤使得孔周有效应力减小和超孔隙水压力增大,该现象随着土体结构性增强变得更为明显;土体抗剪强度随其结构破坏而降低,土体表现出应变软化特征,分析认为是缩孔过程中土体结构破坏引起的应力释放所致。参数分析表明结构损伤速率越大,缩孔过程中土体结构损伤效应的影响越显著。研究结果可为隧道围岩压力计算、竖井收缩变形预估以及钻孔泥浆护壁压力预测等提供理论依据。

考虑井帮收敛的深井冻结壁塑性设计研究

合理的冻结壁设计是冻结法成功的前提。为了研究井帮位移收敛量对冻结壁厚度设计的影响,采用柱形孔收缩理论,推导出塑性冻结壁和弹塑性未冻地层力学模型的应力、位移完全形式解,建立冻结壁厚度塑性计算公式;采用两种计算公式和数值模拟方法研究工程案例,并验证新公式的正确性;分析了水平地压、冻土的黏聚力与内摩擦角、未冻土的弹性模量与泊松比、未冻土的黏聚力与内摩擦角等参数对井帮变形和冻结壁厚度的影响规律。结果表明:对于完全塑性冻结壁、弹性地层力学模型,考虑井帮位移收敛影响与否,800 m深处冻结壁厚度相差约8.6%,井帮变形量约0.17;在预测千米表土立井井帮变形方面,新计算式具有一定的理论意义与实用价值。