砂土地层水下盾构隧道开挖面被动破坏数值模拟

基于Mohr-Coulomb强度准则和不相关联的流动法则,采用Abaqus模拟砂土地层水下盾构隧道开挖面被动破坏,分析埋深比C/D、地层上覆水位高度H、砂土内摩擦角φ对地表位移的影响,并探讨开挖面前方土体破坏模式。结果表明:标准开挖面支护压力与C/D、H和砂土φ均呈正相关关系;地表位移受C/D变化影响较大,C/D由0.8增大到1.5,最大纵向和横向位移值分别减小80%和86%;静水压力仅会限制横向地表位移的发展,对纵向地表位移的影响较小;C/D较小时,被动破坏模式呈现延伸至地表的倒棱台形,属于整体破坏;C/D增大至4.3时,土拱无法达到地表,属于局部破坏。

砂土地层盾构隧道开挖面被动破坏极限支护力研究

盾构掘进时推力过大极易造成地表隆起,导致开挖面前方土体被动破坏。基于莫尔–库仑屈服准则,采用大型有限元软件ABAQUS对砂土中盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,得到开挖面的被动破坏支护力并揭示开挖面的被动破坏模式。进而,将传统的三维楔形体极限平衡模型中的棱柱体修正为具有一定倾角的倒棱台,使其破坏区域更为接近真实的土体隆起区域。推导开挖面被动极限支护力关于楔形体倾角的表达式,并通过试算,找出最小的支护力值即为被动破坏支护力。采用修正后的极限平衡模型得到的被动支护力与数值计算结果吻合良好,并且都较好的落在E.Leca等计算的上下限范围内。该模型为盾构隧道施工中确定支护力的上限值提供参考。

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下:1)目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究;2)受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验;3)离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。

饱和砂土挡墙被动破坏超孔隙水压力试验研究

通过自制饱和砂土挡墙模型箱,对于不同挡墙位移模式和位移大小,测试了不同相对密度饱和砂土挡墙被动破坏过程中超孔隙水压力,揭示了饱和砂土挡墙后砂土破坏机理。对深入研究土与挡墙共同作用具有理论价值,对更加合理设计挡墙、控制稳定具有指导意义。

黏土盾构隧道开挖面被动破坏研究

盾构隧道施工中控制合理的开挖面支护压力是维持开挖面稳定安全的关键。为了研究黏土盾构隧道开挖面被动破坏的机理,通过采用考虑分段掘进和开挖卸荷引起土体强度折减的模拟方法分析黏土隧道开挖面由于支护压力过大引起的前部土体被动破坏模式、塑性区发展及相应地层位移,并探究隧道埋深、直径、土体性质等因素对开挖面被动极限支护压力的影响规律,结合离心模型试验确定开挖面被动极限支护压力合理控制范围。结果表明:(1)当开挖面支护压力逐步增大时,前部土体受挤压呈现铲形位移破坏模式,同时由于冲切作用在开挖面周围形成环状塑性区,开挖面前部纵向土体位移随着到开挖面距离的增加总体呈现先增大后减小至稳定的趋势,深层断面横向土体位移则近似符合正态分布曲线形式;(2)埋深和直径增大会不同程度地引起极限支护压力增大,土体性质对被动极限支护压力影响的敏感程度依次为弹性模量、内摩擦角、泊松比和黏聚力,建议被动极限支护压力控制范围为1~1.9倍的静止土压力。研究成果可供黏土盾构隧道施工控制参考。

浅覆地层盾构开挖面被动破坏极限支护力及破坏模式研究

浅覆地层盾构掘进时支护力过大极易导致开挖面前方土体发生被动破坏,造成地表隆起。基于筒仓理论,通过优化传统三维楔形体模型,建立楔形块+倒棱台的土体被动破坏三维计算模型(修正三维楔形体模型),并推导被动极限支护力计算公式;对不同埋深下滑动破裂角β分析研究;采用有限元分析软件MIDAS-GTS对盾构隧道开挖面的被动破坏进行模拟,揭示被动破坏支护力变化规律及破坏模式。结果表明:本文研究计算模型更符合开挖面土体被动破坏模式;通过对破裂角β分析,解析土体被动破坏时其最优解30°左右;在浅覆盾构开挖面中,揭示S/(γD)受土体内摩擦角φ、埋深比K的影响,文中S/(γD)随内摩擦角φ的增大呈非线性增加,埋深比K越大,其幅度越明显;破坏模式分析中,K越小,土体位移变形对S/(γD)越敏感,越容易发生开挖面被动破坏;发生被动破坏时,土体纵向位移变形大于横向位移变形。

朝上盾构开挖面被动失稳极限支护力研究

朝上掘进盾构法施工时开挖面压力控制不当会导致开挖面前方土体发生失稳破坏。对已有模型试验的结果进行分析,建立了朝上掘进盾构隧道开挖面上方土体破坏区的力学模型,基于极限平衡法推导出被动破坏模式下的开挖面极限支护力计算公式,研究了倒圆台体模型高度以及侧面与水平面的夹角对极限支护力的影响。研究结果表明,朝上掘进盾构开挖面上方土体的被动破坏模式呈现三维倒圆台体形态,极限支护力的大小随开挖面上覆土层的厚度增大而增加;当倒圆台体模型侧面与水平面的夹角在一定范围内变化时,极限支护力的大小随夹角的增大而减小,在实际工程中,如遇开挖面上层覆土厚度过小以及倒圆台模型侧面与水平面夹角过大的情况,土体极限支护力变小,易发生失稳。因此,为保证开挖面的稳定性,需要重点关注开挖面上层覆土厚度过小以及倒圆台模型侧面与水平面夹角过大带来的影响。

曲线盾构隧道开挖面被动极限支护力分析

研究目的:曲线盾构隧道在掘进过程中,开挖面受力极其复杂,稳定性难以控制,容易因千斤顶推力过大而造成前方土体的隆起现象。本文以砂土地层为例,基于筒仓理论和极限平衡法,建立曲线盾构隧道开挖面在前方土体被动破坏条件下的"倒梯台-楔形棱柱体"分析模型,提出开挖面被动破坏极限支护力计算方法,然后通过编程试算和数值模拟验证本文所述模型及计算方法的可靠性与准确性。研究结论:(1)被动极限支护力随埋深和内摩擦角的增加而增大,且增长速率逐渐加快;(2)当线路曲率半径小于200 m且土体内摩擦角大于25'时,被动极限支护力对线路曲率半径非常敏感,当线路曲率半径大于800 m时被动极限支护力与直线隧道几无差别;(3)数值模拟结果显示,数值解与理论解变化趋势一致且相差较小;(4)本研究结果可为类似曲线盾构隧道,尤其是小转弯半径盾构隧道开挖面被动极限支护力的确定提供理论基础。

刚性挡土墙后三维被动滑裂面的模型试验

针对无黏性土体,采用模型试验的方法,研究平移模式下刚性挡土墙后被动破坏滑裂面的空间形态。自主设计一种模型试验装置,重复开展6次试验,通过记录挡土墙后土体中预埋脆性玻璃条断裂的空间坐标,复原土体发生滑动的位置,绘制出挡土墙后滑裂面的三维形态图。试验结果表明:挡土墙后滑裂面具有明显的三维效应;挡土墙宽度内滑裂面纵向高度呈先缓慢增高后近似直线增高的曲面,初始破裂角度为9°,平均破裂角为26°,朗肯土压力理论的破裂角为28°;最大纵向破裂面长度为1.8倍挡土墙高度,与经典土压力理论的平面假定基本一致;滑裂面均有一定的横向扩展,主平面投影以初始扩散角约45°的斜线往外扩展,距离挡土墙最远处是宽度为0.7倍挡土墙宽度的水平线,斜线与水平线之间以半径为挡土墙宽度的圆弧过渡连接。研究结果为分析土体被动破坏的滑裂面空间形态提供了试验依据。

浅埋顶管沉井周边土体的三维破坏形状及沉降研究

为研究顶管沉井及周边土体在顶进力作用下的形变范围与大小,以加固旋喷桩作为沉井周围加固体建立ABAQUS软件计算模型,并将模拟结果与工程实例、PLAXIS 3D软件所得结果进行对比分析。同时,采用广州地区花岗岩残积土进行室内沉井模型试验,并通过试验结果对数值模拟结论进行验证,得出结论如下:1)在开挖基坑前达到设计强度的旋喷桩能有效减小基坑周边土体塌陷变形、坑底隆起。2)在施加工作顶推力下,前侧主动区首先出现贯通裂缝,竖向位移斜率增大出现明显拐点;继续增大顶推力,土体位移会急剧增大导致地表沉降严重。3)对于后背土体,在顶推力作用下,地表破裂线的切线角度从0°逐渐增大至45°+φ/2,导致破裂范围也不断扩大;达到45°+φ/2处后,继续施加顶推力会导致短轴方向破坏范围扩大的速度较长轴方向的速度更快;三维空间中被动区破坏土体在地表处产生形状为椭圆的破坏面,椭圆长轴方向为顶推轴线方向,被动破坏体呈现为牛角状椭圆楔体。

区域洪灾风险评价体系研究

针对国内外区域洪灾风险评价缺少系统规范体系现状,基于洪灾生命损失评价、经济损失评价,构建起以洪灾损失为核心的动态实用性的区域洪灾风险评价体系,实现由控制洪水向洪水管理转变。给出耦合致灾因子、孕灾环境、承灾体的区域洪灾风险定义,探讨了基于洪水分析、易损性分析、损失分析的区域洪灾风险评价流程图。针对区域洪灾风险评价不确定性,从被动破坏损失、主动防御减灾角度提出系统量化的区域洪灾损失经济评价指标,结合研究体系应用实际,给出区域洪灾风险评价体系的进一步完善策略。

洪灾风险评价体系研究

洪灾风险评价是进行御洪管理、防灾减灾的基础。针对国内外洪灾风险评价缺少系统规范体系现状,在洪灾生命损失评价、经济损失评价的基础上,构建起以洪灾损失为核心的动态实用性洪灾风险评价体系。给出耦合致灾因子、孕灾环境、承灾体的洪灾风险定义,探讨了基于洪水分析、易损性分析、损失分析的洪灾风险评价流程图。针对洪灾风险评价不确定性,从被动破坏损失、主动防御减灾角度提出系统量化的洪灾损失经济评价指标,结合研究体系应用实际,给出洪灾风险评价体系的进一步完善策略。

土力学与基础工程教学演示仪器的研制和应用

针对土力学和基础工程中许多较为抽象的原理和现象,阐述了研制土力学与基础工程教学演示仪器的目的和意义。然后以土体主动和被动破坏演示仪为例,介绍了教学演示仪器的研制与实践过程,包括该仪器构造、功能、主动破坏及被动破坏模式的模拟方法,简要介绍了浙江大学已研制成功的其他6套土力学与基础工程教学演示仪器。

非线性破坏准则下浅埋隧道掌子面三维被动稳定性能耗分析改进方法

通过引入圆锥椭圆截交线计算公式,改进浅埋隧道掌子面三维被动破坏多椭圆锥体几何参数的计算方法。基于非线性破坏准则和极限分析上限法,推导浅埋隧道掌子面三维被动支护力的上限表达式,并进一步采用非线性规划程序优化计算获得了极限支护力最优上限解。通过对比分析,验证本文方法的可靠性;同时分析非线性抗剪强度参数对被动破坏极限支护力和破坏模式的影响,并绘制相应的破坏模式图。研究表明:被动破坏极限支护力与地面超载σ_s及地层容重γ大致呈线性变化,而与非线性参数m、量纲一化的参数c_0/σ_t及超负荷比C/D呈非线性变化;非线性参数m、量纲一化的参数c_0/σ_t和超负荷比C/D对破坏模式影响显著,而地面超载σ_s对破坏模式影响则较小。研究成果为隧道掌子面稳定性分析提供一种新思路,进一步完善了隧道掌子面稳定性评价体系。

基于Hoek-Brown强度准则的浅埋隧道掌子面稳定性分析

为了研究浅埋掌子面被动模式下的稳定性,构建浅埋隧道的二维被动破坏模式,被动破坏模式由有限个刚性平动多块体组成。将孔隙水压力视为外力进行做功,基于极限分析理论利用Hoek-Brown强度准则研究浅埋隧道掌子面被动破坏模式下的稳定性。通过虚功率原理推导得到浅埋隧道被动破坏模式下的极限支护力的目标函数,采用非线性规划求解函数得到其上限解。将本文方法和既有文献中的方法得到的结果进行比较,极限支护力的上限解随参数的变化趋势一致,误差范围最大仅为4.03%。研究分析了不同参数条件下浅埋隧道掌子面极限支护力的变化规律,结果表明:随着孔隙水压力系数ru和扰动因子D的增大,浅埋隧道掌子面的被动破坏机制下的极限支护力和被动破坏范围呈现逐渐增大的趋势,而随着GSI和参数mi的增大而减小;孔隙水压力对隧道的稳定性有着显著的不利影响。该方法可为浅埋隧道掌子面的被动破坏机制下支护力的设计优化提供参考。