考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响,推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式;其次,通过与其他理论方法及试验结果进行对比,验证了本文方法的合理性;最后,讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明：在其他参数不变时,开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小,与刀土外摩擦角近似呈线性关系;刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响,对开挖面极限支护压力的影响不可忽略;适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性;刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大,在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。     

大直径矩形顶管开挖面极限支护力计算方法

为进一步研究大直径矩形顶管开挖面稳定性,通过建立实际工程地质数值模型,对大直径矩形顶管发生主动极限破坏时开挖面前方土体的破坏区域进行简化;基于破坏模式,改进现有的楔形体计算模型,推导矩形截面主动极限支护压力的计算方法;将该方法得到的极限支护力值与实际工程计算结果进行对比验证合理性,继而进行影响因素敏感性分析。结果表明：提出的梯形楔形体计算模型与数值模拟结果相近,且优于等效截面计算结果,可见本项研究能够为大直径矩形顶管在土层中顶进时的确定合理的支护压力提供依据。     

基于楔形体理论的市政管网超大直径钢顶管施工开挖面极限支护压力研究

针对极限支护压力不足引起的市政管网超大直径钢顶管施工开挖面失稳破坏问题,分析了开挖面失稳破坏的动态过程,改进既有楔形体-棱柱体模型,利用极限平衡法,提出一种市政管网超大直径钢顶管施工开挖面极限支护压力计算方法。以深圳市某超大直径钢顶管工程为背景,研究了极限支护压力与滑裂面倾角、梯形底角的变化规律,并给出了两者的理论建议值;探讨了影响顶管施工开挖面极限支护压力的控制参数。研究结果表明：当支护压力比分别为0.40和0.15时,开挖面分别处于失稳临界状态和失稳极限状态。开挖面破坏模式符合楔形体-梯形体计算模型。开挖面极限破裂角等于43°,最大梯形底角为79.5°。开挖面极限支护压力随着土体内摩擦角和黏聚力的增大而减小,当摩擦角大于27.5°时,开挖面处于稳定状态;随着顶管埋深直径比增大,开挖面极限支护压力逐渐增加,当埋深直径比大于2.2时,极限支护压力趋于稳定。     

三维盾构隧道开挖面极限支护压力数值及理论解

对盾构隧道开挖面稳定性进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了维持开挖面稳定最小极限支护压力随隧道埋深比及土体强度参数的变化特性.将极限支护压力值表示为土体粘聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的三项叠加,并通过数值模拟获得了各影响系数随隧道埋深比及土体内摩擦角的变化规律.利用数值模拟结果对三维楔形体模型进行对比验证,结果表明楔形体模型得到的各影响系数在规律上与数值模拟结果相符,但在数值上,土体重度影响系数与数值模拟结果更接近,而粘聚力和上覆荷载影响系数则存在一定偏差.     

考虑刀盘厚度隧道开挖面极限支护压力的计算

针对目前盾构隧道开挖面支护压力的理论计算模型未考虑刀盘厚度的影响,从而导致计算结果偏小这一问题,在考虑刀盘厚度对开挖面支护压力影响的基础上,对现有的三维楔形体计算模型进行了改进。利用极限平衡分析法计算开挖面极限支护压力,并与数值模拟计算结果进行了对比验证。研究结果表明:当刀盘厚度大于0.5 m时,极限平衡分析法结果与数值模拟计算结果误差在20%以内,而传统理论模型计算结果与数值模拟计算结果误差超过40%。当隧道埋深大于15 m、隧道直径大于8 m时,由极限平衡分析法计算的结果和数值模拟计算的结果误差在10%以内,两结果吻合较好,证明本文在考虑刀盘厚度影响下所建立的三维楔形体计算模型,比传统理论计算模型更合理。     

干砂盾构隧道开挖面主动极限支护压力计算

隧道开挖面支护压力的合理选取是维持开挖面稳定性的重要条件,本文基于筒仓理论与三维楔形体计算模型,假设开挖面破坏区滑动块为一个由部分球体与半圆台组成的弧形楔形体,滑动块上部为半圆柱体.采用Terzaghi松动土压力与Rankine主动土压力计算方法和滑动块受力平衡,推导出干砂条件下开挖面主动极限支护力计算公式.由案例分析可知,该公式计算结果小于魏纲和三维楔形体模型计算结果,且更接近Chambon 离心模型试验结果,并针对计算误差探讨了该计算公式局限性因素.     

考虑土拱效应的盾构隧道开挖面稳定性

在考虑松动土体内的三维土拱效应和开挖土体与刀盘摩擦力的基础上,改进了传统的筒仓楔形体模型计算方法.结果表明:最小土压应力并不是传统方法假设的均匀分布形式,而是近似呈抛物线分布;土的黏聚力、内摩擦角、刀盘与松动土体间的摩擦角以及埋深等物理参数对其最小土压应力均有一定程度的影响;降低刀盘与开挖面土体间的摩擦角可以显著增加开挖面的极限稳定性.通过与模型试验结果和其他计算方法的对比分析,验证了本文计算方法的合理性.     

盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析

盾构穿越复合地层尤其是上软下硬地层时, 开挖面失稳形式多样、受力机理复杂, 由于开挖面失稳而导致的工程灾害时有发生. 依托佛莞城际铁路隧道工程, 构建三维有限元数值模型并引入参数地层复合比对部分楔形体理论进行改进, 分析盾构穿越上软下硬地层时不同地层复合比和软土内摩擦角对开挖面稳定性的影响. 研究结果表明: 盾构开挖面最大变形出现在软土区域中某个特定位置, 与软土比例有关;开挖面位移随着支护压力的减小可分为缓慢增长、急剧增大、失稳破坏三个阶段, 当支护压力比接近极限支护压力比时, 开挖面变形将急剧增大;改进的部分楔形体模型理论解与数值模拟结果相吻合, 该理论具有一定的合理性. 研究成果可为类似地层隧道盾构施工提供一定的理论指导.     

水位波动条件下盾构极限支护压力半解析研究

为研究潮汐作用对盾构隧道开挖的影响,采用有限元软件COMSOL建立三维数值模型,得到水位波动条件下盾构隧道开挖面前的渗流场变化规律,发现粉土地基中的渗流存在幅值衰减与相位滞后现象.将计算所得渗透力应用到"楔形体—棱柱体"极限平衡模型中,计算并分析开挖面极限支护压力在水位波动条件下的变化特征,发现极限支护压力的波动与隧道埋深比、土层性质、边界水位波动等因素相关.随着隧道埋深比的增大和波动周期的减小,极限支护力的幅值衰减与相位滞后更为显著.潮汐作用下的极限支护压力最大值比最高潮位稳态渗流情况要小,支护力的最大值与最高潮位出现的时间不一致.     

浅埋泥水盾构隧道开挖面被动失稳分析

基于杭州沿江运河隧道工程,采用有限差分数值软件FLAC~(3D)对开挖面被动失稳进行研究。根据数值分析中失稳模式提出局部被动失稳二维机动场模型并采用上限分析法推导开挖面极限支护压力。对运河隧道工程进行支护压力上限解分析。研究结果表明:支护压力过大会引起开挖面局部被动失稳,开挖面局部失稳区域底部至隧道拱顶距离与隧道直径的比值主要受覆土厚度的影响,土体摩擦角变化对其影响较小。被动失稳引起开挖面前方地表1.5倍开挖直径范围内隆起。支护压力上限解分析结果与数值计算结果吻合良好,该研究为盾构隧道施工中支护压力上限值确定提供了合理理论依据。     

复合地层泥水盾构开挖面失稳破坏宏微观机理

针对复合地层泥水盾构开挖面稳定性问题,采用试验研究和数值仿真分析相结合的方法,并结合宏观及微观研究手段,对泥水盾构施工过程中周围土体力学特性及地层变位,进行了定量分析,揭示了该地层条件开挖面的失稳破坏模式.在此基础上建立了完善的开挖面稳定性三维解析方法,主要得到以下结论:对于常见上软下硬复合地层情况,低应力水平条件下泥浆的渗入能在一定程度上提高土体的强度,减缓侧向变形的发展,因此,有效泥浆支护压力宜控制在较小的区间取值,且不宜过大,并应充分利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定;上软下硬复合地层中开挖面失稳破坏模式与砂性土地层的失稳破坏模式相似,即表现为开挖面前方为楔形体,破坏区域顶部为烟囱状,最大沉降量发生在开挖面前方顶部附近.     

高塑性土蠕变破坏的新模型

提出一个新的表征高塑性土蠕变破坏的模型。基于常规三轴试验得到土的归一化特征曲线和三轴蠕变试验得到n值应力水平曲线后,可以预测任何应力水平下的蠕变破坏时间;并得出如下结论:土体存在一条归一化特征曲线来表征其直到峰值应力前的应力应变行为,该曲线能辅助确认蠕变试验中的峰值应力和临界应变;模型在双对数轴上是一条直线,其斜率为n值;且不同应力水平下n值基本相同,n值可被认为是土的黏土指标;任何应力水平下土体都可能蠕变破坏,只是所需的时间长短不同,土体蠕变破坏的依据是蠕变累积应变超过临界应变。     

基于透明土材料的扩底楔形桩中性点位置测定

扩底楔形桩由于其桩身截面倒楔形结构,可以有效降低负摩阻力对基桩的影响,但是倒楔形面和扩大头的存在对中性点位置的影响却尚不清楚。为了分析扩底楔形桩中纵向截面形式（倒楔形面和扩大头）变化对基桩中性点位置的影响规律;基于透明土材料和数字图像处理PIV（Particle Image Velocimetry）技术,采用非插入式测试方法开展地面堆载作用下扩底楔形桩的中性点位置测定模型试验,测得不同地面堆载等级作用下桩体沉降与桩周土体沉降等变化规律,探讨桩-土相对位移和中性点位置随地面荷载等级的变化规律;同时进行了负摩阻力作用下等截面桩中性点位置测定透明土模型试验作为对比分析。研究结果表明,利用透明土材料来研究扩底楔形桩中性点位置的试验方法在技术上是可行的;本文试验条件下,由于倒楔形面和扩大头的存在,扩底楔形桩的中性点位置明显较常规等截面桩低。     

有限土体主动土压力计算方法探讨

基于库伦理论的平面滑裂面假设及极限平衡理论,假定有限土体水平,支护结构垂直,再依据有限土体的宽度b₀(支护结构与已有建筑的距离)与三角滑动楔体之间的宽度b之间的相对关系推导了改进的主动土压力计算公式.分析外摩擦角和支护结构与土体之间的黏着力对滑动土体破裂角以及主动土压力的影响,并提出广义主动土压力系数观点.通过算例对比,结果表明本次提出的计算公式更接近实际,考虑外摩擦角和黏着力的作用有利于节约成本.     

应力路径对重塑黏土有效抗剪强度参数的影响

为探讨应力路径对黏土有效抗剪强度参数的影响,即临界状态线的惟一性问题,在确保试样的初始状态、应力历史、排水条件、加荷速率、试验仪器、破坏取值标准均一致的前提下,进行了常规三轴压缩与等p三轴压缩应力路径下同种重塑黏土的固结排水剪切试验.得到了两种应力路径下的有效抗剪强度参数和临界状态线参数,试验结果证实不同应力路径下重塑黏土有效抗剪强度参数有较大差别,临界状态线不惟一.定性分析表明:相对于常规三轴压缩路径,重塑黏土在等p三轴压缩路径下具有较低、有效内摩擦角的原因是剪切过程中围压的降低造成侧向卸荷引起的土体抗剪能力下降;产生凝聚力的原因是在排水剪切过程中存在超固结效应.     

江西重塑红黏土动特性研究

本文以江西东乡县重塑红黏土为研究对象,在不同物态和应力状态下进行室内动三轴试验研究。主要研究在不同含水率和固结围压条件下,红黏土破坏动应力-破坏振次关系、动粘聚力和动内摩擦角、动应变-动弹性模量关系以及阻尼比的变化规律。试验结果表明：相同破坏振次条件下,高固结围压和低含水率能提高土破坏时的动强度。土的动粘聚力和动内摩擦角随着土样含水率的增加线性递减。红黏土动弹性模量随着轴向动应变的增加而减小,同时动弹性模量的减小幅度也越来越小,最后趋于平缓。相同轴向动应变条件下,高固结围压和低含水率土样的动弹性模量更大。拟合后的红黏土动本构关系符合Kondner双曲线模型。同时红黏土的阻尼比随着固结围压和含水率的增大而增大。     

黏性土挡土墙土拱效应的研究

为了研究黏性土挡土墙中滑裂面倾角变化对土拱效应的影响,在假定土拱形状为圆弧的基础上推导了考虑滑裂面倾角变化时侧向土压力系数的计算公式,推导出考虑土拱效应的张拉裂缝公式;并基于土楔形力学模型,得到了滑裂面倾角公式,以及考虑滑裂面倾角变化的竖向平均应力计算公式. 本文提出的计算方法不仅考虑了土拱效应,同时也考虑了考虑滑裂面倾角变化对挡土墙土压力的影响,因而更符合实际情况.