基于计算流体动力学的盾构刀盘开挖面土体分析

针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.     

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。     

考虑空间拱效应的筒形墙体主动土压力

以围土为均质无黏性土的筒形挡土墙为研究对象,假定达到主动极限状态时筒形墙体周围土体形成直线型滑移面,取滑移面水平微分单元作为分析单元,考虑墙体与滑移面间形成竖向土拱和环向拱效应.根据水平微分单元的竖直向和径向的受力平衡条件,推导得到考虑墙-土摩擦角、环向应力系数和筒形墙体半径的筒形墙体主动土压力计算基本方程,并与现有理论结果及模型试验结果进行比较.结果表明:考虑空间拱效应的计算结果与模型试验结果吻合较好;土压力沿深度非线性分布,主要表现为沿深度先增大后减小的变化规律;土压力与墙-土摩擦角、墙体半径及环向应力系数有关,土压力随墙-土摩擦角及半径的增大而增大,随环向应力系数的增大而减小.     

基于变形控制的悬臂式支护结构嵌固深度计算方法

随着我国基本建设工程的进一步推进,基坑工程设计理论水平也得到了很大的发展,传统的按承载力设计的方法正逐渐过渡为按变形控制设计.基于提出的考虑位移的非极限状态土压力计算方法,以支护结构的位移为控制变量,通过力矩平衡建立并求解了悬臂式基坑支护结构的抗倾覆稳定控制方程,可获得基于变形控制的悬臂式支护结构临界嵌固深度.根据计算结果,进一步分析了支护结构与土体间外摩擦角、土体内摩擦角、基坑开挖深度以及支护结构控制位移等参数对支护结构临界插入比的影响.研究结果表明：外摩擦角和土体内摩擦角越大,越有利于支护结构的稳定,支护结构的临界插入比越小;传统极限平衡法获得的插入比计算结果偏于不安全,且不安全程度随内摩擦角减小加剧;基坑支护结构的控制位移对临界插入比具有显著影响,控制位移越小临界插入比越大,开挖深度较大时插入比受控制位移影响更明显.     

基于斯潘格勒理论的埋地柔性管道有限元分析

基于斯潘格勒理论,简化了有限元分析中管土间复杂的相互作用.通过最小二乘法确定了有限元建模中的变量参数最大土压,从而建立了呈抛物线分布的水平静土压模型,实现了埋地柔性管线的有限元迭代计算;分析了其埋设深度和土体力学性能对埋地管道的径向与轴向变形的影响,以及地基差异引起的管道沉降问题.结果表明:该方法能合理地反映出土体与结构的相互作用,获得埋地柔性管道的应力、应变等结果,可应用于长距离埋地柔性管道和管件的设计及结构设计.     

碎石桩复合地基桩土应力比的时效分析

对碎石桩复合地基的时效特性进行研究,根据桩体及桩间土体应力随时间的变化规律,考虑碎石桩复合地基中土体径向、竖向双向排水固结的特点,基于线弹性状态下桩体及桩间土体的应力一应变关系,分别给出考虑时效的桩体与桩间土体竖向应力计算方法,进而建立桩土应力比时效计算的双曲线模型,得到考虑时效的桩土应力比计算方法.研究结果表明:碎石桩复合地基桩土应力比随时间呈双曲线变化,其值与不考虑时效时相比可增大1倍,时效非常明显,在具体计算时不容忽视;双曲线时效模型能够有效地模拟碎石桩复合地基桩土应力比的时效规律;利用桩土应力比时效模型对某工程实例进行计算、分析,理论桩土应力比随时间的变化曲线与实测曲线较吻合.     

非对称开挖砂性土基坑刚性支护结构解析解

工程上常用的基坑支护结构设计计算方法无法适用于基坑非对称开挖的情况.针对日渐常见的非对称开挖工程,通过变形控制设计,首先引入考虑位移的非极限状态土压力理论,对作用于支护结构上的土压力进行修正.基于获得的修正土压力模式,在对支护结构进行整体受力分析的基础上,获得了可用于两侧挖深不同的单撑式刚性支护结构设计计算的解析解,并进一步分析了土体内摩擦角、支撑刚度、基坑开挖的非对称程度对支护结构安全最小插入比的影响.结果表明:经典等值梁法由于采用极限状态土压力理论,计算得到的支护结构插入比偏于不安全,且计算结果的不安全程度在土体内摩擦角较小的情况下更为严重;相对于较深侧,较浅侧插入比将对基坑的非对称开挖更加敏感;与仅按单边设计相比,该解析解可以有效节约工程造价.试验实测数据验证表明,该计算方法可用于桩土刚度差异较大情况下基坑两侧挖深不同的单撑式支护结构的设计与计算.     

基于土拱效应的斜插桩板墙受力数值模拟分析

目的研究斜插式桩板墙在不同桩间净距土压力分布情况下受力性能.方法结合实际工程中斜插式桩板墙原型,利用有限元软件ABAQUS建立桩间距分别为250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、450 mm五种斜插桩板墙有限元模型,分析对比了五种模型的桩后水平土压力、板后水平土压力、板后竖向土压力、板后摩擦土拱、桩结构受力、板结构受力等的变化规律.结果同一深度下,桩后土体Y轴方向应力随着桩间净距增大逐渐增大;受到模型桩间土拱、模型板间土拱、土摩擦角的综合影响,板后Y方向土体应力呈非线性分布,且影响程度随板厚土体深度变化;板X轴方向应力随桩间净距增大而增大;板两端X轴方向应力大于板中间X轴方向应力.结论随着桩间距增加,桩后土体Y轴方向应力、桩结构受力、板结构受力均逐渐增大.     

土钉支护加固机理的数值分析

采用摩擦-接触型界面单元模拟钉土界面真实的变形协调情况,建立了基坑开挖土钉支护的数值分析模型,并通过和工程实测对比验证了模型的可靠性.借助动态仿真分析支护系统内力、钉土界面剪应力以及土体应力状态和应力路径随开挖、支护的不断推进而发展变化的全过程,定量揭示了支护系统的加固机理:单根土钉发挥应力分担、扩散以及传递的锚固作用,分别改善土钉头部、中部和尾部土体的应力状态,并提高土体抗剪强度;群钉系统发挥整体加固作用,增加土体刚度;土体强度、刚度增加且应力减小,双重抑制了边坡位移和塑性区的发展.     

临近地下室边墙挡土墙主动土压力解析解

随着工程建设的需要,特别是在临近地下室边墙修筑挡土墙时以半无限土体为基本假设的传统土压力计算公式不再满足需求。针对此类问题,以平面滑裂面为假设,将墙后土体分为上下两个隔离体,采用薄层单元法推导了临近地下室边墙挡土墙主动土压力计算的解析公式。公式考虑了墙土间黏聚力和摩擦角的影响,在特定条件下现行的土压力公式为特解,从而论证了计算方法的正确性。计算得到的黏性土极限破裂角不为定值;随着计算参数的变化而呈现不同的变化特征,因此在土压力求解时须重新计算破裂角。通过算例分析表明:在考虑墙土内聚力和摩擦角情况下,主动土压力明显小于朗肯解和文献解,其结果对实际工程有一定的参考价值。     

墙背粗糙且填土面倾斜情况下的土压力解析解

基于数学方法对斜单元体进行力和力矩的平衡分析,得到了墙背粗糙且填土坡面倾斜情况下的土压力解析解,并进一步分析了墙土之间摩擦角及填土坡面倾角对土压力的影响。对比分析表明,经典朗肯土压力理论可看作是本文解析解在墙背光滑、填土坡面水平情况下的特例。该文中的求解方法还可进一步拓展至探求填土为黏性土情况下挡土墙上土压力的解析解。     

复杂条件下黏性土主动土压力解析解`

为求得复杂条件下黏性土平面破坏土楔下的主动土压力系数,基于极限平衡理论及Coulomb土压力理论,考虑了挡土墙倾角、填土摩擦角、填土黏聚力、挡土墙背与土界面摩擦角和黏着力、黏性填土表面坡角、黏性土表面裂缝深度对黏性土主动土压力的影响,通过推导得出了以黏性土质量分量、超载分量、黏聚力分量主动土压力系数所表示的黏性土主动土压力计算公式。在特定条件下,本文解与经典的Rankine和Coulomb土压力理论计算结果一致,有较高精度,且既适用于黏性土,也适用于砂土,可应用于实际工程。     

平动模式下挡土墙非极限主动土压力研究

针对平动模式下的挡土墙,同时考虑墙后滑裂部分土体所产生的土拱效应以及土层间的剪应力,并引入墙体位移量与土体内外摩擦角非线性的函数关系,利用水平层分析法,得到了平动模式下挡土墙非极限主动土压力强度、合力大小、合力作用点高度的理论公式。相比其他方法,本文理论值与试验值吻合得更好。参数敏感性分析结果表明：土压力强度随位移比、内摩擦角增大而减小,随外摩擦角(墙土摩擦角)的增大,其值在墙体上部略微增大,下部明显减小;土压力合力系数随位移比、内外摩擦角增大而减小;土压力合力作用点高度随外摩擦角的增大而增大,而位移比与內摩擦角对其影响甚微。     

考虑剪应力作用的有限土体被动土压力分析

以挡土墙后有限范围砂土为研究对象,建立挡土墙位移与内、外摩擦角的关系,假定墙后土体为圆弧形拱,并考虑层间剪应力,采用多道滑裂面假设下得到的破裂面角与被动土压力系数,推导了有限土体的被动土压力解,该公式也可退化为半无限土体的被动土压力解. 与模型试验相比,所提理论解与试验值吻合较好,证明了解析解的合理性. 参数分析表明：考虑层间剪应力下不影响被动土压力的合力,但会使其合力作用点升高;被动土压力随土体宽高比减小呈现先变化不大后急剧增加的趋势;被动土压力合力随内摩擦角增加呈单增趋势,而合力作用点则随之降低.     

沉井下沉时土压力和侧壁摩阻力分析

基于极限平衡状态和平面滑裂面假定,推导出单一非黏性土层中沉井下沉时的土压力和侧壁摩阻力计算公式,采用等效内摩擦角和等效自重应力的方法将其推广至成层黏性土层中,并与某工程实测数据进行了对比分析.结果表明,沉井土压力和侧壁摩阻力随着土体内摩擦角的增大而减少,随着土体与沉井壁的外摩擦角的增大而增大;滑裂面的滑裂角随着外摩擦角的增大而增大,随着内摩擦角的增大先减少后增大;理论推导的土压力接近实测土压力,且基本介于主动土压力与静止土压力之间;实际工程中,在预估侧壁摩阻力时,可以考虑12m深度以下保持不变.     

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.     

考虑平动位移效应的黏性填土挡土墙土压力计算

针对平动位移模式下的刚性挡土墙墙后填土为黏性土的情况,研究了考虑平动位移效应的非极限状态土压力计算.对平动模式下未达到极限位移的挡土墙,结合前人提出的考虑位移效应时,墙后填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角之间的关系,用水平层法分析了墙后土楔的受力情况,得到了考虑位移效应的非极限状态的黏性土主(被)动土压力计算公式,通过比较发现,理论公式与实验结果较吻合.     

考虑黏聚力与内摩擦角的变坡面 浅埋偏压隧道围岩压力计算方法

为了研究变坡面浅埋偏压隧道中黏聚力与内摩擦角对围岩压力的影响规律,基于极限平衡法求解变坡面浅埋偏压隧道深、浅埋侧推力,进而推导出变坡面下独立考虑黏聚力与内摩擦角的围岩压力计算方法,通过与规范公式以及既有文献对比分析,验证了文章所提方法的合理性,并探讨了深埋侧水平侧压力系数的影响因素.结果 表明:水平侧压力系数随地面坡角的增加逐渐增大,随夹角(岩土体)的增加呈现先减小后增大的趋势,随黏聚力与内摩擦角的增加逐渐减小.此外,黏聚力的分算有利于考虑环境因素(如降雨)引起的岩土体力学参数(黏聚力)急剧变化带来的不利影响;而内摩擦角对隧道深埋侧水平侧压力系数影响较大,表明将内摩擦角进行分算对围岩压力计算具有重要意义.相关研究成果可为类似变坡面浅埋偏压隧道结构设计提供理论依据.     

支护结构平移时的坑中坑被动区土拱效应分析

坑中坑式基坑由于相关设计规范对一些关键参数的确定缺乏明确规定,有时因为对内坑开挖引起外坑支护结构土压力的变化估计不足而引发一些工程事故;现有研究成果在坑中坑工程的被动区土压力分析中,没有考虑岩土工程中广泛存在的土拱效应,土压力分析不准确。通过合理的假定,对内坑支撑刚度较大且距离外坑支护结构较近的情况下,建立了无黏性土被动土压力力学模型,分析得到了坑间土体在极限应力条件下基于土拱效应的水平土压力系数和主应力旋转角;利用水平分层分析法求解得到了考虑土拱效应的被动土压力分布、合力大小、合力作用点位置等表达式。通过算例与经典土压力理论分析成果比较表明,研究成果能更好地反映实际土压力分布。