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波流耦合影响下分层海床隧道周围砂土渗流孔压及液化分析

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岩土工程学报 2024年第4期46卷 683-693页

作者：张治国陈金芃朱正国 pan y t 孙苗苗上海理工大学环境与建筑学院上海200093 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 国家海洋局北海预报中心山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室山东青岛266061 新加坡国立大学土木与环境工程系新加坡119077 浙大城市学院土木工程系浙江杭州310015 城市基础设施智能化浙江省工程研究中心浙江杭州310015

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑波浪与海流共同作用对隧道的影响。此外,既有理论一般将海床视为均质且各向同性工况,忽略了实际情况下分... 详细信息

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑波浪与海流共同作用对隧道的影响。此外,既有理论一般将海床视为均质且各向同性工况,忽略了实际情况下分层海床的影响。首先,基于波流共同作用下的海床表面的动力边界条件,采用传递-反射矩阵法得到波流共同作用下自由分层海床的孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了波流共同作用下分层海床中隧道周围砂土的渗流压力响应及液化判定解答。最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对海床渗透性和隧道衬砌渗透性进行了影响因素分析。结果表明:海流顺流会增大海床中的孔压和液化程度,逆流会减小海床中的孔压并抑制海床的液化,且流速相同时海床对逆流响应的相对差异总体上也大于顺流;当分层海床上层渗透系数较大时(k+s>1×10^(-2)m/s),海床整体孔压较大,且第一次分层处孔压变化明显;当隧道衬砌渗透系数较小时(k+l<1×10^(-6)m/s),隧道对超静孔隙水压在海床内传播“阻挡”效应明显。

关键词：海底盾构隧道分层海床波流耦合渗流孔压传递-反射矩阵法

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波浪作用下海底隧道氯离子侵蚀劣化时变分析

岩土工程学报 2023年第7期45卷 1323-1332页

作者：张治国叶铜朱正国 pan y t 吴钟腾上海理工大学环境与建筑学院上海200093 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 国家海洋局北海预报中心山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室山东青岛266061 自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室福建省地质灾害重点实验室福建福州350002 新加坡国立大学土木与环境工程系新加坡119077

浅水区海底隧道处于复杂波动水力环境中,既有理论研究一般只在静水环境中计入氯离子自由扩散对隧道衬砌的侵蚀作用,而较少考虑海洋波浪力对衬砌结构腐蚀的促进作用。首先采用适用于浅水区的Stokes二阶波浪理论确定了海床表面的波浪压力... 详细信息

浅水区海底隧道处于复杂波动水力环境中,既有理论研究一般只在静水环境中计入氯离子自由扩散对隧道衬砌的侵蚀作用,而较少考虑海洋波浪力对衬砌结构腐蚀的促进作用。首先采用适用于浅水区的Stokes二阶波浪理论确定了海床表面的波浪压力,基于Biot固结理论获得了隧道衬砌周围的水压响应;接着利用改进的Fick第二定律同时考虑水压和浓度梯度驱动下的氯离子扩散,并采用指数型强度劣化模型描述服役时间内衬砌混凝土的劣化效应;最后结合波浪作用下衬砌氯离子侵蚀效应进行了海底隧道衬砌承载力计算,并将理论解析解与数值模型和既有的试验结果进行了对比,获得了较好的一致性。结果表明,忽略动态波浪压力对衬砌混凝土中氯离子渗流的促进作用,将低估衬砌混凝土内部的氯离子扩散速度,随着波浪周期增加,衬砌内部氯离子侵蚀入渗的最大深度明显增大;而不考虑衬砌强度劣化效应会明显高估隧道结构的服役寿命,不利于海底隧道服役期间的安全储备。

关键词：海底盾构隧道 Stokes二阶波氯离子侵蚀衬砌劣化时变解析

波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析

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岩土力学 2023年第6期44卷 1557-1574页

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes... 详细信息

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。

关键词：海底盾构隧道含气海床累积孔压渗透力衬砌劣化

隧道-滑坡相互作用影响及控制防护技术研究现状与展望

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岩土力学 2021年第11期42卷 3101-3125页

作者：张治国毛敏东 pan y.t. 赵其华吴钟腾上海理工大学环境与建筑学院上海200093 自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室福建省地质灾害重点实验室福建福州350002 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 新加坡国立大学土木与环境工程系新加坡119077

随着国家山区高速公路与高速铁路建设的快速发展,新建隧道开挖诱发滑坡的地质灾害时有发生,同时既有隧道在滑坡作用下产生的病害也越来越严重,对隧道的施工和运营均造成了较大危害。为了促进高速公路与高速铁路隧道-滑坡体系研究的发展... 详细信息

随着国家山区高速公路与高速铁路建设的快速发展,新建隧道开挖诱发滑坡的地质灾害时有发生,同时既有隧道在滑坡作用下产生的病害也越来越严重,对隧道的施工和运营均造成了较大危害。为了促进高速公路与高速铁路隧道-滑坡体系研究的发展,归纳总结了国内外隧道-滑坡工程领域的学术研究现状、存在问题及发展前景。对隧道-滑坡相对位置关系及变形特征进行系统梳理;从地质调查分析、理论解析、模型试验、数值模拟和监测分析5个方面详尽剖析了隧道-滑坡相互作用影响的研究现状;从滑坡体加固、隧道加固和监控预测技术3个方面对隧道-滑坡相互作用影响的控制防护技术研究进行了全面阐述;指出现有研究中存在的不足和尚需讨论的方面,建议深入开展滑坡土体塑性、非线性接触、地震与降雨多因素耦合作用、离心模型试验的开发与利用、本构模型的适用性及隧道精细化建模等方面的研究,积极优化和创新防护控制措施技术,建立隧道-滑坡之间联动共享的新型监控成套技术体系,以期为隧道-滑坡体系工程领域的学术研究提供新的视角和基础资料。

关键词：隧道滑坡相互作用影响控制防护技术研究综述

Stokes二阶波作用下斜坡海床中盾构隧道周围砂土渗流压力响应分析

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岩土力学 2022年第6期43卷 1635-1659页

作者：张治国叶铜张成平 pan y t 吴钟腾上海理工大学环境与建筑学院上海200093 自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室福建省地质灾害重点实验室福建福州350002 国家海洋局北海预报中心山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室山东青岛266061 北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 新加坡国立大学土木与环境工程系新加坡

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑海底斜坡地形下波浪非线性带来的影响。首先基于斜坡海床表面的动力边界条件,得到Stokes非线性波作用下... 详细信息

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑海底斜坡地形下波浪非线性带来的影响。首先基于斜坡海床表面的动力边界条件,得到Stokes非线性波作用下自由海床的Biot固结孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土体摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了Stokes波作用下斜坡海床中隧道周围砂土的渗流压力响应解答;最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对波浪敏感参数(波长、周期、形态)、海床敏感参数(海床渗透性、剪切模量、饱和度、坡度)及隧道敏感参数(衬砌厚度、渗透性、埋深)进行了影响因素分析。结果表明:随着波浪周期及波长增加,衬砌外超静孔压明显增加;随着水深沿斜坡方向减小,Airy波和Stokes波理论在适用范围内(d/L>0.125,d为海水深度,L为波长),获得的波浪压力差异明显增加,前者会低估隧道周围的超静孔隙水压力;当海床渗透系数较大时(k_(s)>1×10^(−2)m/s),波长和海床饱和度的增加会造成衬砌外超静孔压增大,而海床剪切模量、海床坡度及隧道埋深的增加会造成衬砌外超静孔压减小,在坡度较大的斜坡海床中,隧道衬砌外超静孔压呈明显的非对称分布;当海床渗透系数较小时(k_(s)t)t)>1×10^(−4)m/s),隧道周围砂质海床内超静孔压较低;衬砌厚度对衬砌外超静孔压分布影响不显著。

关键词：海底盾构隧道斜坡海床 Stokes波渗流压力镜像法

强降雨影响下盾构隧道开挖面稳定性的三维对数螺旋模型上限解

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岩土力学 2023年第12期44卷 3587-3601,3616页

作者：张治国罗杰朱正国 pan y t 孙苗苗上海理工大学环境与建筑学院上海200093 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 新加坡国立大学土木与环境工程系新加坡119077 浙大城市学院土木工程系浙江杭州310015 城市基础设施智能化浙江省工程研究中心浙江杭州310015

目前针对盾构隧道开挖面稳定性的既有成果,还较少考虑降雨环境和地下水位的影响,尤其是强降雨入渗带来的土工影响。首先,基于分层假定Green-Ampt模型来模拟强降雨入渗过程;其次,在土体抗剪强度理论和有效应力理论的基础上,将修正后的Moh... 详细信息

目前针对盾构隧道开挖面稳定性的既有成果,还较少考虑降雨环境和地下水位的影响,尤其是强降雨入渗带来的土工影响。首先,基于分层假定Green-Ampt模型来模拟强降雨入渗过程;其次,在土体抗剪强度理论和有效应力理论的基础上,将修正后的Mohr-Coulomb准则和Darcy定律结合,推导出与降雨强度和降雨历时相关的分段形式表观黏聚力表达式;然后,基于极限分析上限理论构建三维对数螺旋破坏机制,将表观黏聚力做功引入上限定理的虚功率方程,通过优化计算,得到考虑强降雨入渗和地下水位条件下盾构隧道开挖面支护力的上限解。最后,将上限解析解与三维数值模拟结果及既有试验结果进行对比,得到了较好的一致性。此外,针对降雨强度和地下水位深度等关键参数进行了影响因素分析。结果表明:当降雨强度较小时(F/ks≤1,F为平均降雨强度,ks为饱和渗透系数),隧道开挖面极限支护力随降雨强度的增大而加速增大,随降雨历时的变化不明显,当降雨强度较大时(F/ks>1),极限支护力随降雨强度的增大而缓慢增大,随降雨历时的增加而显著增大;当地下水位深度较小时(Z_(w)/D≤3,Z_(w)为地下水位深度,D为开挖直径),极限支护力随地下水位深度的增加线性减小,当地下水位深度较大时(Z_(w)/D>3),其变化速率逐渐减小,最后趋于平稳。

关键词：强降雨盾构隧道开挖面 Green-Ampt模型三维对数螺旋上限定理

降雨影响下基坑开挖施工对邻近基桩变形响应分析

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岩土力学 2023年第S1期44卷 27-49页

作者：张治国毛敏东王卫东 pan y t 吴钟腾上海理工大学环境与建筑学院上海200093 新加坡国立大学土木环境工程系新加坡119077 自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室福建省地质灾害重点实验室福建福州350002 华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院上海200002

目前关于基坑开挖对邻近基桩变形响应的简化理论解研究,还较少考虑基坑开挖中支护作用的影响,尤其是没有考虑降雨环境带来的土工影响。基于一种适用于不同降雨工况的分层假定Green-Ampt模型来模拟降雨入渗过程,采用两阶段分析方法,研究... 详细信息

目前关于基坑开挖对邻近基桩变形响应的简化理论解研究,还较少考虑基坑开挖中支护作用的影响,尤其是没有考虑降雨环境带来的土工影响。基于一种适用于不同降雨工况的分层假定Green-Ampt模型来模拟降雨入渗过程,采用两阶段分析方法,研究了降雨影响下基坑开挖与邻近基桩相互作用的问题。首先,考虑基坑开挖土体卸荷、围护结构及支撑结构的影响,采用Mindlin基本解,分析降雨影响下基坑开挖施工导致邻近基桩位置的土体附加应力;然后,基于Pasternak双参数地基模型,探讨基桩与土体之间的相互作用,求得降雨影响下单桩和群桩随降雨历时变化的水平变形响应。通过工程监测数据与理论计算结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,也针对降雨敏感参数(降雨强度、饱和渗透系数、初始含水率、基质吸力)与基桩敏感参数(边界条件、支撑刚度、桩径、开挖深度、桩与基坑间距)进行了影响因素分析。分析结果表明,所提出的理论方法可较好地反映降雨影响下基坑开挖施工对邻近基桩的变形响应;降雨对邻近基桩变形影响显著,降雨参数敏感程度依次为:降雨强度>初始含水率>饱和渗透系数>基质吸力;随着降雨历时的增长,湿润层发展深度不断增大,其发展速率呈现出逐渐衰弱并趋近于土体饱和渗透系数的规律,基坑开挖引起的邻近基桩位移也随之越来越大,其顶部位移变化速率逐渐减小后收敛至某一特定值;支撑刚度和基桩与基坑距离越小,基桩受到降雨历时的影响程度就越大;不同桩径的基桩受到降雨历时的影响程度基本相同;开挖深度越大,基桩受到降雨历时的影响程度就越大。

关键词：降雨 Green-Ampt模型基坑开挖支撑刚度基桩变形响应 Pasternak地基模型

黏性场地列车荷载影响下衬砌半渗透边界盾构隧道诱发地表固结沉降解

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中国公路学报 2022年第5期35卷 116-127页

作者：张治国沈安鑫徐晨马少坤 pan y t 蒋康明上海理工大学环境与建筑学院上海200093 广西大学土木建筑工程学院广西南宁530004 同济大学地下建筑与工程系上海200092 新加坡国立大学土木与环境工程系新加坡119077 自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室福建省地质灾害重点实验室福建福州350002

列车荷载作用下衬砌长期渗漏会显著影响软土盾构隧道周围土体的固结沉降,对邻近环境和地铁的安全运营造成不良影响。针对盾构隧道周围土体固结沉降的既有理论研究一般多考虑衬砌不透水条件,较少考虑衬砌渗漏水及列车荷载耦合作用对于地... 详细信息

列车荷载作用下衬砌长期渗漏会显著影响软土盾构隧道周围土体的固结沉降,对邻近环境和地铁的安全运营造成不良影响。针对盾构隧道周围土体固结沉降的既有理论研究一般多考虑衬砌不透水条件,较少考虑衬砌渗漏水及列车荷载耦合作用对于地层固结沉降的影响。引入隧道衬砌半渗透边界和列车三角形循环时效荷载,基于terzaghi-Rendulic固结理论,采用Boltzmann三元件模型模拟土体流变效应,推导了列车荷载作用下黏弹性地层盾构隧道渗漏水诱发的土体超孔隙水压力消散和地表固结沉降的复变函数解析表达式,并与6个工程实测数据进行对比,验证了所给出解析解的正确性与适用性。此外,通过参数分析讨论了衬砌-土体渗透比和列车荷载参数对土体固结沉降的影响。结果表明:衬砌-土体渗透比是影响盾构扰动地层固结快慢的主要影响因素,衬砌-土体渗透比越大,固结完成时间越早;列车荷载作用下,早期固结沉降速率相较于不考虑列车荷载时会有较明显的增加,但在列车荷载当量增加后,固结沉降速率的增长有所放缓,且其增量与衬砌-土体渗透比密切相关,衬砌-土体渗透比越大,沉降增加量则越大;隧道衬砌可以视为扰动地层的排水边界,其加速了土体固结沉降,而列车荷载与衬砌半渗透性耦合,进一步改变了土体固结沉降形态。

关键词：隧道工程黏性地层渗漏水列车荷载固结沉降复变函数映射

地面堆载作用下黏弹性地层盾构施工诱发土体响应时域解

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岩土工程学报 2021年第1期43卷 34-42页

作者：张治国张洋彬张成平王志伟 pan y t 上海理工大学环境与建筑学院上海200093 中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081 北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 Department of Civil and Environmental Engineering National University of SingaporeSingapore119077

目前针对软土地层盾构施工诱发周围土体变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,较少考虑黏弹性土体的流变特性,也较少考虑地表堆载给盾构隧道施工所带来的影响。从地基黏弹性角度出发,引入隧道洞周的椭圆化收敛变形模式,采用复变函数理... 详细信息

目前针对软土地层盾构施工诱发周围土体变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,较少考虑黏弹性土体的流变特性,也较少考虑地表堆载给盾构隧道施工所带来的影响。从地基黏弹性角度出发,引入隧道洞周的椭圆化收敛变形模式,采用复变函数理论并运用Laplace变换技术,提出了地表堆载作用下盾构隧道开挖引起的周围土体位移和应力的时域解。依托相关工程监测数据与简化时域解对比,得到了较好的一致性。研究结果表明:所得出的时域解能较好地反映地表堆载作用下盾构隧道开挖对周围土体位移场的影响,以及地层变形随时间的发展趋势。在地表堆载影响下,随着时间推移,开挖引起的地层变形不断增加,沉降速率则呈现出逐渐衰弱直至为零规律,而堆载突变导致其地表沉降值尤其沉降速率变化显著。研究成果对黏性地层密集堆载群范围内的隧道施工控制具有一定理论指导意义。

关键词：盾构隧道地表堆载黏弹性椭圆化收敛变形时域解