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隧道开挖对地面房屋影响的三维数值分析与评估

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岩土工程学报 2015年第S2期37卷 202-209页

作者：邹文浩徐明清华大学土木工程系土木工程安全与耐久教育部重点实验室北京100084 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所北京100081

城市地铁建设需要针对隧道开挖对地面房屋的影响进行合理的评估。采用能够考虑土体小应变刚度特征的本构模型,通过三维数值模拟以计算典型工况下隧道开挖引起的地面不同位置框架结构房屋变形,进而分别采用Burland方法及改进的Boone方法... 详细信息

城市地铁建设需要针对隧道开挖对地面房屋的影响进行合理的评估。采用能够考虑土体小应变刚度特征的本构模型,通过三维数值模拟以计算典型工况下隧道开挖引起的地面不同位置框架结构房屋变形,进而分别采用Burland方法及改进的Boone方法对房屋所受的影响进行评估,并将两种方法的评估结果进行对比。结果表明,采用Burland方法可能会低估框架结构房屋所受的影响,从而导致预测结果偏于不安全。同时,采用改进的Boone方法的预测结果表明,框架结构房屋的损坏很可能出现在地表沉降曲线反弯点附近的位置。

关键词：隧道开挖房屋结构土体变形数值模拟小应变刚度

基于Abaqus生死单元功能的地应力平衡在隧道开挖中的应用

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公路 2023年第1期68卷 432-436页

作者：郝士华王艳璐河北交通职业技术学院路桥工程系石家庄市050091 中铁十七局集团第三工程有限公司石家庄市050081

为探究Abaqus数值模拟隧道开挖地应力平衡过程,以某浅埋隧道为研究对象,采用Abaqus软件建立了隧道开挖支护二维模型,结合生死单元功能和自动地应力平衡法,对具有Tie约束的模型进行了地应力平衡,在此基础上,模拟出隧道地表沉降、拱顶沉... 详细信息

为探究Abaqus数值模拟隧道开挖地应力平衡过程,以某浅埋隧道为研究对象,采用Abaqus软件建立了隧道开挖支护二维模型,结合生死单元功能和自动地应力平衡法,对具有Tie约束的模型进行了地应力平衡,在此基础上,模拟出隧道地表沉降、拱顶沉降和净空收敛位移场,并将模拟结果与实测结果进行了对比。结果表明:地应力平衡效果好,此方法相较于ODB导入法的分步实施有明显优势,还实现了Tie约束与分析步的结合,且数值模拟结果与实测数据吻合良好,该方法可为类似模拟提供参考。

关键词：隧道工程地应力平衡数值模拟隧道开挖生死单元 Tie约束

隧道开挖对有接头地埋管线影响的工程评价方法

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岩土工程学报 2020年第1期42卷 181-187页

作者：周先成俞剑黄茂松同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

隧道开挖产生的土体位移对地埋管线的影响不可避免,不仅会引起管线接头的相对旋转,甚至会造成损坏和泄漏。目前对有接头管线响应的研究方法较为复杂,大多基于数值分析方法,接头力学性质的影响考虑不够全面,已有的设计图表工程应用欠缺... 详细信息

隧道开挖产生的土体位移对地埋管线的影响不可避免,不仅会引起管线接头的相对旋转,甚至会造成损坏和泄漏。目前对有接头管线响应的研究方法较为复杂,大多基于数值分析方法,接头力学性质的影响考虑不够全面,已有的设计图表工程应用欠缺。结合连续管线的理论分析,考虑地层位移沉降曲线、管段刚度及接头刚度等影响因素,建立了有接头管线的工程评价方法,以分析隧道开挖对有接头地埋管线的影响。运用该方法对实际工程案例进行分析,并将计算结果与数值分析结果对比,验证本文方法的可靠性。本工程评价方法可以为实际管线工程安全预评估起到一定的作用。

关键词：隧道开挖有接头管线被动地基模量评价方法

基于应变硬化—软化效应的隧道开挖围岩响应特性研究

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基于应变硬化—软化效应的隧道开挖围岩响应特性研究

作者：陈俊弛中南大学

学位级别：硕士

深埋隧道等地下工程在施工时,深部岩体会受到开挖扰动的影响,由于临界面的出现打破了岩体原有的受力平衡状态,围岩从峰前的塑性硬化状态逐渐转为峰后的塑性软化状态,在此期间表现出诸多非线性力学行为,并对深部岩石地下工程的稳定性产... 详细信息

深埋隧道等地下工程在施工时,深部岩体会受到开挖扰动的影响,由于临界面的出现打破了岩体原有的受力平衡状态,围岩从峰前的塑性硬化状态逐渐转为峰后的塑性软化状态,在此期间表现出诸多非线性力学行为,并对深部岩石地下工程的稳定性产生显著的影响。因此,有必要对岩石的应变硬化和应变软化的力学行为展开相关的研究,为实际的隧道等地下工程开挖与支护提供科学的指导。本文基于已有的花岗岩三轴压缩实验数据,对考虑应变硬化-软化效应的隧道开挖围岩响应进行研究,获得主要研究成果如下:(1)考虑不同围压下岩石达到同一屈服状态时所产生的塑性变形不同,提出了归一化的硬化因子和软化因子,来表征不同的后继屈服应力所处的空间屈服面,进而确保各围压下的同一屈服状态的应力点处于同一屈服面上。基于Mohr-Coulomb屈服准则,获得了不同围压的后继屈服应力在同一屈服面下的黏聚力和内摩擦角值。(2)探讨了黏聚力和内摩擦角关于最大主塑性应变的演化规律,提出了修正后的Guassian函数并将其作为强度参数演化模型。同时,考虑了围压对强度参数的影响,构建了统一形式的强度参数非线性演化模型。此外,将该强度参数演化模型以C++代码的形式内置于FLAC3D数值软件,实现了考虑围压影响的应变硬化-软化本构模型的二次开发。该本构模型能够较好地重现不同围压下花岗岩在后继屈服阶段的非线性力学行为以及能够对不同围压下的花岗岩应力-应变曲线进行预测。(3)基于圆形隧道塑性区径向应力分层模型,推导出了考虑应变硬化-软化和仅考虑应变软化的隧道围岩洞壁径向位移和塑性区半径的理论解析解。结果表明:洞壁径向位移与围岩塑性区半径随着支护强度的增大而减小,在高支护强度下两者计算结果趋于一致。在较小的支护强度下,仅考虑峰后应变软化的围岩弹塑性计算结果相对于考虑硬化-软化影响的计算结果会被低估5%～6%左右,因此可以根据工程实际而选取不同的理论进行计算。(4)基于考虑围压的应变硬化-软化本构模型,对圆形隧道的分步开挖进行了数值模拟实验,其数值模拟结果与考虑硬化-软化过程的圆形隧道弹塑性解析解一致,说明本文基于应变硬化-软化本构模型所进行的数值模拟方法具有一定的可靠性。同时,根据模拟结果得出,15 MPa下的隧道洞壁径向位移整体均小于5 MPa下的洞壁径向位移,且支护力为15MPa的洞壁处径向位移相比于支护力为5MPa的洞壁径向位移减小了21.87%,围岩塑性区半径减小了17.95%,表明不同支护强度下产生的塑性变形不同,而更强的支护力能够限制围岩的塑性区发展。此外,从空间分布来看,隧道围岩洞壁处的塑性破坏区域呈锥形分布,表明随着掌子面的推进,距离掌子面较远处的围岩逐渐发生更大的塑性变形,因此在开挖过程中需要对后方的支护结构进行合理的调整。

关键词：应变硬化-软化本构模型强度参数 FLAC3D 隧道开挖

富水砂层影响下地铁隧道开挖失稳破坏机理及安全隔水层厚度研究

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富水砂层影响下地铁隧道开挖失稳破坏机理及安全隔水层厚度研究

作者：陈昌耀山东建筑大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国国民经济的快速发展,轨道交通事业发展的规模愈来愈大、质量愈来愈高。地铁作为城市轨道交通重要组成部分,因其具有运量大、速度快、运行时间精准、且占用土地少以及不受天气等外部因素影响的优势,能有效缓解城市化进程... 详细信息

近年来,随着我国国民经济的快速发展,轨道交通事业发展的规模愈来愈大、质量愈来愈高。地铁作为城市轨道交通重要组成部分,因其具有运量大、速度快、运行时间精准、且占用土地少以及不受天气等外部因素影响的优势,能有效缓解城市化进程中存在的人口密集、住房短缺、交通拥堵等问题。然而受到施工条件、设计参数和地层条件等因素的影响,地铁隧道不可避免的穿越软弱地层、富水地层和流砂层等复杂的工程地质条件,给施工、建设和运维等方面带来了显著的不利影响。其中,地铁隧道穿越富水地层是较为常见的,开挖过程中极易出现塌方、突水涌泥和地表沉降等工程风险,隧道围岩所面临的稳定性问题十分严峻。而合理确定隧道主体结构与富水砂层之间的安全隔水层厚度,是保证此类隧道安全建设的重要前提。本文以青岛地铁2号线啤-苗区间的富水砂层地铁隧道开挖为研究对象,使用FLAC3D有限差分软件,通过数值模拟对比研究了不同隔水层厚度、富水砂层厚度、地下水位和隔水层土体力学参数等六类因素对富水砂层隧道围岩稳定性的影响。基于灰关联相关理论,分析了不同因素影响下富水砂层中隧道围岩稳定性的敏感性程度。同时基于极限分析理论推导了隔水层安全厚度的解析解,提出了一种富水砂层影响下安全隔水层厚度的预测方法。主要工作内容包括以下三方面:(1)基于FLAC3D有限差分软件,考虑不同隔水层厚度、富水砂层厚度、地下水位和隔水层土体力学参数等六类影响因素,综合设计30组对比方案,开展了富水砂层影响下地铁隧道开挖失稳破坏机理对比研究。研究表明,富水砂层中地铁隧道拱顶是围岩变形破坏的薄弱部位;随着隔水层厚度、隔水层粘聚力和隔水层内摩擦角的增大,顶部围岩变形量及塑性区面积不断减小;而随着富水砂层厚度、隔水层重度增大或地下水位上升,顶部围岩变形量及塑性区面积则不断增大;隔水层厚度和粘聚力是影响富水砂层隧道围岩稳定的关键因素。(2)根据富水砂层影响下地铁隧道围岩变形破坏特征,基于灰关联分析理论,以隧道拱顶沉降量为参考矩阵,分析了影响因素矩阵的灰关联差异。通过计算关联度获得了影响富水砂层隧道围岩稳定性因素的排序:隔水层粘聚力,隔水层厚度,地下水位,隔水层内摩擦角,隔水层重度,富水砂层厚度。结果表明,隔水层粘聚力和隔水层厚度是影响隧道围岩稳定性的关键因素。(3)基于极限分析理论,构造了富水砂层影响下隧道拱顶隔水层范围内土体破裂机制的力学模型,结合虚功率原理推导出隧道安全隔水层厚度理论公式,提出了一种安全隔水层厚度的预测方法,分析得到了不同因素对安全隔水层厚度的影响规律。其中,随着隔水层土体粘聚力、土体重度和隔水层内摩擦角的增加,隧道安全隔水层厚度逐渐减小;随着隧道支护力的逐渐增大,安全隔水层厚度呈现减小的趋势。

关键词：富水砂层隧道开挖围岩稳定性数值模拟灰关联分析安全隔水层厚度

砂土中隧道开挖对邻近桩基竖向影响的简化计算方法

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岩土力学 2015年第S1期36卷 241-246页

作者：靳军伟杨敏邓友生刘晨晖同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 湖北工业大学土木工程与建筑学院湖北武汉430068

基于砂土中隧道开挖引起的土体竖向位移经验公式,分析隧道开挖对邻近桩基础的竖向影响。采用两阶段计算方法,将邻近桩基础视为竖向被动桩,依据砂土中隧道开挖引起地表及地表以下土体产生的沉降槽,考虑桩土相互作用的非线性,得到砂土中... 详细信息

基于砂土中隧道开挖引起的土体竖向位移经验公式,分析隧道开挖对邻近桩基础的竖向影响。采用两阶段计算方法,将邻近桩基础视为竖向被动桩,依据砂土中隧道开挖引起地表及地表以下土体产生的沉降槽,考虑桩土相互作用的非线性,得到砂土中隧道开挖对邻近桩基础轴力影响的简化计算方法,并与土工离心试验结果进行对比,验证了该方法的合理性。在研究过程中,分析了隧道覆盖层厚度、隧道直径、隧道与桩之间的距离、隧道土体损失率、桩长、桩径等因素。研究结果表明,桩身轴力随着覆盖层厚度的增加而减小,随隧道直径和土体损失率的增大而增加;隧道与桩之间距离为2.5倍隧道直径时对轴力的影响最大;随着桩长、桩径的增加,桩身轴力逐渐增加。

关键词：砂土隧道开挖桩-土-隧道相互作用桩基础

基于p–y曲线法分析隧道开挖条件下邻近桩基的水平反应

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岩土工程学报 2012年第11期34卷 2100-2107页

作者：孙庆杨敏汪浩周环宇中国建筑第三工程局有限公司技术中心湖北武汉430070 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

在分析隧道开挖条件下邻近桩基的水平反应时,基于考虑桩土界面非线性的p–y曲线,引入统一极限桩土相互作用力的概念,利用有限差分方法通过迭代求解给出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答。在群桩计算中引入考虑群桩效应的p–因子(... 详细信息

在分析隧道开挖条件下邻近桩基的水平反应时,基于考虑桩土界面非线性的p–y曲线,引入统一极限桩土相互作用力的概念,利用有限差分方法通过迭代求解给出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答。在群桩计算中引入考虑群桩效应的p–因子(fm),从而得到群桩中各单桩的p–y曲线,进而通过有限差分方法求得考虑轴力情况下群桩中各单桩的变形、转角、弯矩和剪力。同时通过已有试验和实测数据对本文方法进行验证分析,结果表明:本文方法与试验与实测结果得到了较好的一致性;分析隧道开挖条件下邻近桩基的水平反应时,群桩中的第一排桩与同位置处的单桩性质相似,后排桩由于群桩效应的存在受到的影响将明显小于前排桩。

关键词：隧道开挖 p–y曲线群桩 p–因子

隧道开挖引起的围岩变形过程及岩体变形模量的反分析

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土木工程学报 1986年第2期19卷 70-80页

作者：王建宇铁研院西南研究所

本文运用“等效初应力”的概念和三单元粘弹模型,讨论了隧道开挖引起的围岩变形过程,并根据隧道开挖过程中所测得的隧道净空变化数据,提出估算围岩变形参数和采用“新奥法”时引起二次支护形变压力的“残余变形”值的“反分析”方法,并... 详细信息

本文运用“等效初应力”的概念和三单元粘弹模型,讨论了隧道开挖引起的围岩变形过程,并根据隧道开挖过程中所测得的隧道净空变化数据,提出估算围岩变形参数和采用“新奥法”时引起二次支护形变压力的“残余变形”值的“反分析”方法,并给出相应的电算程序。

关键词：隧道开挖残余变形二次支护反分析隧洞开挖形变压力山体压力隧道净空净空变化值围岩变形岩体变形模量

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砂砾石地层隧道开挖模拟多尺度分析方法

中国科学：技术科学 2017年第5期47卷 547-558页

作者：杜修力张佩金浏路德春北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分... 详细信息

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分析模型,继而对该分析方法中的3个关键问题,即核心区域与非核心区域的划分,核心区域内关键粒径的确定及土石混合体宏观等效物理力学参数的确定方法进行了探讨.该多尺度分析方法的基本思想是:将砂砾石地层隧道开挖模型划分为核心区域与非核心区域,在核心区域内从细观上考虑土石混合体的分布特征,在非核心区域将土石混合体视为宏观均质材料,在此基础上进行砂砾石地层隧道开挖的宏细观模拟与分析.采用该分析方法对砂砾石地层隧道开挖过程进行了多尺度模拟,从围岩土体变形与围岩压力两个角度,与砂砾石地层隧道开挖细观分析模型及宏观分析模型得到的结果进行了对比,发现本文多尺度分析方法与细观分析模型的结果吻合较好,验证了多尺度分析方法的有效性,且该方法大大减少了计算量与建模工作量,提高了计算效率.

关键词：砂砾石地层隧道开挖多尺度分析土石混合体细观分析