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盾尾注浆材料硬化特性对隧道和地层力学响应影响的有限元模拟研究

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北京工业大学学报 2024年第6期50卷 711-723页

作者：路德春刘竹根林庆涛孔凡超杜修力北京工业大学岩土与地下工程研究所北京100124 清华大学土木工程系北京100084

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施... 详细信息

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施工精细化的有限元数值仿真模型,并利用实测地层沉降和隧道衬砌的收敛变形验证了数值模型的合理性。同时,对注浆材料初凝时间分别为0、2、6、12 h的数值模型进行了计算,获得了地层和隧道衬砌受力变形随注浆材料硬化过程的发展规律,以及注浆材料硬化特性对地层和隧道衬砌受力变形的影响规律。模拟结果表明:盾尾注浆8 h以内,地层的沉降和水平位移以及隧道衬砌的围岩压力和内力增加显著,注浆时间超过8 h后增加变得缓慢;注浆材料的初凝时间越长,地表沉降、地层水平位移和竖向位移则越大;衬砌拱顶和拱腰的径向收敛越大,拱底径向收敛则越小;衬砌的轴力和弯矩在注浆8 h以内增加显著。

关键词：盾构施工盾尾注浆硬化过程注浆压力消散有限元数值模拟地层变形衬砌力学响应

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盾构隧道衬砌变形中接头转动影响分析

哈尔滨工业大学学报 2023年第2期55卷 70-79页

作者：李昊黄昕张子新同济大学地下建筑与工程系上海200092 岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学) 上海200092

为研究盾构隧道衬砌收敛变形中纵缝接头的影响,引入接头转动引起的收敛变形占衬砌总收敛变形的比值作为纵缝接头对衬砌变形影响的评价指标。基于接头初始装配角以及接头间的几何递推关系,提出一种用于计算盾构隧道纵缝接头转动产生收敛... 详细信息

为研究盾构隧道衬砌收敛变形中纵缝接头的影响,引入接头转动引起的收敛变形占衬砌总收敛变形的比值作为纵缝接头对衬砌变形影响的评价指标。基于接头初始装配角以及接头间的几何递推关系,提出一种用于计算盾构隧道纵缝接头转动产生收敛变形量的简易算法。首先,通过与多尺度混合分析结果对比验证所提出简易算法的有效性。然后,应用该方法对足尺管片试验结果以及三维精细化数值模拟结果中通/错缝拼装、接头位置、衬砌纵向力大小、重复加卸荷等因素对纵缝接头在隧道收敛变形影响的变化规律开展研究。结果表明:通缝拼装下,接头转动引起的收敛变形在管片总变形中占主导地位,而错缝拼装可以显著降低纵缝接头在衬砌收敛变形中的影响;接头越靠近弯矩最大处,接头转动对整体收敛变形的影响越大;纵向力的增加提高了管片的整体性,故接头转动引起的收敛变形占比随着纵向力的增加而减小;加荷后卸荷,由于管片自身弹性变形可恢复而接头转动无法恢复,卸荷阶段纵缝接头的影响增大。上述研究结果可为实际工程中的管片结构设计及隧道健康状态评价提供参考依据。

关键词：盾构隧道纵缝接头收敛变形接头转动

常吸力下非饱和土柱孔扩张弹塑性解及饱和度响应

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哈尔滨工业大学学报 2022年第8期54卷 59-69页

作者：李镜培魏国伟刘耕云岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学) 上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

为研究非饱和土中常吸力条件下圆孔扩张的应力-应变特性及饱和度响应,基于非饱和土临界状态模型(UCSM)和考虑水力滞回的土水特征曲线(SWCC),引入常吸力下饱和度随孔隙比非线性变化模型,推导非饱和土中柱孔扩张问题的排水半解析解。根据... 详细信息

为研究非饱和土中常吸力条件下圆孔扩张的应力-应变特性及饱和度响应,基于非饱和土临界状态模型(UCSM)和考虑水力滞回的土水特征曲线(SWCC),引入常吸力下饱和度随孔隙比非线性变化模型,推导非饱和土中柱孔扩张问题的排水半解析解。根据柱孔周围土单元平衡微分方程,考虑边界条件,引入辅助坐标将问题转化为以3个主应力分量、孔隙比和饱和度为基本未知量的一阶微分方程组进行求解。本解答充分考虑基质吸力和超固结比对柱孔扩张响应的影响,探究扩张过程中柱孔周围土体的应力分布和体积变化,以及扩张过程中饱和度的演化规律。结果表明:非饱和土常吸力柱孔扩张过程中,呈现吸力硬化特性,且吸力硬化特性随着吸力增大而趋于稳定;孔壁及周围土体饱和度在扩张过程中变化显著,且受吸力大小的影响较大;当吸力较低时,饱和度主要受含水量变化的影响;当吸力较高时,饱和度主要受孔隙比变化的影响。本文的解答可以很好地捕捉非饱和土体不同应力历史和水力状态下的饱和度响应,可为非饱和土中静力触探试验等原位试验的解释提供指导。

关键词：非饱和土柱孔扩张吸力饱和度弹塑性解

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应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响

岩石力学与工程学报 2005年第A02期24卷 5779-5783页

作者：高彦斌汪中为同济大学地下建筑与工程系南京工业大学地下工程系江苏南京210009

由于流变特性的影响,饱和粘土的不排水抗剪强度与加载速率有关。应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响程度通常采用应变率参数(应变速率增长10倍下不排水抗剪强度的增长率)来反映。国外大量的试验结果表明这个参数为8%～20%,而大部分在12... 详细信息

由于流变特性的影响,饱和粘土的不排水抗剪强度与加载速率有关。应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响程度通常采用应变率参数(应变速率增长10倍下不排水抗剪强度的增长率)来反映。国外大量的试验结果表明这个参数为8%～20%,而大部分在12%左右,并且超固结比、固结状态、试验类型对应变率参数ρ的影响并不明显。介绍了一个用来研究应变率参数ρ的各向异性弹粘塑性本构模型,在这个本构模型的基础上推导得出了应变率参数ρ的理论表达式。实际上,只要是采用滞后变形理论构建的流变本构模型,都可以推导得出这个公式。这个公式从理论上证明了应变率参数与固结状态、试验类型的无关性。众多试验结果表明,对于大多数粘土,压缩指数与次压缩指数的比值大都为0.03～0.05,代入公式中ρ的计算结果为7.2%～12.2%。试验中所得到的高达20%的数值与灵敏性土在结构破损明显阶段所具有较高的压缩指数与次压缩指数的比值有关。计算结果与一些试验结果的对比表明了这个表达式的可靠性。

关键词：土力学流变应变速率不排水抗剪强度

软硬互层反倾岩质边坡稳定性影响因素分析及破坏模式研究

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工程地质学报 2023年第5期31卷 1680-1688页

作者：霍逸康石振明郑鸿超黄达同济大学地下建筑与工程系中国上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室中国上海200092 河北工业大学土木与交通学院中国天津300401

反倾边坡破坏会诱发严重的地质灾害,因此对软硬互层反倾岩质边坡的稳定性及破坏模式进行研究具有重要的意义。本文基于数值模拟的方法,利用离散元UDEC软件,首先基于正交试验设计法,考虑了边坡坡角、岩层倾角、坡高、相邻软硬岩层总厚度... 详细信息

反倾边坡破坏会诱发严重的地质灾害,因此对软硬互层反倾岩质边坡的稳定性及破坏模式进行研究具有重要的意义。本文基于数值模拟的方法,利用离散元UDEC软件,首先基于正交试验设计法,考虑了边坡坡角、岩层倾角、坡高、相邻软硬岩层总厚度、硬软岩层厚度比、硬软岩层力学参数序号比、结构面力学参数7个因素的影响,设计了32组正交试验,利用强度折减法对边坡的稳定性及可能的破坏模式进行模拟,并从边坡稳定系数和位移两个方面对计算结果进行敏感性分析。结果表明,边坡坡角和岩层倾角对稳定系数影响较大,结构面力学参数和坡高对边坡位移影响较大;然后对边坡的破坏模式进行归纳总结,将软硬互层反倾边坡的破坏模式分为弯曲倾倒破坏、坍塌滑动破坏和块体倾倒破坏3种类型,并对每种破坏类型的边坡特征进行详细分析。

关键词：反倾边坡软硬互层数值模拟 UDEC 正交试验

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暴雨气候下砂土边坡植被护坡模型试验研究

哈尔滨工业大学学报 2021年第5期53卷 123-133页

作者：宋享桦谭勇张生杰同济大学地下建筑与工程系上海200092 岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学) 上海200092

为探究植被护坡固土机理,首先进行“裸露边坡”和“植被边坡”的室内模型暴雨对比试验,进一步对3种速生草本植物的护坡稳定性进行对比分析,结果表明:在植物生长过程中,生长曲线基本呈“S”型,根系深度约为植被地面高度的1.7~2.1倍;在相... 详细信息

为探究植被护坡固土机理,首先进行“裸露边坡”和“植被边坡”的室内模型暴雨对比试验,进一步对3种速生草本植物的护坡稳定性进行对比分析,结果表明:在植物生长过程中,生长曲线基本呈“S”型,根系深度约为植被地面高度的1.7~2.1倍;在相同降雨条件下植被护坡的持续稳定状态时间是裸露边坡的2倍多,并且裸露砂土边坡发生整体破坏时具有突发性、直线型的特点;在3种植物护坡试验中,根系的几何形态较为重要.其中,狗牙根(倒三角型根系)边坡的整体稳定性效果最好,其次是四季青(均匀型根系)边坡,高羊茅(锥形根系)边坡的稳定性效果最弱.植物的根系,在生长中可以分泌大量黏胶物质将周围细小的砂土颗粒黏接起来,众多根系相互缠绕形成根网,并在边坡表面可形成近22 cm厚的根-土复合体保护层结构,起到了明显的浅层固土加筋作用.此外,当降雨导致坑内积水时,四季青边坡的均匀型根系可以有效防止砂土边坡发生流塑性破坏,对于探索新型仿生支护工艺具有一定的启发性.

关键词：暴雨气候室内降雨试验植物边坡根系结构稳定性机理分析

土石混合体地层中基坑开挖对邻近既有隧道影响

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哈尔滨工业大学学报 2021年第11期53卷 46-58页

作者：杨波谭勇同济大学地下建筑与工程系上海200092 岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学) 上海200092

为解决土石混合体地层中基坑开挖引起的隧道响应问题,基于离散单元法采用数值模拟手段进行研究。采用颗粒流数值计算软件PFC2D对土石混合体微观结构、隧道管片结构及基坑围护结构进行精细化建模及施工过程模拟,并针对隧道位于基坑开挖... 详细信息

为解决土石混合体地层中基坑开挖引起的隧道响应问题,基于离散单元法采用数值模拟手段进行研究。采用颗粒流数值计算软件PFC2D对土石混合体微观结构、隧道管片结构及基坑围护结构进行精细化建模及施工过程模拟,并针对隧道位于基坑开挖引起的主动土压力区及被动土压力区两类位置条件下,地层含石率w对基坑开挖引起的隧道结构响应影响规律进行系统性研究。结果表明:隧道位于基坑开挖主动土压力区时,量值大于60%前提下的含石率提升导致隧道周围逐渐形成具备较好抗剪性能的连续块石骨架体,从而抑制侧面开挖引起的隧道结构响应。隧道位于基坑开挖被动土压力区时,量值小于75%前提下的含石率的提升对上方开挖引起的隧道结构响应起到抑制作用;含石率大于75%时,含石率的提升无法为上方开挖引起的隧道结构响应提供抑制作用。

关键词：隧道基坑开挖土石混合体含石率

考虑不同中主应力影响的柱孔卸荷缩孔效应分析

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哈尔滨工业大学学报 2020年第11期52卷 63-70页

作者：赵春风王有宝吴悦费逸龚昕岩土与地下工程教育部重点实验室(同济大学) 上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

为得到考虑不同程度中主应力影响的柱孔卸荷缩孔解析解,对柱孔开挖卸荷过程中一定卸荷程度下的缩孔和塑性变形进行量化预测,采用统一强度理论(unified strength theory,UST)并引入卸荷因子和缩孔系数,推导得到无量纲化的柱孔卸荷缩孔近... 详细信息

为得到考虑不同程度中主应力影响的柱孔卸荷缩孔解析解,对柱孔开挖卸荷过程中一定卸荷程度下的缩孔和塑性变形进行量化预测,采用统一强度理论(unified strength theory,UST)并引入卸荷因子和缩孔系数,推导得到无量纲化的柱孔卸荷缩孔近似解.对比不考虑中主应力影响的大应变解,给出中间主应力影响系数对孔周位移和应力的分布以及土体刚度、黏聚力、摩擦角对卸荷缩孔的具体影响,结果表明:中间主应力影响参数b越大,卸荷缩孔效应越小,其本质是b的增大使初始屈服卸荷压力降低,推迟外围峰值环向应力的出现,有助于减小孔周塑性区;b对孔周径向位移和环向应力的影响不可忽略,而孔周径向应力受其影响较小;土体刚度对卸荷缩孔关系的影响很大,刚度越大,中间主应力对卸荷缩孔的影响越小.根据无量纲化的卸荷缩孔解析解,可对某指定卸荷程度的柱孔孔径变化进行更合理的定量预测,用于指导隧道支护和开挖、桩基开挖卸荷后的承载特性以及钻井稳定性分析的具体实践.

关键词：统一强度理论柱孔收缩卸荷中间主应力土体刚度

高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法

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哈尔滨工业大学学报 2021年第11期53卷 37-45页

作者：高广运张继严谢伟徐晨晓同济大学地下建筑与工程系上海200092 岩土及地下工程教育部重点实验室(同济大学) 上海200092

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论... 详细信息

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论计算得到的位移作为试探位移,经摩尔-库伦屈服准则判定屈服后,引入切线刚度迭代法、后向欧拉积分算法和一致切线模量算法实现刚度矩阵的更新迭代,从而求解出高铁运行引起的塑性变形。在此基础上,将轨道视为Eular梁,采用修正的多频列车荷载模拟高铁列车运行,并使用黏弹性人工边界处理截断边界,建立高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元验证模型。通过与移动点荷载弹性半空间解析解和地面振动实测结果进行对比,验证本文弹塑性地基2.5维有限元法理论的正确性及模型应用的可靠性,表明该方法可用于高效求解高铁运行引起的地面振动及累积变形问题。

关键词：弹塑性地基 2.5维有限元法修正高铁荷载振动变形