软土地层盾构隧道长期沉降与施工因素初探

软土地层中地铁盾构隧道长期沉降与隧道的结构安全和地铁日常运营息息相关,受到工程界的重视。通过收集分析国内外典型软土地区盾构隧道长期沉降实例,指出施工扰动和管片漏水是长期沉降的最主要因素。然后结合苏州地铁的地表沉降监测数据,分析了盾构隧道施工期沉降的主要因素。最后在地铁隧道基底沉降实测数据的基础上,利用常用的数学模型,预测该隧道的长期沉降量。实测数据分析表明:由切口土压力、盾构外壳与地层的摩擦和盾尾注浆引起的施工扰动是引起地铁盾构隧道施工期沉降的主要原因,常用的数学模型能够大致地模拟地铁盾构隧道的长期沉降。     

HSS模型在盾构隧道地表沉降计算中的应用研究

基于国内某盾构过江隧道,分别采用了莫尔-库仑(MC)模型、硬化土(HS)模型和小应变硬化土(HSS)模型3种本构模型建模,对地表沿隧道轴线方向沉降和横断面沉降进行了分析,并将模拟结果与隧道沿线6个监测断面上的现场监测资料进行了对比。通过研究发现,因HSS模型考虑了土的刚度随应变幅值的增大而呈非线性衰减的特性,与实际监测数据吻合度最好,模拟效果也最好,因此在进行盾构隧道数值分析时建议采用HSS模型来模拟隧道的变形。     

基于HSS模型的双线地铁隧道下穿高压燃气管道的影响分析

以北京某地铁盾构施工区间为研究对象,基于土体HSS本构模型,在砂土地层中,利用Plaxis 3D有限元软件,通过模拟结果与监测数据的对比分析,分析了双线隧道地表沉降变形规律以及开挖过程对管道的影响。结果表明,土体HSS本构模型在北京区域比较适用;后线隧道的开挖对先行隧道有较大影响,地表最大沉降出现在先行隧道上方;管道处沉降受双线盾构施工二次扰动的影响较其他部位地表大,施工时应格外关注。     

考虑时间效应边界面模型在地铁工程中的应用

 为了真实刻画地铁移动荷载低振幅、高振次特征,准确计算软土地铁地基在运营期的长期沉降,需要提出能描述低应力水平下土体动蠕变特性的本构模型。据此,基于边界面本构模型,结合Mesri蠕变模型,建立考虑时间效应的边界面本构模型。随后,为了开发ABAQUS材料子程序,采用应力积分算法对本构模型进行推导,借鉴阻止应变法进行算法的优化,可以使计算间隔缩短,总迭代次数增多,更易收敛。采用提出的本构模型和南京软土GDS动三轴试验获得的相关参数进行数值模拟计算,并进行试验对比,验证本构模型的有效性。同时,将开发的本构模型嵌入数值模拟计算中,设置黏弹性人工边界,进行三维地铁有限元数值模拟分析。结果表明：(1) 基于阻止应变法的优化算法可以进行推广使用;(2) 考虑时间效应的边界面本构模型适合描述软土动蠕变特性,能有效预测软土在低振幅地铁移动荷载作用下的累积沉降。研究对理论研究和实际工程具有重要的指导意义。     

盾构施工地面沉降控制要点

近年来,国内各大中型城市地铁施工规模日趋增大,由于地铁盾构施工绝大数是在城市繁华地段进行掘进,地铁盾构法施工势必会对周边建(构)筑物产生沉降影响。因此,对于盾构法施工对周边建(构)筑物沉降的影响分析至关重要。本文针对天津地铁6号线17标一中心医院站~红旗南路站盾构区间施工对地表沉降影响进行监测分析,应用隧道沉降量测控制网进行观测,采集盾构法施工隧道的地表沉降数据。通过沉降数据的统计和分析,结合盾构各阶段施工参数控制,分析得出盾构法隧道地表沉降控制要点。分析结果表明:盾构始发接收阶段端头井加固质量非常重要,直接影响地表沉降量;粉砂和砂质粉土地层施工中控制好土压平衡、同步注浆量控制以及对渣土的改良都是控制地表沉降的重要手段;建立科学合理的隧道沉降量测控制网对于指导施工有着重要意义。     

列车振动荷载作用下隧道周边软黏土长期沉降分析

 以上海地铁9号线三期工程为背景,对隧道周边1.5倍隧道外径范围内土体长期沉降进行现场监测。为分析上海软黏土在列车长期循环动荷载下的变形特征,通过引进考虑长期循环荷载作用效应的控制参数对现有动力循环加载弹塑性本构模型进行改进;采用改进的本构模型分析列车振动、工后固结2种工况下软黏土沉降发展规律。结果表明：通车850 d后,隧道拱底相对于地面的沉降实测值为4.7 mm,计算值为4.6 mm,其中由列车振动引起的沉降为3.1 mm,误差为2.0%,表明改进后的本构模型能够较好地模拟软黏土在列车振动荷载下的累积变形特征;振动荷载下隧道长期沉降符合指数型增长规律;在隧道埋深13.2 m情况下,列车振动引起的隧道拱底相对于地面的沉降经过约8 a趋于稳定,稳定后相对沉降量为4.2 mm。     

深基坑分层开挖对邻近盾构隧道的影响分析

基坑工程的施工经常出现在已建盾构隧道的附近,从而必然使已建隧道产生附加变形。为了研究基坑开挖对邻近已建盾构隧道的影响,通过有限元软件PLAXIS针对某深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响进行了一系列的模拟,土体本构模型采用PLAXIS小应变土体硬化模型。分析表明：基坑开挖将对邻近隧道产生很大的影响,盾构隧道不仅在水平方向会发生较大的位移,而且在竖直方向也会发生一定的沉降且沉降量不能忽视。     

管廊隧道开挖对上覆在建深基坑影响的三维有限元分析

以沈阳某盾构法综合管廊隧道下穿在建盖挖顺做法基坑为工程实例,在对工程实测数据进行分析基础上,利用小应变硬化本构模型进行三维有限元数值模拟研究,分析了盾构隧道下穿在建基坑引发的围护结构位移、水平支撑变形和基坑内既有结构变形。研究表明,利用小应变硬化本构模型可对盾构隧道下穿在建基坑问题进行较好的模拟;盾构隧道下穿基坑将引发围护结构顶部产生差异沉降;基坑内已施工完成的结构和水平支撑将发生"两边沉降大,中间沉降小"的上凸型变形;合理设计的立柱可有效控制盾构下穿引发的水平支撑沉降。     

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动,导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动,采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型,研制 800 mm土压平衡式模型盾构机,该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构,能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能,以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测,分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态,同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明,土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响,地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60%以上,且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20%～30%,沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形,数值上试验实测值较理论计算值要小。     

盾构隧道扩挖修建地铁车站对周边建筑影响分析

以北京地铁盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站为背景,采用有限元模型,研究了盾构扩挖修建地铁车站对地表及周边环境的影响,研究表明,小导洞开挖和主洞开挖对地表沉降影响最大;车站扩挖施工对建(构)筑物的影响程度受到相对位置关系、建筑物与土体相对刚度等控制,现场监测和数值分析表明,打设隔离锚杆桩是临近建(构)筑物施工中控制建(构)筑物沉降变形的有效方法。     

基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型

结构性和蠕变性对软土工程性质具有双重影响,有必要建立一种模型能够准确描述扰动带来结构性逐步破损的过程并同时反映软土蠕变特性对地基变形的影响。引入扰动状态概念,选取三元件广义Kelvin模型描述相对完整状态,3DEVP模型描述完全调整状态,扰动函数采用经验表达式,建立了一个基于扰动状态概念的结构性软土蠕变模型。从宏观试验结果和微观结构变化分析,说明扰动模型可以很好地描述在应力作用下软土结构性在蠕变过程中逐渐衰减的过程。模型中的参数都可通过等向压缩蠕变试验与三轴蠕变试验获取。通过黄石地区的结构性软土的三轴固结不排水蠕变试验数据对模型进行检验,结果表明该模型能较好描述结构性软土的蠕变特性。     

宁波地区淤泥质黏土的三轴蠕变模型

以宁波地区淤泥质土的三轴蠕变试验为基础,总结并改进了Singh-Mitchell的蠕变模型,建立了适用于描述不同剪应力水平下的土体三轴蠕变模型。通过对比分析模型计算结果与试验结果,验证了该模型在描述不同剪应力水平下土体蠕变关系的适用性。该模型可为宁波地区基坑施工土体位移及其对周边环境影响的时效分析提供依据,对于同类软土的蠕变模型建立具有一定的参考价值。     

滨海软土非线性蠕变特性的试验研究

 合理描述滨海软土的蠕变规律对于软土地区各类建(构)筑物的长期稳定性和运行安全性是十分重要的。利用单向固结仪和改进的直剪蠕变仪,开展不同加荷方式下滨海软土的蠕变试验,获得应变与应力和时间的关系,分析其蠕变性状的结构性效应和影响因素,建立相应的蠕变模型。试验结果表明,天津滨海软土具有明显的非线性蠕变特性,其蠕变变形演化特征受其结构性制约和影响。在低应力水平条件下,软土蠕变量非常低,双对数应变–时间关系曲线存在明显的转折点;在高应力水平条件下,蠕变速率较高且产生很大的瞬时蠕变量;实施预压荷载作用不仅降低了软土最终的蠕变量,同时也影响到主、次固结的分界特性。采用修正的对数型表达式能较好地拟合滨海软土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变阶段。滨海软土的剪切蠕变变形在低应力水平下呈现出折线特性,而高应力条件下可近似为线性特性,其剪切模量随时间呈现减小趋势,随应力呈现先增大后减小的趋势,而黏滞系数随时间和应力呈现线性增大趋势。     

锚–土界面剪切蠕变试验及其经验模型研究

为了研究土层灌浆锚杆锚–土界面剪切蠕变特性,提出了一种新颖的锚–土界面蠕变试验方法,并设计制作了相应的试验装置。通过分级加载蠕变试验,得到了锚–土界面剪切蠕变曲线,采用"陈氏加载法"将分级加载曲线转化为分别加载曲线。分析试验结果发现,锚–土界面衰减蠕变阶段的位移–应力关系采用幂函数、位移–时间关系采用改进双曲线函数拟合效果最好。由此建立了适合锚–土界面衰减蠕变阶段的经验蠕变模型,该模型可更好地拟合并预测衰减蠕变曲线。同时,在该衰减蠕变模型基础上,引入Kachanov损伤因子考虑加速蠕变损伤,建立了适合锚–土界面加速蠕变阶段的加速(损伤)蠕变模型。     

基于RBF神经网络的红黏土–锚固体界面蠕变模型

红黏土–锚固体界面蠕变特性是评价锚固红土边坡长期稳定性的关键。为进一步研究红黏土–锚固体界面剪切蠕变特性,利用自制的土–锚界面剪切蠕变性能测试系统展开蠕变试验。通过分级加载方式,获得了不同应力水平下的界面剪切蠕变全过程曲线,并利用"陈氏加载法"将蠕变全过程曲线转换成为分别加载曲线。选用部分应力水平下的蠕变试验结果作为学习样本,通过对样本有监督地学习,建立了红黏土–锚固体界面剪切蠕变的RBF神经网络模型,并将所建模型对未参与建模的蠕变试验结果进行预测。结果表明模型具有良好的拟合和预测性能。     

软土工程中的非线性流变分析

根据岩土材料的室内蠕变试验结果，提出了一种理论模型和用于数值分析的计算公式，并对上海地铁一深基坑开挖工程进行有限元分析。计算结果与现场实测资料相当吻合     

电阻率模型理论应用于海相软土蠕变研究

通过试验测试,建立连云港海相软土电阻率结构模型,并尝试应用此模型来定量分析软土蠕变过程中的微结构变化规律,运用所测得的软土电阻率参数预估软土蠕变量。通过电阻率测试结果,研究并推导出海相软土受荷时的蠕变与其微结构之间的内在相关式,并运用电阻率结构综合因子M较好预估蠕变量。将电阻率结构模型理论引入到软土的微结构量化研究,将从根本上克服传统的土结构性研究方法的弊端,大大提高土结构指标测试的可操作性和一致性,为定量描述受荷时软土蠕变过程中的微结构变化规律、预估软土蠕变提供一种新途径、新方法。     

Long-term behavior of GRS retaining walls with marginal backfill soils

The creep of geosynthetics leads to the increase of Geosynthetic-Reinforced Soil (GRS) wall's deformation. More importantly, the influences of creep of geosynthetics are also affected by the creep properties of soils. In this paper, a Finite Element procedure was validated against a model test on the creep response of a clay–geotextile composite. An extensive parametric study was then carried out to investigate the long-term response of 8-meter-high model GRS walls with marginal backfill soils. The influences of backfill creep, reinforcement creep, reinforcement stiffness, reinforcement length and reinforcement spacing were analyzed. A long-term analysis was conducted for 5 years and the results at the end of construction (EOC) and 5 years afterwards were compared. It is found from the analysis that the relative creep rate between geosynthetic reinforcement and backfill soil influenced not only wall deformation but also reinforcement loads and stress states in the soils. The load distribution in backfill soil and reinforcement is the result of battling between their time-dependent properties. Large reinforcement creep can lead to large post-construction deformation and increase in soil stress; on the other hand, large soil creep can induce a significant increase in reinforcement load. It is hence necessary to take into account the relative creep rate of reinforcement and backfill soil in the design of GRS walls. It may not be adequate to consider only the long-term strength of reinforcement, which is the state-of-the-practice at present.     

砂性土的蠕变性质影响试验研究

采用改进的直剪蠕变仪,在相同试验条件下分别测试了不同粒径和含水率的砂试样。试验结果表明：砂性土也具有一定的蠕变性质,其变形随时间的增加而增加,经过一段时间后才能达到稳定,且随砂土颗粒粒径的不同而不同,其中天然砂、粗砂的蠕变现象较其它颗粒的砂明显,同时含水率对砂土的蠕变特性影响不大。试验结果有助于进一步认识砂性土蠕变的特性及其影响因素。     

软粘土路基三轴蠕变特性试验及模型研究

针对软粘土路基累积蠕变沉降变形的特点,开展可塑土、软塑土路基开展三轴固结不排水蠕变试验,确定软粘土路基抗剪强度,得出不同围压下软粘土破坏偏应力,为三轴固结不排水蠕变试验分级加载提供依据。鉴于软粘土非线性蠕变特性比较明显,以围压100 kPa下软粘土的蠕变试验为例,结合最小二乘法的拟合分析,建立了以幂函数为应力-应变关系,以双曲线函数为应变-时间关系的蠕变方程。该蠕变力学模型能够更好地反映和预测竹城公路软土蠕变特性。