基坑下方运营隧道卸载回弹的力学机理分析

论文摘要

基坑开挖引起的深层位移场一直是工程的难题,尤其在开挖面下方存在运营地铁等对变形要求严格的建(构)筑物时。由于此类问题涉及土层固结与回弹、围护结构内力与变形、基坑开挖与稳定机理、隧道变形与保护、施工顺序与施工力学、反馈分析与施工控制等诸多问题,是一个集岩土工程与结构工程于一体的系统工程,目前尚无一套较系统的理论。本文以上海高灵敏性软土地区大范围、高比例卸载工程实践为基础,通过理论研究和反馈回归,分析基坑开挖卸载引起下方运营隧道回弹的机理并提出了回弹预测方法。文中引入软硬土体的归一化模型、隧道等效刚度等方法,对运营隧道上方基坑开挖进行了模拟和数值实现,分析了各种因素对运营隧道回弹的影响,并根据信息化反馈数据进行回归分析,总结了影响隧道回弹的主要因素。在此基础上,建立了半近似预测公式,并根据工程监测数据进行了参数修正。本文的主要研究内容及结论如下:1.为控制隧道的回弹,上海软土往往需要大量的土体加固措施。通过建立归一化的土体模型,便于利用有限元进行数值分析。一方面,利用上海典型软土的流变试验结果,采用半经验修正理论来描述软土的非线性流变特性。另一方面,从水泥搅拌加固土的物理力学特性着手,通过关联度分析方法确立了影响水泥搅拌加固土体弹性模量的主要参数;同时对加固土体的试样进行室内实验,得到加固土体的卸载模量。最后,将上海地区主要土层及加固土体采用了归一化的模型,通过选择合适的参数,可以演变为不同土体的流变方程式。2.研究了实现数值模拟中的几个问题。利用ANSYS的二次开发功能,将归一化的土体模型作为用户子程序输入。同时为便于模拟隧道结构刚度,建立了盾构隧道的“等效连续化模型”。该模型利用纵向变形特征相似的均匀连续梁模拟隧道全长或某一区段,梁单元具有与隧道相同的等效刚度。利用ANSYS中材料特性设置各向异性材料,来模拟隧道的纵向、横向刚度。3.有限元分析中调整相关参数进行对比分析,得出以下结论:对隧道回弹影响最大的因素为坑底土体加固,不仅抗拔桩的作用随土体加固强度提高,且土体加固后,原本软土地区对基坑变形有明显影响的施工时间基本对回弹没有太大影响。其他的主要影响因素有分块开挖和基坑底部土体应力释放率。另外,隧道横向刚度要比土体大很多,而纵向刚度又比较小,隧道的回弹对隧道刚度值的变化不敏感。4.采用分离参数法对反馈数据进行回归,即通过对监测数据中的单个因素进行分离,并进行回归分析得出一些结论:在土体加固后,土体变形基本近似弹性变形;隧道的回弹变化与影响距离大致呈抛物线型关系,但可近似为回弹量与距离呈线性关系;隧道的回弹值与开挖宽度呈倒指数关系。5.根据土力学经典理论,结合有限元分析和监测数据回归得到的重要影响因素,建立回弹量的半经验性的近似计算公式。计算中充分考虑了隧道处等效土层模量、开挖性状对卸载应力分布的影响、土体加固对坑底应力释放率的影响。并通过近似公式计算结果与监测数据的比较,对应力释放系数进行了修正。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 立题背景及研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 开挖理论研究现状
• 1.2.2 开挖模型研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 主要创新点
• 第二章 研究实例及数值实现
• 2.1 研究实例
• 2.2 上海土体模型
• 2.2.1 软土非线性流变特性
• 2.2.2 软土非线性流变模型
• 2.2.3 加固土体的本构模型
• 2.2.4 归一化土体模型
• 2.3 隧道刚度的模拟
• 2.3.1 隧道横向刚度的等效模型
• 2.3.2 隧道纵向刚度的等效模型
• 2.4 数值模拟的实现
• 2.4.1 计算程序及计算方法
• 2.4.2 隧道刚度的数值实现
• 2.4.3 土体模型的数值实现
• 2.5 小结
• 第三章 隧道回弹影响因素分析
• 3.1 非线性数值分析
• 3.1.1 非线性流变的基本表达式
• 3.1.2 两次初应变解法
• 3.1.3 地层初始应力
• 3.1.4 屈服准则
• 3.1.5 时间步长的选择和收敛准则
• 3.2 影响因素分析
• 3.2.1 加固效果影响
• 3.2.2 抗拔桩影响
• 3.2.3 开挖分块影响
• 3.2.4 隧道刚度影响
• 3.2.5 坑底应力释放影响
• 3.2.6 时间因素影响
• 3.2.7 主要影响因素
• 3.3 小结
• 第四章 信息反馈与回归分析
• 4.1 工程实施与信息收集
• 4.1.1 工程实施方案
• 4.1.2 工程信息收集
• 4.1.3 各施工工况回弹数值
• 4.2 数值回归分析
• 4.2.1 隧道回弹实测的时间效应
• 4.2.2 隧道回弹与开挖中心距离关系
• 4.2.3 隧道回弹与基坑开挖宽度关系
• 4.2.4 隧道回弹与其他相关因素关系
• 4.3 小结
• 第五章 隧道回弹预测方法
• 5.1 半经验公式
• 5.1.1 回弹公式的推导
• 5.1.2 回弹模量 Er
• 5.1.3 考虑开挖性状的卸载应力分布
• 5.1.4 坑底残余应力
• 5.1.5 回弹影响深度的确定
• 5.1.6 抗拔桩的影响
• 5.1.7 隧道刚度的影响
• 5.1.8 考虑时间效应的回弹
• 5.2 参数修正
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢