隧道開挖過程中的三維土拱效應(yīng)及分析方法研究

土壓力拱效應(yīng)是地下工程開挖圍巖變形與穩(wěn)定性分析的核心問題，也是確定圍巖壓力進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。本項目綜合采用理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬三種研究手段，以隧道和基坑開挖為研究對象，研究土拱效應(yīng)這一核心問題。取得的主要成果：1）在土的應(yīng)力路徑本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，建立土的三維彈黏塑性應(yīng)力路徑本構(gòu)模型，可用于描述土體開挖時變形的時間效應(yīng)；2）通過編寫有限元材料子程序，將應(yīng)力路徑本構(gòu)模型嵌入商業(yè)軟件建立了土體開挖數(shù)值仿真模型；3）研發(fā)設(shè)計了一套隧道開挖模擬試驗裝置，利用試驗數(shù)據(jù)驗證了新建數(shù)值仿真模型，研究了圍巖成拱模式與坍塌模式時土拱發(fā)生、發(fā)展機理和地層變形規(guī)律；4）提出劃分深埋隧道與淺埋隧道的新方法，可較好地反映隧道開挖時圍巖土體變形的宏觀規(guī)律；5）定義了剪脹比的概念，提出了土質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定性的評價方法，給出了臨界剪脹比的確定方法；6）獲得了考慮支護壓力、土體物理力學(xué)參數(shù)的圍巖應(yīng)力和位移解析解，給出了不同支護壓力下洞頂處開挖擾動區(qū)的邊界，提出了臨塑支護壓力的概念，并給出了其解析表達式，獲得了考慮塑性應(yīng)力重分布影響的塑性區(qū)邊界解析解；7）采用彈性理論和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，獲得了隧道無支護穩(wěn)定狀態(tài)時拱頂處豎向位移和圍巖變形壓力公式；8）從不均勻變形、應(yīng)力重分配、應(yīng)力路徑和地表沉降規(guī)律四個方面分析了隧道開挖過程中拱效應(yīng)作用機理，獲得了基坑支護中樁間距、土粘結(jié)力及土的抗剪強度對土拱效應(yīng)的影響規(guī)律。發(fā)表論文14篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄12篇；申請發(fā)明專利1項；獲教育部科技進步一等獎1項(2, 2016)；培養(yǎng)國家優(yōu)青1人、青年長江學(xué)者1名，博士生2名、碩士生7名，其中5人已獲得碩士學(xué)位。研究成果可為城市地下空間的規(guī)劃、建設(shè)提供科學(xué)對策，為城市隧道開挖系統(tǒng)方案的制定、技術(shù)措施的實施提供科學(xué)支撐，為隧道和基坑開挖原理與災(zāi)變控制理論的建立奠定基礎(chǔ)。 2100433B

我國正處在大規(guī)模的城市隧道工程建設(shè)時期，隧道開挖擾動引起圍巖土體的不均勻變形，導(dǎo)致土體中荷載的傳遞路徑發(fā)生偏離，形成土壓力拱。土拱效應(yīng)是隧道圍巖變形與穩(wěn)定性分析的核心問題，也是確定圍巖壓力進行隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。本項目以隧道開挖為研究對象，針對土拱效應(yīng)這一核心問題，以土的應(yīng)力路徑相關(guān)性研究為主線，綜合運用相互作用理論采用數(shù)值模擬、理論分析與模型試驗相結(jié)合的研究手段，研究1)開挖荷載作用下土的力學(xué)特性、本構(gòu)模型及隧道圍巖土壓力拱的形成過程數(shù)值模擬；2)隧道開挖模型試驗與隧道施工現(xiàn)場監(jiān)測；3)隧道圍巖三維土壓力拱效應(yīng)分析方法，包含深埋隧道與淺埋隧道劃分標準及地面沉降模式、圍巖壓力分析模型及其時變演化規(guī)律三個層面的問題。在三維土壓力拱效應(yīng)模擬模型與分析方法方面取得原創(chuàng)性研究成果，成果可為隧道開挖系統(tǒng)方案的制定、技術(shù)措施的實施提供科學(xué)支撐，為隧道開挖原理與災(zāi)變控制理論的建立奠定基礎(chǔ)。

本項目擬通過理論分析、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法研究懸臂式抗滑樁樁間土拱的形成機理和臨界應(yīng)力條件，確定懸臂式抗滑樁三維土拱幾何形狀和厚度，建立樁間滑體三維穩(wěn)定性分析模型，獲得樁繞流阻力的數(shù)學(xué)表達式，給出懸臂式抗滑樁三維土拱穩(wěn)定性的判別標準，綜合研究滑體物理力學(xué)指標、滑坡推力分布形式、樁間距、樁正截面寬度、懸臂高度等要素對三維土拱效應(yīng)的影響，并據(jù)此提出合理樁間距的計算理論與方法，并闡明樁間距與樁間擋板所受荷載之間的關(guān)系。項目研究成果將對安全、經(jīng)濟、合理地設(shè)置抗滑樁的排列間距及進一步完善樁間擋板的設(shè)計理論奠定科學(xué)基礎(chǔ)，對該類型支擋結(jié)構(gòu)及與該類型受力特點相類似的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論發(fā)展均有重要的意義。研究成果在山區(qū)交通土建工程、城鎮(zhèn)深基坑支護工程、庫岸防護工程、地質(zhì)災(zāi)害治理等領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景。 2100433B

《主要內(nèi)容包括大跨度公路隧道施工中若干問題的思考，大跨度公路隧道開挖過程模擬研究，大跨度公路隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的時序分析方法研究，大跨度公路隧道圍巖參數(shù)反分析方法研究，大跨度公路隧道長期穩(wěn)定性分析等。

第一章 緒論

1．1 問題的提出及研究意義

1．1．1 問題的提出

1．1．2 研究意義

1．2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1．2．1 關(guān)于懸臂樁土拱效應(yīng)

1．2．2 關(guān)于嵌固段地基反力研究

1．3 研究的思路和內(nèi)容

1．3．1 研究的思路

1．3．2 主要研究內(nèi)容

第二章 懸臂樁室內(nèi)推樁模型試驗及土拱效應(yīng)研究

2．1 試驗?zāi)康?

2．1．1 樁間的起拱現(xiàn)象

2．1．2 存在的主要問題

2．2 推樁模型試驗設(shè)計

2．2．1 試驗方案

2．2．2 模型箱的設(shè)計加工

2．2．3 模型樁的制作與測試

2．2．4 填料選擇及參數(shù)測定

2．2．5 試驗加載及監(jiān)測設(shè)備

2．2．6 試驗步驟

2．3 懸臂樁監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2．3．1 懸臂樁土拱效應(yīng)的三維分布

2．3．2 懸臂樁與埋入式樁的對比

2．3．3 樁間距對土拱效應(yīng)的影響

2．3．4 不同配比填料的測試結(jié)果

2．4 樁板墻監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2．4．1 試驗方案

2．4．2 測試結(jié)果

2．4．3 總體方案

2．4．4 加載及測試

2．4．5 室內(nèi)模型試驗測試結(jié)果

2．5 懸臂式抗滑樁三維土拱效應(yīng)模擬

2．5．1 懸臂式抗滑樁三維及二維有限元模型建立

2．5．2 水平土拱的縱向分布規(guī)律

2．5．3 土拱效應(yīng)的主要影響因素研究

2．5．4 雙排樁樁間土變形破壞模式及土壓力荷載分布

2．6 土拱的形成機理分析

2．7 本章小結(jié)

第三章 柔性板樁板墻土拱效應(yīng)大型試驗研究

3．1 試驗?zāi)康?

3．1．1 樁板墻的應(yīng)用

3．1．2 樁板墻樁間擋板設(shè)計中存在的主要問題

3．1．3 試驗研究目的

3．2 柔性板樁板墻加固填方工程試驗設(shè)計

3．2．1 試驗方案

3．2．2 模型槽的制作及懸臂樁的施工

3．2．3 擋土板的制作與安裝

3．2．4 滑體材料的選用

3．2．5 監(jiān)測設(shè)備

3．2．6 兩個工況的試驗步驟

3．3 監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3．3．1 擋板位移監(jiān)測結(jié)果

3．3．2 填土內(nèi)部土壓力監(jiān)測結(jié)果

3．3．3 摘板卸荷過程試驗結(jié)果

3．3．4 樁板墻土壓力試驗結(jié)果

3．3．5 擋板布置于樁背側(cè)時墻背土壓力長期監(jiān)測結(jié)果

3．4 本章小結(jié)

第四章 考慮自重應(yīng)力作用的樁間土穩(wěn)定性研究

4．1 引言

4．2 樁間土的穩(wěn)定性分析

4．2．1 土拱強度條件分析

4．2．2 關(guān)于樁周土體應(yīng)力狀態(tài)的探討

4．3 懸臂樁加固切方邊坡

4．3．1 斜坡的初始應(yīng)力場分析

4．3．2 考慮切方卸荷效應(yīng)的樁間土穩(wěn)定性分析

4．3．3 切方邊坡實例分析

4．4 承受滑坡推力時的樁間土整體穩(wěn)定性分析

4．5 本章小結(jié)

第五章 考慮空間效應(yīng)的懸臂樁嵌固段地基反力計算研究

5．1 引言

5．2 懸臂樁嵌固段空間問題的三角級數(shù)解

5．2．1 受力模式的分解

5．2．2 嵌固段樁的側(cè)向地基反力及接觸壓應(yīng)力的計算

5．3 樁身嵌固段地基反力的對比研究

5．3．1 試驗?zāi)康募安襟E

5．3．2 監(jiān)測結(jié)果及對比分析

5．3．3 合理嵌固深度的探討

5．4 本章小結(jié)

第六章 懸臂樁樁間土及嵌固段地基的加固技術(shù)研究

6．1 引言

6．2 逆作法施工時錨桿加固懸臂樁樁間土的數(shù)值分析

6．2．1 分析模型的建立及研究方案

6．2．2 樁間土采用錨桿加固的效果分析

6．2．3 錨桿鉆進深度的影響

6．3 懸臂樁嵌固段地基加固的數(shù)值分析

6．3．1 研究內(nèi)容

6．3．2 模型的建立

6．3．3 結(jié)果分析

6．4 本章小結(jié)

第七章 結(jié)論與展望

7．1 主要結(jié)論

7．2 后續(xù)研究工作的展望

參考文獻 2100433B