軟土淺埋隧道變形、滲流及固結(jié)性狀研究.pdf

1、在土體內(nèi)部進行隧道施工，無論隧道埋深大小，其開挖會使開挖面周圍土體因卸荷而發(fā)生變形，造成地表短期沉降；同時，對土體產(chǎn)生的擾動及新邊界條件的形成導(dǎo)致應(yīng)力場和滲流場重分布，土體重新固結(jié)及流變變形，引起整個地層的長期沉降。當(dāng)沉降變形發(fā)展到一定程度，將影響地下管線等設(shè)施的正常使用，甚至危及地面建筑物的安全。因此，如何預(yù)測和控制隧道的地表沉降已成為工程界關(guān)心的重要問題。隨著城市化進程的加快，地鐵、市政管道等隧道工程的建設(shè)在我國蓬勃發(fā)展，而目前薄弱

2、的理論研究還滯后于蓬勃發(fā)展的工程實踐。本文從解析理論和數(shù)值分析兩方面出發(fā)，結(jié)合已有的工程背景，對軟土淺埋隧道工程中滲流、固結(jié)和沉降問題展開系統(tǒng)、深入的研究，以期為工程實踐提供技術(shù)支撐。主要創(chuàng)新工作如下：
　　 1.通過將Sagaseta提出的通用地層變形方式，即考慮徑向收縮、橢圓化變形和豎向位移獨立影響下的隧道周邊復(fù)雜位移邊界條件引入Airy應(yīng)力函數(shù)，推導(dǎo)了淺埋隧道周邊土體變形計算公式，并提出適用于正常固結(jié)土的簡化計算方法。在此

3、基礎(chǔ)上分析了隧道徑向收縮、橢圓化變形和豎向位移對土體變形的影響及其規(guī)律，并通過與四個隧道工程實測數(shù)據(jù)的對比，對公式中各參數(shù)取值的合理性進行了探討，同時給出了預(yù)估隧道沉降的推薦參數(shù)值。
　　 2.通過引入以隧道邊界徑向收縮、橢圓化變形和豎向位移表示的隧道周邊復(fù)雜位移邊界條件，并將該邊界條件轉(zhuǎn)化為映射后的復(fù)平面邊界條件，利用復(fù)變函數(shù)解法，給出了盾構(gòu)隧道任意襯砌變形復(fù)變函數(shù)的精確解答。進而通過數(shù)值分析，對所提出的復(fù)變函數(shù)求解方法進行驗

4、證，并結(jié)合本文已給出的應(yīng)力函數(shù)解答，分析了兩種不同解析理論及數(shù)值分析所得結(jié)果的差異。
　　 3.對考慮襯砌和土體滲透特性的半無限空間中隧洞周邊滲流問題進行了研究。采用土體與襯砌分算，分別得到了兩者滲流方程，在此基礎(chǔ)上利用邊界條件和流量連續(xù)條件，給出了半無限含水層中帶襯砌隧洞滲流問題的復(fù)變函數(shù)解析解。進而通過數(shù)值分析對該復(fù)變函數(shù)解進行了驗證，并分析了隧道徑深比、土體與襯砌滲透系數(shù)相對值、內(nèi)壁水壓力等因素對滲流量和襯砌周邊水頭的影響

5、及其規(guī)律。
　　 4.根據(jù)四元件流變模型和Terzaghi-Rendulic固結(jié)理論，建立了襯砌透水與封閉條件下的超靜孔隙水壓力的控制方程，并得到了處于飽和粘彈性土體中隧道的超靜孔隙水壓力解析解，由此可確定求解域中任意點任意時刻的超靜孔隙水壓力。
　　 5.以上海地鐵二號線工程為研究背景，利用通用有限元程序Abaqus，考慮隧道施工和運營的多工況的特點，對盾構(gòu)隧道的長期沉降進行了數(shù)值分析。程序中選用prony級數(shù)擬合的四