滨海地区轨道交通地下工程水土压力试验与理论研究

发布时间：2017-11-03 11:42

  本文关键词：滨海地区轨道交通地下工程水土压力试验与理论研究

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【摘要】：伴随着城市化进程的加速,滨海地区城市开始大规模城市轨道交通建设,以解决城市交通拥堵问题。轨道交通地铁车站狭长基坑的被动土压力问题和水位波动条件下过江盾构隧道的开挖面极限支护压力问题是伴随着滨海城市轨道交通建设而产生的新课题。本文针对上述问题通过模型试验、数值和解析手段分别进行了研究,主要工作和结论如下：1、利用研制的土压力试验模型装置,进行了一组不同填土宽度的刚性挡墙平动模式室内模型试验,采用微型土压力盒量测从静止状态到被动极限状态的水平土压力分布的变化,利用颗粒图像测速技术研究土体内滑裂面发展规律。试验结果表明,半无限土体情况下的被动土压力大小、分布和合力作用点与库伦被动土压力较为接近。而有限宽度情况下移动挡墙上各深度的被动土压力值均大于库伦被动土压力,且土体宽度越窄,挡墙的被动极限位移有增大趋势,挡墙下部的被动土压力增大更明显,土压力分布的非线性程度愈高,被动土压力系数越大,被动土压力合力作用点明显往墙底移动。随着填土宽度的减小,填土表面的隆起愈明显,滑裂面的倾角略有增大。当移动挡墙达到或接近极限状态时,固定边界上的水平土压力随填土宽度的减小而逐渐增大,甚至接近库伦被动土压力。2、采用COMSOL建模分析了水位波动条件下盾构开挖面附近地基中的孔压响应。数值计算结果表明：在渗透系数较大的砂性土地基中开挖水下盾构隧道时,水位波动在地基中的传播不存在相位滞后现象,在渗透系数较小的粉土地基中开挖水下盾构隧道时,水位波动的传播存在较为明显的相位滞后和幅值衰减现象；盾构隧道中轴线处压力水头沿开挖面前方水平距离的分布为“负指数”函数分布；隧道竖向对称面处开挖面前方距开挖面较近时压力水头和总水头沿深度分布表现为非线性分布；分析讨论了上覆土层厚度、下卧土层厚度、水深、隧道直径、渗透系数、边界波动幅值和边界波动周期等因素对水平渗透力的影响。3、采用经典的“楔形体—棱柱体”极限平衡模型,结合COMSOL水位波动下渗流计算,研究了考虑水位波动的盾构隧道开挖面极限支护压力,并应用于杭州庆春路过江隧道工程实例分析。研究结果表明,粉土地基中开挖面有效极限支护压力随着时间呈现周期性波动,且存在相位滞后现象；水平渗透力是构成有效支护压力的最主要部分；分析讨论了有效黏聚力、有效内摩擦角、密封舱压力水头、上覆土层厚度和隧道直径等因素对有效极限支护压力的影响。4、建立水位波动条件下砂性土地基中盾构开挖孔压响应简化分析模型,利用Laplace变换和级数展开得到近似解析解,通过与半解析解的对比,得出近似解析解偏安全。
【关键词】：狭长基坑 过江隧道 水位波动 水土压力 模型试验 数值分析 解析研究
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U231;TU432
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 引言13-16
• 1.2 国内外研究现状16-26
• 1.2.1 轨道交通狭长基坑土压力研究现状16-19
• 1.2.2 水下盾构隧道开挖面稳定性研究现状19-25
• 1.2.3 水位波动条件下地基土及结构物的响应研究现状25-26
• 1.3 本文主要内容及创新点26-29
• 第2章 轨道交通狭长基坑被动土压力试验研究29-43
• 2.1 引言29-30
• 2.2 试验方案30-34
• 2.2.1 试验模型30-31
• 2.2.2 试验土样31-32
• 2.2.3 墙土摩擦角的测定32
• 2.2.4 土压力盒的标定32-33
• 2.2.5 数据采集及PIV测试系统33-34
• 2.2.6 试验安排34
• 2.3 试验结果34-41
• 2.3.1 移动挡墙上的土压力34-38
• 2.3.2 土体变形分析38-41
• 2.3.3 固定边界上的土压力41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 水位波动条件下盾构隧道开挖孔压响应有限元分析43-65
• 3.1 引言43
• 3.2 计算软件及模型边界条件43-46
• 3.2.1 有限元软件COMSOL Multiphysics简介43-44
• 3.2.2 工程背景44-45
• 3.2.3 模型及边界条件45-46
• 3.2.4 COMSOL计算精度验证46
• 3.3 砂性土地基盾构隧道开挖孔压响应46-51
• 3.4 粉土地基盾构隧道开挖孔压响应51-57
• 3.5 参数分析57-62
• 3.5.1 埋深比C/D的影响58-59
• 3.5.2 地基厚度比H/D的影响59
• 3.5.3 水深比H_w/D的影响59-60
• 3.5.4 隧道直径D的影响60
• 3.5.5 渗透系数k的影响60-61
• 3.5.6 边界波动幅值A的影响61
• 3.5.7 边界波动周期T的影响61-62
• 3.6 本章小结62-65
• 第4章 考虑水位波动的盾构隧道开挖面极限支护压力研究65-79
• 4.1 引言65
• 4.2 考虑水位波动的盾构开挖面稳定分析模型65-71
• 4.2.1 经典的“楔形体一棱柱体”极限平衡模型65-67
• 4.2.2 考虑渗流作用的上覆松动土压力计算67-70
• 4.2.3 考虑水位波动的楔形体渗透力70
• 4.2.4 考虑水位波动的开挖面有效极限支护压力70-71
• 4.3 参数分析71-76
• 4.3.1 有效黏聚力的影响71-72
• 4.3.2 有效内摩擦角的影响72-73
• 4.3.3 密封舱压力水头的影响73-74
• 4.3.4 埋深比C/D的影响74-75
• 4.3.5 隧道直径D的影响75-76
• 4.4 庆春路过江隧道实例分析76-78
• 4.5 本章小结78-79
• 第5章 水位波动条件下砂性土盾构隧道开挖孔压响应近似解析解79-91
• 5.1 引言79
• 5.2 地下水非稳定渗流理论79-82
• 5.2.1 地下水非稳定渗流控制方程79-81
• 5.2.2 非稳态平面平行渗流81-82
• 5.3 水位波动条件下砂性土地基中盾构开挖孔压响应求解82-89
• 5.3.1 控制方程及边界条件82-83
• 5.3.2 模型求解83-88
• 5.3.3 近似解析解的验算88-89
• 5.4 本章小结89-91
• 第6章 结论与展望91-95
• 6.1 主要结论91-92
• 6.2 进一步工作建议92-95
• 参考文献95-101
• 附录：作者简介及相关科研成果101

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