水平冻结施工浅埋隧道对邻近正交路基的作用分析
发布时间：2022-01-07 15:26
为了更合理地评价水平冻结法隧道施工对邻近正交路基的影响,考虑土体的非均匀冻胀性,将路基结构视为弹性的Euler-Bernoulli连续梁,结合变形协调条件并引入随机介质理论和叠加原理,推导得到水平冻结法施工隧道对邻近正交路基作用的耦合计算方程,并编制求解程序;结合工程实例,验证了随机介质预测方法的可靠性,并将实测值与耦合法、两阶段法的计算结果进行对比分析,表明该耦合方法的准确性;最后通过ABAQUS软件进行数值模拟,结果表明:耦合方法与ABAQUS模拟结果整体趋势吻合较好;随着冻结壁逐步扩展,路基同一位置处抬升位移逐渐增大;冷媒介质温度越低、隧道埋深越浅,路基抬升变形越大;位于粉质黏土层中的冻结管对路基抬升变形影响最大。该改进的计算方法可为制定减小水平冻结法隧道施工对路基影响的保护措施提供一定的理论指导。
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
冻结交圈后示意图
2370岩石力学与工程学报2020年隧道隧道冻结管冻结管交圈前交圈后图6冻结壁形成过程示意图Fig.6Sketchmapofformingprocessoffreezingwall路基被划分为N个梁单元冻结管隧道图7路基划分示意图Fig.7Sketchmapofsubgradedivision(1)假设路基不存在情况下，由式(22)或(23)可得到人工水平冻结法隧道施工引起地表竖向自由冻胀变形向量{W}为121{}[()()()()()]innWWXWXWXWXWX，，，，(24)式中：{W}为地表无路基约束时，梁单元节点处地表竖向自由冻胀变形向量；()iWX为地表无路基约束时，第i个梁单元节点处的地表土体竖向自由冻胀变形量。(2)当仅将路基作为研究对象时，式(24)得到的地表竖向自由冻胀变形将作为一种附加位移作用于路基梁单元上，也就是说在平衡状态下路基梁单元会承受来自地表的冻胀力F，如图8所示，由此路基产生的冻胀变形向量{U}为121{}[()()()()()]innUUXUXUXUXUX，，，，(25)式中：{U}为冻胀力F引起的路基梁单元节点位置处竖向冻胀变形向量，()iUX为冻胀力F引起的第i个路基梁单元节点位置处竖向冻胀变形量。(3)以地表土体为研究对象，土体在平衡时承受路基结构的约束作用力向量为{f}，由此产生的梁单元节点约束变形向量为{s}，即{s}G{f}(26)式中：G为土体节点柔度矩阵。根据连续梁单元刚度矩阵eK可得到路基节点竖向冻胀力与冻胀量之间关系的整体刚度矩阵K。图8路基冻胀变形示意图Fig.8Sketchmapofsubgradefrostheavedeformation则路基受力平衡方程为{F}K{U}(27)路基与地表土体之间相互作用的力学平衡条件为{F}{f}(28)根据假设1可知，路基与地表土体?
第39卷第11期董建华等：水平冻结施工浅埋隧道对邻近正交路基的作用分析2371求冻结锋面输入等参数不均匀冻胀时冻结管周围土体变形量多管冻结时地表土体自由冻胀变形单管冻结时地表土体自由冻胀变形路基冻胀抬升变形向量{U}并进行插值拟合弯矩曲率剪力We(X)图9求解流程图Fig.9Solutionflowchart北端南端人隧道中心线行天桥公路中心栅栏123456789101112131415161720181921ABDFE10-1图10地表变形监测及周围环境示意图[16]Fig.10Surfacedeformationmonitoringandsurroundingenvironmentdiagram[16]所示。为计算简便，经简化为圆形截面的隧道外半径为5m，冻结管圆形布置圈半径为6m，相邻管间距为0.84m，在距隧道开挖边界处沿拱线布置46个冻结孔，设计冻结壁厚度为2.5m，冻结壁平均温度为－8℃，该工程积极冻结期约为150d，冻结断面86m2，冻结管主要位于可塑砂质黏土层中，冻结锋面移动速度中的经验系数A可取0.16，冻土的冻胀率为2%。考虑到隧道断面大，地表冻胀主要影响范围取为52m，隧道轴线埋深14m，土层冻胀影响角度的tan值为0.27，其他参数依据姜耀东等[16]取值，采用前述推导的考虑土体非均匀冻胀时的随机介质理论公式进行冻胀变形计算，则地表冻胀位移分布规律的理论分析与现场实测结果对比如图11所示。由于土层参数不均匀性等复杂地质情况，尽管地表冻胀位移分布规律的理论分析结果与现场实测结果略有差异，但在一定程度上验证了考虑冻结管周围土体非均匀冻胀性时的随机介质理论预测地表01020304050600501001502002503
【参考文献】：
期刊论文
[1]基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法[J]. 周泽林,陈寿根,涂鹏,张海生. 岩土力学. 2018(04)
[2]考虑围岩不均匀冻胀的寒区隧道冻胀力解析解[J]. 黄继辉,夏才初,韩常领,黄曼. 岩石力学与工程学报. 2015(S2)
[3]基坑开挖对邻近地下管线影响的变形控制标准[J]. 张陈蓉,俞剑,黄茂松. 岩土力学. 2012(07)
[4]隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型[J]. 蔡海兵,彭立敏,郑腾龙. 岩土力学. 2012(06)
[5]基于横观各向同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟[J]. 张茹,王正中,牟声远,刘旭东. 应用基础与工程科学学报. 2010(05)
[6]广州地铁超长水平冻结多参量监测分析[J]. 姜耀东,赵毅鑫,周罡,孙磊,秦玮. 岩土力学. 2010(01)
[7]人工冻结法在上海轨道交通四号线修复工程中的应用[J]. 方江华,张志红,张景钰. 土木工程学报. 2009(08)
[8]土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究[J]. 李方政. 岩土力学. 2009(01)
[9]冻土横观各向同性非线性本构模型的实验研究[J]. 王正中,袁驷,陈涛. 岩土工程学报. 2007(08)
[10]地面新施工荷载对临近地铁隧道纵向变形的影响分析研究[J]. 戴宏伟,陈仁朋,陈云敏. 岩土工程学报. 2006(03)
本文编号：3574790
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
冻结交圈后示意图
2370岩石力学与工程学报2020年隧道隧道冻结管冻结管交圈前交圈后图6冻结壁形成过程示意图Fig.6Sketchmapofformingprocessoffreezingwall路基被划分为N个梁单元冻结管隧道图7路基划分示意图Fig.7Sketchmapofsubgradedivision(1)假设路基不存在情况下，由式(22)或(23)可得到人工水平冻结法隧道施工引起地表竖向自由冻胀变形向量{W}为121{}[()()()()()]innWWXWXWXWXWX，，，，(24)式中：{W}为地表无路基约束时，梁单元节点处地表竖向自由冻胀变形向量；()iWX为地表无路基约束时，第i个梁单元节点处的地表土体竖向自由冻胀变形量。(2)当仅将路基作为研究对象时，式(24)得到的地表竖向自由冻胀变形将作为一种附加位移作用于路基梁单元上，也就是说在平衡状态下路基梁单元会承受来自地表的冻胀力F，如图8所示，由此路基产生的冻胀变形向量{U}为121{}[()()()()()]innUUXUXUXUXUX，，，，(25)式中：{U}为冻胀力F引起的路基梁单元节点位置处竖向冻胀变形向量，()iUX为冻胀力F引起的第i个路基梁单元节点位置处竖向冻胀变形量。(3)以地表土体为研究对象，土体在平衡时承受路基结构的约束作用力向量为{f}，由此产生的梁单元节点约束变形向量为{s}，即{s}G{f}(26)式中：G为土体节点柔度矩阵。根据连续梁单元刚度矩阵eK可得到路基节点竖向冻胀力与冻胀量之间关系的整体刚度矩阵K。图8路基冻胀变形示意图Fig.8Sketchmapofsubgradefrostheavedeformation则路基受力平衡方程为{F}K{U}(27)路基与地表土体之间相互作用的力学平衡条件为{F}{f}(28)根据假设1可知，路基与地表土体?
第39卷第11期董建华等：水平冻结施工浅埋隧道对邻近正交路基的作用分析2371求冻结锋面输入等参数不均匀冻胀时冻结管周围土体变形量多管冻结时地表土体自由冻胀变形单管冻结时地表土体自由冻胀变形路基冻胀抬升变形向量{U}并进行插值拟合弯矩曲率剪力We(X)图9求解流程图Fig.9Solutionflowchart北端南端人隧道中心线行天桥公路中心栅栏123456789101112131415161720181921ABDFE10-1图10地表变形监测及周围环境示意图[16]Fig.10Surfacedeformationmonitoringandsurroundingenvironmentdiagram[16]所示。为计算简便，经简化为圆形截面的隧道外半径为5m，冻结管圆形布置圈半径为6m，相邻管间距为0.84m，在距隧道开挖边界处沿拱线布置46个冻结孔，设计冻结壁厚度为2.5m，冻结壁平均温度为－8℃，该工程积极冻结期约为150d，冻结断面86m2，冻结管主要位于可塑砂质黏土层中，冻结锋面移动速度中的经验系数A可取0.16，冻土的冻胀率为2%。考虑到隧道断面大，地表冻胀主要影响范围取为52m，隧道轴线埋深14m，土层冻胀影响角度的tan值为0.27，其他参数依据姜耀东等[16]取值，采用前述推导的考虑土体非均匀冻胀时的随机介质理论公式进行冻胀变形计算，则地表冻胀位移分布规律的理论分析与现场实测结果对比如图11所示。由于土层参数不均匀性等复杂地质情况，尽管地表冻胀位移分布规律的理论分析结果与现场实测结果略有差异，但在一定程度上验证了考虑冻结管周围土体非均匀冻胀性时的随机介质理论预测地表01020304050600501001502002503
【参考文献】：
期刊论文
[1]基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法[J]. 周泽林,陈寿根,涂鹏,张海生. 岩土力学. 2018(04)
[2]考虑围岩不均匀冻胀的寒区隧道冻胀力解析解[J]. 黄继辉,夏才初,韩常领,黄曼. 岩石力学与工程学报. 2015(S2)
[3]基坑开挖对邻近地下管线影响的变形控制标准[J]. 张陈蓉,俞剑,黄茂松. 岩土力学. 2012(07)
[4]隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型[J]. 蔡海兵,彭立敏,郑腾龙. 岩土力学. 2012(06)
[5]基于横观各向同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟[J]. 张茹,王正中,牟声远,刘旭东. 应用基础与工程科学学报. 2010(05)
[6]广州地铁超长水平冻结多参量监测分析[J]. 姜耀东,赵毅鑫,周罡,孙磊,秦玮. 岩土力学. 2010(01)
[7]人工冻结法在上海轨道交通四号线修复工程中的应用[J]. 方江华,张志红,张景钰. 土木工程学报. 2009(08)
[8]土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究[J]. 李方政. 岩土力学. 2009(01)
[9]冻土横观各向同性非线性本构模型的实验研究[J]. 王正中,袁驷,陈涛. 岩土工程学报. 2007(08)
[10]地面新施工荷载对临近地铁隧道纵向变形的影响分析研究[J]. 戴宏伟,陈仁朋,陈云敏. 岩土工程学报. 2006(03)
本文编号：3574790
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