外海大回淤沉管隧道软基沉降特征与控制计算研究

摘要

外海大回淤沉管隧道软基沉降特性及计算目前尚无比较成熟的经验可资借鉴，但其地基的沉降计算方法及参数取值、沉降控制对隧道设计和施工都具重要意义。论文通过现场试验测试与室内模型试验相结合的方法，提出一套有效应用于沉降计算的参数取值方法；建立了符合施工工序的沉管隧道地基沉降计算方法；通过离心试验的定性分析与沉降的定量计算，揭示了沉管隧道天然地基的回弹再压缩沉降特性；结合蒙特卡罗概率有限元方法，进行岩土参数变异性、施工偏差及回淤量对沉降影响的敏感性分析；建立考虑不均匀土层下的弹性地基梁计算力学模型，推导了沉管隧道沉降控制计算方法，为沉管隧道的基础方案设计与优化及施工工艺改进提供了重要支撑。
　　1.基于现场测试数据资料分析，依据模型相似理论和渗透固结理论，提出了模拟完整施工工序的小比尺离心模型试验方案；结合工程实际及离心力场特性，确定了离心模型试验中离心机加速度；选用特种有机玻璃为沉管材料，对其几何尺寸进行部分修正，实现了模型与原型承力的相似；布设高灵敏度及高精密测试元件。试验结果揭示了不同垫层厚度下基底应力变形变化及沉管应变分布规律，也为下一步小探头CPTU试验及室内常规试验提供土样条件。
　　2.地基参数的确定决定沉降计算结果精度，为能快捷的获取准确计算参数，且减小土样采集制备过程产生的误差，论文分别开展了2cm2和15cm2探头CPTU原位测试，并借以2cm2探头CPTU测试结果，拟合出CPTU原位测试数据与土性参数间的回归公式，由此建立了由CPTU原位测试确定的海底特殊地层土性参数指标的计算方法，用以确定后期的计算参数。
　　3.基于计算参数确定方法，考虑沉管隧道基槽开挖、垫层铺设、隧管沉放、管顶回淤、航道开挖等整个施工过程，建立模拟施工过程的有限元计算模型及沉降简化计算模型，揭示了沉管隧道天然地基沉降特性，明确了回填-沉管-地基间的相互作用机理，确定纵向地基刚度变化较大区段。
　　4.结合传统的有限元计算分析方法及蒙特卡罗理论，基于Spearman秩相关系数的灵敏度分析方法，对沉管隧道下卧土层的岩土参数变异性、可能的施工偏差及回淤量等因素对地基横向及纵向沉降的影响敏感性进行分析，确定了敏感性较大的影响因素，得出了对沉降影响的最不利工况组合及分布形式，为施工控制提供参考。
　　5.结合弹性地基梁理论，建立考虑不均匀土层情况下的弹性地基梁计算力学模型，计算出隧道纵向位移曲线方程及隧道某一位置截面的剪力，推导沉管隧道沉降控制标准计算公式，为基础方案设计优化及施工工艺改进措施提供条件。

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第一章 绪论

1.1工程背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

1.4研究方法及思路

第二章 隧道及基底特性离心模型试验分析

2.1离心模型试验研究概述

2.2离心试验原理

2.3试验模型与原型相似关系

2.4试验装置及量测系统

2.5试验方案及实施流程

2.6试验数据整理分析

2.7小结

第三章 土性参数确定方法研究

3.1研究概述及内容

3.2试验仪器及设备

3.3探头的安装及标定

3.4试验方案及实施流程

3.5试验数据分析

3.6验证分析

3.7小结

第四章 地基沉降计算分析

4.1横断面有限元计算分析

4.2横断面沉降简化计算模型

4.3回填-沉管-地基作用机理分析

4.4纵向沉降简化计算方法分析

4.5小结

第五章 沉降影响因素敏感性分析

5.1研究思路

5.2蒙特卡罗法分析

5.3考虑岩土参数变异性的纵向沉降分析

5.4施工偏差的考虑方法

5.5考虑施工偏差的纵向沉降分析

5.6施工误差情况下的横向沉降分析

5.7最不利因素组合分析

5.8小结

第六章 沉降控制计算研究

6.1概述

6.2研究思路

6.3不均匀土层地基梁模型

6.4纵向差异沉降控制标准计算方法研究

6.5小结

结论及建议

1、主要结论

2、主要创新点

3、进一步研究建议

参考文献

附录

攻读博士期间取得的研究成果

致谢