软粘土的时效特性分析及隧道长期沉降的预测

摘要

该文将以能够反映时间对土体强度、变形影响的粘弹性和弹-粘塑性本构模型为基础,通过大量软粘土室内观测和试验,分别采用数值模型方法和解析方法对隧道的长期沉降进行模拟研究.该文对土体时效特性以及在此基础上对隧道长期沉降的预测的研究主要包括以下内容:1.作为粘弹性和弹-粘塑性模型建立的基础,该文首先对软粘土的应力-应变-时间关系进行了室内试验研究.室内试验在法国南特中央大学进行,采用该校先进的三轴和一维侧限压缩试验系统完成.三轴试验条件下分别进行了三轴不排水常应变速率试验、三轴排水常应力速率试验和三轴排水蠕变试验.一维压缩试验中除进行应力控制的常规分级加载试验外,还采用了应变控制的一维加载试验和一维蠕变试验.上述各试验进行以前,所有的试样都实施在k<,0>状态下固结.在室内试验结果的基础上,定量分析了土体的强度和变形时效特征与性态.2.为了能够模拟不同影响因素对隧道长期沉降的影响,该文利用修正剑桥模型和Perzyna流变理论体系建立了适应于不同应力水平的弹-粘塑性本构模型,并将其添加到南特中央大学有限元计算程序CESAR_LCPC之中,以实现对复杂工程问题的分析,强化和丰富了该大型分析程序的功能和内容.将所获计算结果与室内试验比较表明,该弹-粘塑性本构模型能够合理反映时间对软粘土强度和变形的影响,并且明显减少了计算所需的蠕变参数.3.充分发挥数值方法强大的模拟功能,对不同时段内隧道及其相邻土层的受力与变形特征进行了描述、再现和验证,计算中计入隧道施工和运营的多工况、多步骤的特点,着力揭示和分析隧道衬砌渗透性、盾构超挖、盾尾同步注浆、地面超载变化以及土体蠕变特性导致土体中超孔隙水压力、地表沉降和地层损失影响规律和量化标准,以此评价和预估隧道长期沉降趋势和量值,进而提出减小和预防隧道长期沉降的工程措施和优化建议.4.为了提供一种预测隧道长期沉降的简化计算方法,在室内蠕变试验基础上,提出采用Kelvin模型和弹簧串联组成的三单元粘弹性模型,并耦合Terzaghi一维固结理论,建立了能够反映超孔隙水压力消散影响的一维流变模型.通过和一维蠕变试验结果的对比分析发现,在蠕变应力水平较低的情况下,该粘弹性模型能够比较合理地反映土体的变形随时间的发展规律.在此模型基础上,采用解析方法对上海地铁1号线隧道的地表长期沉降进行了预测,得到地表长期沉降随随时间的发展规律.研究表明,采用该简化的粘弹性计算方法能够比较合理地估算隧道上方的地表沉降发生、发展规律.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 前言

1.2 土体时效性的研究现状

1.2.1软粘土时效性的室内试验研究

1.2.2土体的应力-应变-时间关系模型的研究现状

1.3 软土隧道长期沉降的研究现状

1.3.1现场实测方法及经验方法

1.3.2数值模拟方法

1.3.3解析方法

1.4 本文研究的目的、方法及主要内容

1.4.1本文的研究目的

1.4.2研究方法和内容

第二章室内试验与分析

2.1 试验方案

2.1.1三轴试验

2.1.2一维侧限压缩试验

2.2 试验土样

2.3 室内试验结果分析

2.3.1三轴UCSR剪切试验条件下应变速率对不排水抗剪强度的影响

2.3.2三轴UCSR剪切试验条件下应变速率对超孔隙水压力发展的影响

2.3.3三轴UCSR剪切试验条件下应变速率对有效应力路径的影响

2.3.4三轴UCSR剪切试验条件下应变速率对土体割线模量E50的影响

2.3.5三轴UCSR剪切试验中重固结对土体强度的影响

2.4 一维侧限压缩条件下土体强度的时效特性

2.4.1前期固结压力的时效特性研究现状

2.4.2一维压缩条件下土体的应力-应变关系

2.4.3应变速率对前期固结压力σ'vp的影响

2.4.4加荷周期对土体前期固结压力σ'vp的影响

2.5 土体的蠕变特性

2.5.1土体蠕变变形发展的两种假定

2.5.2三轴试验条件下土体的蠕变特征

2.5.3一维试验条件下土体的蠕变特征

2.6 小结

第三章弹-粘塑性本构模型

3.1 介绍

3.2 弹-粘塑性本构模型

3.3 软粘土的屈服特征

3.3.1土体的屈服面

3.3.2 Saint-Herblain软粘土的屈服特征

3.3.3修正的剑桥模型(modified cam-clay model)

3.3.4洛德角(Lode angle)对土体屈服面的影响

3.4 Perzyna粘塑性流变理论

3.5 硬化定律

3.6 弹-粘塑性本构方程

3.7 隐式积分法解弹-粘塑性问题

3.8 模型参数确定

3.9 模型验证

3.9.1三轴不排水常应变速率UCSR试验模拟

3.9.2三轴蠕变试验模拟

3.10蠕变参数的影响分析

3.10.1蠕变参数对抗剪强度的影响

3.10.2蠕变参数对土体蠕变变形发展的影响

3.10.3蠕变参数对应力松弛的影响

3.11 小结

第四章软土隧道长期沉降的数值模拟

4.1 影响软土隧道长期沉降的主要因素

4.2 隧道长期沉降的数值模拟

4.2.1数值计算模型

4.2.2数值计算的边界条件

4.2.3隧道施工过程的模拟

4.2.4数值模拟的工况

4.2.5计算参数选取

4.3 隧道衬砌渗透性对长期沉降的影响

4.3.1衬砌渗透性对地表沉降发展的影响

4.3.2衬砌渗透性对地表沉降槽发展的影响

4.3.3衬砌渗透性对地层损失的影响

4.3.4衬砌渗透性对隧道周围超孔隙水压力消散的影响

4.4 盾构超挖对长期沉降的影响

4.4.1盾构超挖对地表长期沉降的影响

4.4.2盾构超挖对超孔隙水压力的影响

4.5 注浆对地表长期沉降的影响

4.6 地面超载对地表长期沉降的影响

4.7 蠕变对地表长期沉降的影响

4.8 地表长期沉降预测

4.9 小结

第五章软土隧道长期沉降的粘弹性简化分析

5.1 粘弹性流变模型

5.1.1土体的粘弹性模型

5.1.2粘弹性模型和孔隙水压力的耦合作用

5.2 粘弹性模型验证

5.2.1参数确定

5.2.2一维侧限压缩试验的模拟

5.3 粘弹性模型在隧道地表沉降预测中的应用

5.3.1隧道概况

5.3.2初始超孔隙水压力的计算

5.3.3长期沉降预测

5.4 小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

博士期间发表的论文及EI检索情况