浅埋隧道开挖与既有建筑基础荷载相互影响的模型试验和理论计算研究

摘要

通过模型试验、理论分析及数值模拟，研究了浅埋隧道开挖与既有建筑基础荷载的相互作用，具体的研究内容和主要成果如下:
　　(1)建立了平面应变模型试验系统，其中包括地层模型、桩基荷载模型、箱基荷载模型、浅埋隧道开挖模型和支护模型，以及桩基荷载或箱基荷载、地层压力、地层沉降、隧道支护应变的量测装置。①进行了一系列地层损失模型试验，分析了地表最大沉降位移及沉降槽宽度参数与地中最大沉降位移及沉降槽宽度参数的函数关系;②针对不同水平、竖直位置的既有桩基荷载进行了一系列隧道开挖模型试验及数值模拟，分析了既有桩基荷载对邻近浅埋隧道开挖引起地层压力重分布、地层沉降及隧道支护内力的影响特征，结果表明:对于桩径和水平相对距离都相同但桩长不同的桩基荷载，桩长与隧道埋深相同时，对隧道开挖效应影响最大;对于桩径和桩长都相同的桩基荷载，对隧道开挖效应的影响程度随桩基中心与隧道轴线水平距离的减小而增大;当桩基中心与隧道轴线水平距离和隧道直径比值介于0.5～4时，桩基荷载对隧道开挖效应影响较大;③针对不同水平、竖向位置的既有箱基荷载进行了一系列隧道开挖模型试验及数值模拟，结果表明:水平距离、箱基荷载都相同但埋深不同的箱基，对隧道开挖效应的影响程度随着箱基埋深的增加而增大，当箱底埋置深度超过隧道拱顶时，对隧道开挖效应的影响程度随箱基埋深的增加而减小;箱基埋置深度相同但水平距离不同，对隧道开挖效应的影响程度随箱基边缘与隧道轴线水平距离的减小而增大，当箱基边缘与隧道轴线水平距离和隧道直径比值介于0.5～4.0时，箱基荷载对隧道开挖效应的影响较大;
　　(2)建立了地层损失的时间函数模型，结合萨格塞塔解，给出了预测浅埋隧道开挖引起地表沉降随时间及施工参数变化的数学表达式，通过等效简化模型，推导了隧道全断面开挖、台阶法开挖及其它分部开挖引起地层位移的解析表达式，计算分析了自由地层及承载地层开挖速度、台阶间距、施工工序及地表沉降速度系数对地表沉降的影响特征;
　　(3)提出了建筑基础荷载地层承载区的概念，推导了桩基荷载和箱基荷载地层的位移场;应用沃卢杰-布克位移解，分析了隧道开挖对桩基或箱基地层承载区的影响;通过数值模拟，分析了隧道中心与建筑基础荷载的水平距离、隧道埋深、隧道开挖半径及隧道开挖进度对建筑基础地层承载区的影响特征，结果表明:通过改变隧道施工参数，建筑基础地层承载区的形状与范围在隧道的开挖方向、水平方向及竖直方向都有不同程度的变化。而这些变化规律的得出，将对隧道的设计与施工具有指导意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外现状

1．2．1 地下工程隧道模型试验研究

1．2．2 浅埋隧道开挖与环境相互作用理论与计算研究

1．2．3 研究现状分析

1．3 研究目的和技术路线

1．3．1 研究目的及主要内容

1．3．2 技术路线

2 既有建筑基础荷载对邻近浅埋隧道开挖效应影响的模型试验及分析

2．1 地下工程隧道模型试验的基本原理

2．1．1 相似模型的定义

2．1．2 模型试验相似三定理

2．1．3 模型试验相似指标

2．2 模型试验系统设计

2．2．1 模型试验装置与加载

2．2．2 基础荷载-地层压力-地层沉降-支护应变量测装置

2．2．3 模型试验的相似材料

2．3 地层损失对隧道开挖效应影响的模型试验

2．3．1 模型试验设计

2．3．2 地层损失

2．3．3 模型试验的结论及分析

2．4 桩基荷载对隧道开挖效应的模型试验

2．4．1 桩基荷载作用特征及其引起的地应力

2．4．2 模型试验设计

2．4．3 桩基水平距离对隧道开挖效应的试验结果与分析

2．4．4 桩基竖向距离对隧道开挖效应影响的试验结果与分析

2．4．5 桩基荷载对隧道开挖效应的试验结果与分析

2．4．6 模型试验的数值模拟分析

2．5 箱基荷载对隧道开挖效应的模型试验

2．5．1 箱基荷载的类型

2．5．2 模型试验设计

2．5．3 箱基水平距离的影响

2．5．4 箱基竖直方向不同位置的影响

2．5．5 箱基荷载的影响

2．5．6 模型试验的数值模拟

2．6 本章小结

3 承载地层浅埋隧道施工参数对地表沉降影响的解析计算

3．1 浅埋隧道施工引起地表位移的解析解

3．1．1 地层损失引起的地层位移

3．1．2 隧道施工引起地层位移的解析解

3．1．3 地层沉降速度系数的影响及其确定

3．1．4 隧道施工引起地层位移的数值计算

3．2 施工参数对地表沉降影响的简化解析计算

3．2．1 施工速度对地层位移的时变规律

3．2．2 台阶间距对地层位移的时变规律

3．2．3 相向施工与背向施工引起地表位移的时间过程

3．2．4 施工工序对地层沉降的时变规律

3．2．5 工程应用

3．3 承载地层浅埋隧道施工参数对地表沉降的数值分析

3．3．1 隧道施工速度对地层沉降的影响

3．3．2 隧道台阶长度对地表沉降的影响

3．3．3 相向施工与背向施工对地层沉降的影响

3．3．4 施工工序对地表沉降的影响

3．4 本章小结

4 浅埋隧道开挖对既有建筑地基承载区影响的理论计算

4．1 隧道开挖对桩基地层承载区影响的解析理论

4．1．1 承载区的定义及工程意义

4．1．2 桩基荷载引起地层位移的解析解

4．1．3 桩基荷载地层的承载区

4．1．4 隧道开挖引起的地层位移的解析解

4．1．5 隧道开挖对桩基荷载地层承载区的影响

4．2 隧道开挖对桩基荷载地层承载区影响的数值模拟

4．2．1 桩基与隧道模型

4．2．2 隧道施工对桩基荷载地层承载区的影响

4．2．3 隧道施工对多桩荷载地层承载区的影响

4．3 隧道开挖对箱基荷载地层承载区影响的解析理论

4．3．1 箱基荷载引起的地层位移的解析解

4．3．2 箱基荷载地层的承载区

4．3．3 隧道开挖对箱基荷载地层承载区的影响

4．4 隧道开挖对箱基荷载地层承载区影响的数值模拟

4．4．1 建立箱基及隧道模型

4．4．2 隧道开挖对箱基荷载地层承载区的影响

4．5 本章小结

5 结论

5．1 主要工作内容

5．2 主要研究成果

5．3 创新点

参考文献

作者简历

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