隧道开挖过程中的三维土拱效应及分析方法研究

土压力拱效应是地下工程开挖围岩变形与稳定性分析的核心问题，也是确定围岩压力进行支护结构设计的基础。本项目综合采用理论分析、模型试验和数值模拟三种研究手段，以隧道和基坑开挖为研究对象，研究土拱效应这一核心问题。取得的主要成果：1）在土的应力路径本构模型的基础上，建立土的三维弹黏塑性应力路径本构模型，可用于描述土体开挖时变形的时间效应；2）通过编写有限元材料子程序，将应力路径本构模型嵌入商业软件建立了土体开挖数值仿真模型；3）研发设计了一套隧道开挖模拟试验装置，利用试验数据验证了新建数值仿真模型，研究了围岩成拱模式与坍塌模式时土拱发生、发展机理和地层变形规律；4）提出划分深埋隧道与浅埋隧道的新方法，可较好地反映隧道开挖时围岩土体变形的宏观规律；5）定义了剪胀比的概念，提出了土质隧道围岩稳定性的评价方法，给出了临界剪胀比的确定方法；6）获得了考虑支护压力、土体物理力学参数的围岩应力和位移解析解，给出了不同支护压力下洞顶处开挖扰动区的边界，提出了临塑支护压力的概念，并给出了其解析表达式，获得了考虑塑性应力重分布影响的塑性区边界解析解；7）采用弹性理论和数值仿真相结合的方法，获得了隧道无支护稳定状态时拱顶处竖向位移和围岩变形压力公式；8）从不均匀变形、应力重分配、应力路径和地表沉降规律四个方面分析了隧道开挖过程中拱效应作用机理，获得了基坑支护中桩间距、土粘结力及土的抗剪强度对土拱效应的影响规律。发表论文14篇，其中SCI收录4篇，EI收录12篇；申请发明专利1项；获教育部科技进步一等奖1项(2, 2016)；培养国家优青1人、青年长江学者1名，博士生2名、硕士生7名，其中5人已获得硕士学位。研究成果可为城市地下空间的规划、建设提供科学对策，为城市隧道开挖系统方案的制定、技术措施的实施提供科学支撑，为隧道和基坑开挖原理与灾变控制理论的建立奠定基础。 2100433B

我国正处在大规模的城市隧道工程建设时期，隧道开挖扰动引起围岩土体的不均匀变形，导致土体中荷载的传递路径发生偏离，形成土压力拱。土拱效应是隧道围岩变形与稳定性分析的核心问题，也是确定围岩压力进行隧道支护结构设计的基础。本项目以隧道开挖为研究对象，针对土拱效应这一核心问题，以土的应力路径相关性研究为主线，综合运用相互作用理论采用数值模拟、理论分析与模型试验相结合的研究手段，研究1)开挖荷载作用下土的力学特性、本构模型及隧道围岩土压力拱的形成过程数值模拟；2)隧道开挖模型试验与隧道施工现场监测；3)隧道围岩三维土压力拱效应分析方法，包含深埋隧道与浅埋隧道划分标准及地面沉降模式、围岩压力分析模型及其时变演化规律三个层面的问题。在三维土压力拱效应模拟模型与分析方法方面取得原创性研究成果，成果可为隧道开挖系统方案的制定、技术措施的实施提供科学支撑，为隧道开挖原理与灾变控制理论的建立奠定基础。

本项目拟通过理论分析、室内和现场试验相结合的方法研究悬臂式抗滑桩桩间土拱的形成机理和临界应力条件，确定悬臂式抗滑桩三维土拱几何形状和厚度，建立桩间滑体三维稳定性分析模型，获得桩绕流阻力的数学表达式，给出悬臂式抗滑桩三维土拱稳定性的判别标准，综合研究滑体物理力学指标、滑坡推力分布形式、桩间距、桩正截面宽度、悬臂高度等要素对三维土拱效应的影响，并据此提出合理桩间距的计算理论与方法，并阐明桩间距与桩间挡板所受荷载之间的关系。项目研究成果将对安全、经济、合理地设置抗滑桩的排列间距及进一步完善桩间挡板的设计理论奠定科学基础，对该类型支挡结构及与该类型受力特点相类似的支挡结构设计理论发展均有重要的意义。研究成果在山区交通土建工程、城镇深基坑支护工程、库岸防护工程、地质灾害治理等领域具有广阔的工程应用前景。 2100433B

《主要内容包括大跨度公路隧道施工中若干问题的思考，大跨度公路隧道开挖过程模拟研究，大跨度公路隧道监测数据的时序分析方法研究，大跨度公路隧道围岩参数反分析方法研究，大跨度公路隧道长期稳定性分析等。

第一章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 关于悬臂桩土拱效应

1．2．2 关于嵌固段地基反力研究

1．3 研究的思路和内容

1．3．1 研究的思路

1．3．2 主要研究内容

第二章 悬臂桩室内推桩模型试验及土拱效应研究

2．1 试验目的

2．1．1 桩间的起拱现象

2．1．2 存在的主要问题

2．2 推桩模型试验设计

2．2．1 试验方案

2．2．2 模型箱的设计加工

2．2．3 模型桩的制作与测试

2．2．4 填料选择及参数测定

2．2．5 试验加载及监测设备

2．2．6 试验步骤

2．3 悬臂桩监测结果及数据分析

2．3．1 悬臂桩土拱效应的三维分布

2．3．2 悬臂桩与埋入式桩的对比

2．3．3 桩间距对土拱效应的影响

2．3．4 不同配比填料的测试结果

2．4 桩板墙监测结果及数据分析

2．4．1 试验方案

2．4．2 测试结果

2．4．3 总体方案

2．4．4 加载及测试

2．4．5 室内模型试验测试结果

2．5 悬臂式抗滑桩三维土拱效应模拟

2．5．1 悬臂式抗滑桩三维及二维有限元模型建立

2．5．2 水平土拱的纵向分布规律

2．5．3 土拱效应的主要影响因素研究

2．5．4 双排桩桩间土变形破坏模式及土压力荷载分布

2．6 土拱的形成机理分析

2．7 本章小结

第三章 柔性板桩板墙土拱效应大型试验研究

3．1 试验目的

3．1．1 桩板墙的应用

3．1．2 桩板墙桩间挡板设计中存在的主要问题

3．1．3 试验研究目的

3．2 柔性板桩板墙加固填方工程试验设计

3．2．1 试验方案

3．2．2 模型槽的制作及悬臂桩的施工

3．2．3 挡土板的制作与安装

3．2．4 滑体材料的选用

3．2．5 监测设备

3．2．6 两个工况的试验步骤

3．3 监测结果及数据分析

3．3．1 挡板位移监测结果

3．3．2 填土内部土压力监测结果

3．3．3 摘板卸荷过程试验结果

3．3．4 桩板墙土压力试验结果

3．3．5 挡板布置于桩背侧时墙背土压力长期监测结果

3．4 本章小结

第四章 考虑自重应力作用的桩间土稳定性研究

4．1 引言

4．2 桩间土的稳定性分析

4．2．1 土拱强度条件分析

4．2．2 关于桩周土体应力状态的探讨

4．3 悬臂桩加固切方边坡

4．3．1 斜坡的初始应力场分析

4．3．2 考虑切方卸荷效应的桩间土稳定性分析

4．3．3 切方边坡实例分析

4．4 承受滑坡推力时的桩间土整体稳定性分析

4．5 本章小结

第五章 考虑空间效应的悬臂桩嵌固段地基反力计算研究

5．1 引言

5．2 悬臂桩嵌固段空间问题的三角级数解

5．2．1 受力模式的分解

5．2．2 嵌固段桩的侧向地基反力及接触压应力的计算

5．3 桩身嵌固段地基反力的对比研究

5．3．1 试验目的及步骤

5．3．2 监测结果及对比分析

5．3．3 合理嵌固深度的探讨

5．4 本章小结

第六章 悬臂桩桩间土及嵌固段地基的加固技术研究

6．1 引言

6．2 逆作法施工时锚杆加固悬臂桩桩间土的数值分析

6．2．1 分析模型的建立及研究方案

6．2．2 桩间土采用锚杆加固的效果分析

6．2．3 锚杆钻进深度的影响

6．3 悬臂桩嵌固段地基加固的数值分析

6．3．1 研究内容

6．3．2 模型的建立

6．3．3 结果分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 后续研究工作的展望

参考文献 2100433B