基坑开挖卸荷对地铁隧道变形规律影响及机理分析PDF电子书下载

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第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 基坑开挖对天然地基变形影响的研究现状 2

1.2.1 现场监测 2

1.2.1.1 地表沉降 2

1.2.1.2 基坑坑底隆起 4

1.2.1.3 支挡结构水平位移 4

1.2.2 数值模拟 5

1.2.2.1 系统刚度和场地条件的影响 5

1.2.2.2 开挖尺寸的影响 5

1.2.3 解析解答 5

1.2.4 离心模型试验 6

1.3 基坑开挖卸荷对既有隧道影响的研究现状 7

1.3.1 隧道横向和纵向内力及变形规律研究 7

1.3.1.1 现场实测法 7

1.3.1.2 数值模拟 8

1.3.1.3 解析分析 10

1.3.1.4 离心模型试验 11

1.3.2 基坑开挖引起隧道内力和变形的影响因素研究 12

1.3.2.1 隧道衬砌刚度的影响 12

1.3.2.2 基坑开挖尺寸的影响 12

1.3.2.3 隧道与基坑的水平间距和竖向间距 12

1.3.2.4 基坑施工工况及支护与加固方法 12

1.3.3 本构模型在基坑开挖对隧道影响模拟中的应用研究现状 13

1.4 存在的问题 14

1.4.1 现有的解析解答需借助数值积分的方法求解 14

1.4.2 开展离心模型试验再现土体应力水平势在必行 14

1.4.3 土体相对密实度和支挡结构刚度对隧道变形影响机理不明确 15

1.4.4 考虑土体劲度的应力应变依赖性是合理开展数值模拟的关键 15

1.5 本书的研究内容及技术路线 16

第2章 基坑开挖卸荷对隧道变形影响的三维解析模型 18

2.1 概述 18

2.2 解答推导过程 18

2.2.1 基本假定 18

2.2.2 计算模型 19

2.2.3 基本公式 20

2.2.3.1 水平三角形荷载作用在竖向矩形面上的位移解答 22

2.2.3.2 竖向均布荷载作用在水平向矩形面上的位移解答 22

2.2.4 基本解答的验证 23

2.2.5 求解方法 23

2.3 解答验证 24

2.3.1 对比现场监测 24

2.3.2 对比数值模拟 25

2.3.3 对比离心模型试验 26

2.4 参数分析 28

2.4.1 基坑开挖长度的影响 28

2.4.2 基坑开挖宽度的影响 30

2.4.3 基坑开挖深度的影响 31

2.4.4 隧道埋深的影响 32

2.4.5 隧道中心与基坑中心的距离的影响 33

2.4.6 土体弹性模量的影响 34

2.5 讨论 36

2.6 本章小结 36

第3章 基坑开挖卸荷对隧道变形影响的三维离心模型试验设计 37

3.1 离心模型试验概述 37

3.1.1 几种岩土物理模拟技术简介 37

3.1.2 岩土离心模拟技术的基本原理 39

3.1.3 离心模拟技术的运动学原理 40

3.1.4 离心模拟的相似比 41

3.2 量纲分析 41

3.2.1 量纲分析基础 42

3.2.1.1 基本量与导出量 42

3.2.1.2 量纲分析的依据 42

3.2.2 开挖卸荷对既有隧道影响问题的相关参数 43

3.2.3 量纲归一化 44

3.3 离心模型试验方案 45

3.3.1 第一组试验CD68和CD51 46

3.3.2 第二组试验SD69和SS70 46

3.4 离心模型试验设计 51

3.4.1 离心机 51

3.4.2 模型箱尺寸 51

3.4.3 试验用土 52

3.4.4 密度标定 53

3.4.5 模型支挡结构设计 54

3.4.6 模型隧道制作 55

3.4.7 模型量测 56

3.4.7.1 地表沉降和基坑坑底隆起量测 56

3.4.7.2 隧道位移及变形量测 56

3.4.7.3 隧道纵向和横向弯矩量测 57

3.4.8 开挖模拟系统 57

3.4.9 模型安装制备 58

3.4.10 试验模拟进程 59

3.5 本章小结 59

第4章 基坑开挖卸荷对隧道变形影响的三维数值模型建立 61

4.1 概述 61

4.2 有限元软件 61

4.3 土体、隧道、支挡结构本构模型选择 62

4.3.1 亚塑性本构模型理论基础 62

4.3.2 考虑土体小应变的亚塑性模型 63

4.3.3 亚塑性模型参数及标定方法 65

4.4 离心模型试验的数值计算模型及目的 66

4.4.1 有限元网格、边界条件及单元类型选择 66

4.4.2 本构模型及模型参数 66

4.4.3 有限元模拟过程 67

4.5 数值参数分析计算模型及目的 67

4.6 三种不同土体本构模型对隧道变形的预测能力研究 68

4.7 本章小结 68

第5章 土体相对密实度和支挡结构刚度对隧道变形影响的离心试验及数值分析 71

5.1 概述 71

5.2 离心模型试验结果与分析 72

5.2.1 支挡结构后的地表沉降 72

5.2.2 基坑坑底隆起 73

5.2.3 隧道纵向位移 74

5.2.4 隧道横截面变形 75

5.2.5 隧道横截面弯矩及弯曲应变 77

5.2.6 隧道纵向弯矩及弯曲应变 78

5.3 离心模型试验的模拟与分析 81

5.3.1 隧道顶部纵向竖向位移 81

5.3.2 隧道顶部和底部土体的竖向应力及劲度变化 83

5.3.3 隧道与基坑周围土体的位移矢量图 84

5.3.4 隧道横截面衬砌直径变化 85

5.3.5 隧道横截面附加弯曲应变 87

5.3.6 隧道衬砌周围土压力 89

5.3.7 隧道纵向附加弯曲应变 90

5.4 本章小结 91

第6章 基坑开挖卸荷对隧道变形影响的三维数值模拟分析 93

6.1 概述 93

6.2 数值模拟方案 93

6.3 土体相对密实度及支挡结构刚度对位于基坑正下方隧道的影响 94

6.3.1 不同土体相对密实度对隧道的影响 94

6.3.1.1 隧道纵向隆起 94

6.3.1.2 隧道横向变形 95

6.3.1.3 隧道横截面弯曲应变 95

6.3.1.4 隧道纵向弯曲应变 96

6.3.2 不同支挡结构刚度对隧道的影响 97

6.3.2.1 隧道纵向隆起 97

6.3.2.2 隧道横向变形 99

6.3.2.3 隧道横截面弯曲应变 100

6.3.2.4 隧道纵向弯曲应变 101

6.4 土体相对密实度及支挡结构刚度对位于基坑外侧隧道的影响 102

6.4.1 隧道位移随土体相对密实度的变化（C/D=2，He=9m） 102

6.4.2 隧道位移随支挡结构刚度的变化（C/D=2，He=9m） 103

6.4.3 支挡结构刚度对墙后土体水平位移的影响（C/D=2，He=9m） 106

6.4.4 土体相对密实度对隧道的影响（C/D=1，He=15m） 107

6.4.4.1 隧道顶部纵向位移 107

6.4.4.2 隧道横向变形 108

6.4.4.3 隧道纵向弯曲应变 108

6.4.5 支挡结构刚度对隧道的影响（C/D=1，He=15m） 109

6.4.5.1 隧道纵向沉降 109

6.4.5.2 隧道横向变形 110

6.4.5.3 隧道纵向弯曲应变 110

6.5 基坑开挖尺寸对隧道变形的影响 112

6.5.1 基坑开挖长度的影响 112

6.5.1.1 隧道顶部竖向位移 112

6.5.1.2 隧道横截面变形 113

6.5.1.3 隧道纵向弯曲应变 115

6.5.2 基坑开挖宽度的影响 116

6.5.2.1 隧道顶部竖向位移 116

6.5.2.2 隧道横截面变形 119

6.5.2.3 隧道纵向弯曲应变 120

6.5.3 基坑开挖深度的影响（隧道位于基坑正下方，C/D=3，He=15m） 122

6.5.3.1 隧道顶部竖向位移 122

6.5.3.2 隧道横截面变形 123

6.5.3.3 隧道纵向弯曲应变 124

6.5.4 基坑开挖深度的影响（隧道位于支挡结构外侧，C/D=1，He=15m） 125

6.5.4.1 隧道顶部纵向位移 125

6.5.4.2 隧道横截面变形 128

6.5.4.3 隧道纵向弯曲应变 129

6.6 隧道纵向隆起归一化 130

6.6.1 离心模型试验验证 132

6.6.2 现场试验验证 132

6.7 本章小结 135

6.7.1 隧道位于基坑正下方 136

6.7.2 隧道位于基坑外侧 136

第7章 结论与展望 138

7.1 总结 138

7.2 展望 140

附录 三种不同土体本构模型对基坑开挖卸荷引起隧道变形问题的预测能力研究 142

A.1 概述 142

A.2 离心模型试验描述 143

A.3 有限元模拟 143

A.3.1 有限元网格及边界条件 143

A.3.2 本构模型及模型参数 144

A.3.2.1 Mohr-Coulomb模型 144

A.3.2.2 Duncan-Chang模型 145

A.3.2.3 Hypoplastic模型 146

A.3.2.4 模型参数标定 147

A.3.3 有限元模拟过程 148

A.4 数值模拟结果对比 148

A.4.1 基坑坑底隆起 148

A.4.2 隧道纵向隆起及隆起梯度 149

A.4.3 隧道横截面衬砌直径变形 150

A.4.4 隧道横截面弯曲应变 150

A.4.5 隧道纵截面弯曲应变 151

A.4.6 数值模拟结果总结 152

A.5 土体应力、应变以及劲度分析 152

A.5.1 隧道周围土体应力和劲度分布 152

A.5.2 隧道周围土体应变分布 154

A.5.3 考虑土体的小应变特性在工程实践中的意义 155

A.6 小结 156

参考文献 157

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