• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      軟弱圍巖隧道掌子面極限支護(hù)壓力研究

      2019-10-18 09:19:52王秀英王麗娟鄭維翰王新東
      鐵道學(xué)報(bào) 2019年9期
      關(guān)鍵詞:洪亮黏聚力摩擦角

      王秀英, 李 凱,, 王麗娟, 鄭維翰, 王新東

      (1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 2. 中國水利水電科學(xué)研究院 工程安全監(jiān)測中心, 北京 100038;3. 鐵道第一勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 橋梁與隧道處, 陜西 西安 710043 )

      在當(dāng)前隧道建設(shè)中問題最多、困難最大、風(fēng)險(xiǎn)最高的問題是軟弱圍巖隧道的設(shè)計(jì)施工問題。軟弱圍巖隧道施工具有變形量大、變形速度快且難以控制的特點(diǎn),因此軟弱圍巖隧道施工,應(yīng)堅(jiān)持“加強(qiáng)預(yù)支護(hù),快挖快支,及早閉合”的原則[1-2]。但是為了避免隧道開挖變形過大,往往縮小開挖斷面進(jìn)行分部開挖,這樣不僅大型機(jī)械設(shè)備難以發(fā)揮作用,而且仰拱常常不能及時跟進(jìn)掌子面,使得“及早閉合”這一原則很難實(shí)施。研究表明,掌子面超前核心土變形是導(dǎo)致隧道所有變形的真正原因[3],提供及時合理的掌子面支護(hù)或加固措施,可以在全斷面開挖的情況下大大減小隧道的變形,從而實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖隧道的機(jī)械化施工[4]。因此,如何確定隧道掌子面穩(wěn)定所需的支護(hù)力,成為軟弱圍巖隧道機(jī)械化開挖順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

      國內(nèi)外學(xué)者對掌子面極限支護(hù)力的研究主要采用極限分析法和極限平衡法[5-10]。Leca[7]構(gòu)造了隧道在砂土地層時掌子面的三維破壞模式,采用極限分析法得出了掌子面穩(wěn)定的最大及最小支護(hù)力。Soubra等[8-9]在Leca的基礎(chǔ)上改進(jìn)了破壞模式,實(shí)現(xiàn)了掌子面前方錐形體的圓順過渡,據(jù)此求得優(yōu)化的上限解。Mollon等[10]通過理論和實(shí)驗(yàn)分析了隧道掌子面非對稱擠出變形的失穩(wěn)模型。德國B.Maidl及日本村山假定滑動面為對數(shù)螺旋線,求解得到掌子面最小支護(hù)力。黃茂松等[11]進(jìn)行了非均質(zhì)黏土地基隧道環(huán)向開挖面穩(wěn)定上限分析。從以上的研究可以看出,相比極限分析法,極限平衡法具有計(jì)算簡便,便于工程應(yīng)用的優(yōu)勢。目前,對于土體進(jìn)行極限平衡研究,往往采用費(fèi)蘭紐斯提出的條分法[12],推導(dǎo)大部分采用豎向條分法,然而通過研究發(fā)現(xiàn),豎直條分法因豎直條塊與錨桿結(jié)構(gòu)體存在交叉,不能真實(shí)分析整體穩(wěn)定,對于應(yīng)用錨桿或加筋的工程存在一定缺陷。因此,本文嘗試采用水平條分法進(jìn)行掌子面穩(wěn)定性分析。

      1 極限平衡理論掌子面分析模型建立

      根據(jù)極限平衡理論,對掌子面穩(wěn)定進(jìn)行分析時,首先應(yīng)確定掌子面前方的潛在滑動體、破裂面以及滑動模式,然后通過力學(xué)平衡原理確定維持掌子面平衡所需要的最小支護(hù)力。通過對已有研究進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn),掌子面在坍塌時的破裂面最適于用螺旋線描述[4],因此這里假設(shè)破裂面方程為

      R=R0eθtanφ

      ( 1 )

      本模型的建立采用水平條分法,條分法是將滑動土體分割為若干土條,視土條為剛體,再計(jì)算各土條上的力對滑弧中心產(chǎn)生的力矩。掌子面穩(wěn)定分析模型見圖1。

      設(shè)滑裂面起始點(diǎn)位于θ=0處,并設(shè)螺旋線半徑r0,根據(jù)相關(guān)流動法則的要求,需要令r0與水平地面夾角保持不變,應(yīng)為土體摩擦角φ?;衙娼K點(diǎn)所對應(yīng)的螺旋線半徑為rh,r0與rh的夾角為θh(即:θ=θh)。q1為滑動體上方所受荷載,q2為維持掌子面穩(wěn)定所需要的極限支護(hù)力。B為破裂面長度(即滑動體的縱向長度),D為隧道高度,計(jì)算式為

      D=rhsin(θh+φ)-r0sinφ=

      r0eθhtanφsin(θh+φ)-r0sinφ

      ( 2 )

      觀察此模型,可以發(fā)現(xiàn)僅有夾角θh為變量。

      1.1 水平土條力矩平衡推導(dǎo)

      根據(jù)條分法思想,從滑動土體中任取出一條進(jìn)行受力分析,見圖2。土條上作用的力有重力Wi,掌子面支護(hù)力q2,滑裂面法向、切向作用力Ni、Ti,土條上下兩側(cè)法向作用力Ei、Ei+1,水平剪切力Hi、Hi+1。參考瑞典條分法推導(dǎo),這時需要對土條間作用力進(jìn)行假設(shè),即不考慮兩側(cè)土體作用力,因此認(rèn)為Ei、Hi的合力與Ei+1、Hi+1的合力相同,同時有相同的作用線,作用效果可以相互抵消。

      依據(jù)極限平衡原理,作用在每個土條上的水平、垂直方向上的作用力平衡,可以得出微單元平衡方程為

      q2hi+Ticosα-Nisinα=0

      ( 3 )

      Ti=cli+Nitanφ

      ( 4 )

      所以hi=risinαdθ=ricosθdθ,ri=r0eθtanφ,li=ridθ。

      推導(dǎo)并化為

      ( 5 )

      ( 6 )

      式中:c為土體黏聚力。

      1.2 整體塊力矩平衡推導(dǎo)

      為了求解掌子面所需最小支護(hù)力,需要建立整體力矩平衡方程。因此,依據(jù)圖2,選O點(diǎn)(螺旋面中心)為力矩平衡中心點(diǎn),將作用在滑動土體上的所有荷載對O點(diǎn)求矩,令滑動土體上作用的所有荷載對O點(diǎn)求矩的和等于零。圖2中,力矩包括:Mg、M、M、Mq2,其中Mg為重力力矩、M為q1產(chǎn)生的力矩、M為滑裂面荷載力矩、Mq2為q2產(chǎn)生的力矩。在分析中,假設(shè)抗剪強(qiáng)度中摩阻力、黏聚力均100%發(fā)揮作用,因此計(jì)算出的支護(hù)力較實(shí)際值偏小。

      (1) 破裂面上作用力所產(chǎn)生的力矩M

      ( 7 )

      (2) 掌子面水平推力所產(chǎn)生的力矩

      由圖2可知,在高度為hi的土體上,掌子面水平推力為risinαq2dθ,力臂長度為risin(θ+φ),即

      ( 8 )

      用MATLAB積分為

      ( 9 )

      (3) 頂部荷載q1所產(chǎn)生的力矩

      由圖1可知,破裂面長度為

      B=r0×cosφ-rh×cos(θh+φ)

      頂部荷載的力臂為

      Mq1=q1Bl=q1[r0cosφ-rhcos(θh+φ)]×

      (10)

      (4) 重力所產(chǎn)生的力矩

      土塊條的重力為

      gi=[ricos(θ+φ)-rhcos(θh+φ)]risinαγdθ

      土塊條的重力臂為

      rhcos(θh+φ)

      采用條分方法計(jì)算重力所產(chǎn)生的彎矩為

      (11)

      用MATLAB積分可得

      (12)

      根據(jù)力矩平衡,對O點(diǎn)力矩之和得零,得出

      Mq1+Mg-Mq2-M=0

      (13)

      化簡計(jì)為

      (14)

      通過對式(14)積分,可以發(fā)現(xiàn)求解q2的式中只有θh是未知數(shù),通過MATLAB編程,反用最小求值迭代法,可以計(jì)算具體隧道施工所需要的掌子面支護(hù)力[13-14]。

      2 計(jì)算實(shí)例及分析

      2.1 隧道概況

      計(jì)算實(shí)例選擇寶蘭客專洪亮營隧道,隧道全長961 m,起訖里程為DK988+349~DK989+310,最大埋深約120 m。洪亮營隧道地層從上自下為砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土,出口洞身穿越地層為第四系中更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土。

      洪亮營隧道計(jì)劃在出口端采用預(yù)切槽法施工,在切槽保護(hù)下進(jìn)行全斷面開挖,切槽采用中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研制的中心軸式預(yù)切槽機(jī)械,切槽施工斷面見圖3,仰拱部分為采用傳統(tǒng)開挖,圖3未顯示。研究主要針對埋深范圍為10~50 m。為獲取準(zhǔn)確的黃土物理力學(xué)參數(shù),在洪亮營隧道出口取原狀土進(jìn)行土工試驗(yàn)[13-14],得到洪亮營隧道地層基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

      表1 黃土物理力學(xué)參數(shù)表

      力學(xué)參數(shù)ρ/(kg·m-3)ω/%c/kPaφ/(°)E/kPa砂質(zhì)黃土1.56×10320.8142.8222.485×104

      2.2 洪亮營隧道掌子面支護(hù)力計(jì)算

      根據(jù)洪亮營隧道試驗(yàn)段具體情況,隧道埋深取15 m,埋深與洞跨比近似為1。將表1參數(shù)代入式(14),使用MATLAB計(jì)算得出隧道開挖需要的掌子面最小支護(hù)力為

      q2=3.142×104Pa

      (15)

      為了檢驗(yàn)理論計(jì)算得出的q2值是否可以維持隧道掌子面穩(wěn)定,采用數(shù)值模擬方法建立埋深15 m模型,在開挖面施加支護(hù)力F,計(jì)算模型見圖4[14]。

      為了便于分析,取N=F/q2,計(jì)算得出掌子面擠出位移與N值的關(guān)系,見圖5。當(dāng)N小于1.5時,掌子面擠出位移增大趨勢突然加快,且擠出位移值大于10 cm;當(dāng)N大于1.5時,掌子面擠出位移較小,在5 cm之內(nèi)。

      對比得出,在埋深為15 m及覆跨比近似等于1范圍段時采用全斷面法開挖,掌子面的支護(hù)力應(yīng)為1.5q2,才能確保隧道開挖安全。這也證明了在理想狀態(tài)下,采用理論計(jì)算得出的掌子面最小支護(hù)力q2值較數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏小。

      2.3 不同參數(shù)影響分析

      依據(jù)推導(dǎo)的理論公式,對不同土體參數(shù)、不同隧道埋深下,所需的掌子面支護(hù)力進(jìn)行分析比較。

      (1) 內(nèi)摩擦角的影響

      維持隧道掌子面平衡所需要的最小支護(hù)力隨著土體內(nèi)摩擦角的增大逐漸減小,見圖6。圖中負(fù)值說明增大土體內(nèi)摩擦角可以提高土體自穩(wěn)能力,無需支護(hù)。不同埋深隧道達(dá)到自穩(wěn)所需的內(nèi)摩擦角不同,當(dāng)內(nèi)摩擦角小于30°時,摩擦角的增大對減小最小支護(hù)力影響顯著;這說明實(shí)際施工中若采用預(yù)加固掌子面超前核心土方式來提高掌子面穩(wěn)定性,需要注意不同埋深下加固方案的設(shè)計(jì),同時若采用玻纖錨桿等加固掌子面時,應(yīng)注意加固密度存在合理值,并非越密越好。

      (2) 土體黏聚力

      隨著土體黏聚力增大,維護(hù)掌子面平衡的最小支護(hù)力也近似線性減小,見圖7。不同埋深隧道對掌子面支護(hù)力的需求不同,當(dāng)埋深分別為10、20、30 m時,土體黏聚力需分別達(dá)到40~45、50~55、60~65 kPa,掌子面才可能達(dá)到自穩(wěn)。這說明提高土體黏聚力可以減小維持掌子面穩(wěn)定所需要的最小支護(hù)力,但實(shí)際若需要對掌子面超前核心土進(jìn)行預(yù)注漿加固時,還需要從經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行分析。

      (3) 隧道開挖高度的影響

      隨著隧道開挖高度的增大,維護(hù)掌子面平衡的最小支護(hù)力緩慢增大,當(dāng)隧道開挖高度達(dá)到15 m時,掌子面支護(hù)力突然增大,隨后繼續(xù)緩慢增大,見圖8。隧道開挖高度的增大對掌子面支護(hù)力的影響不顯著,但是存在高度的臨界點(diǎn),本例中15 m是隧道開挖高度的一個臨界點(diǎn),覆跨等于1;由此可見,覆跨比為1時,掌子面所需的最小支護(hù)力會急劇增大,其后緩慢增加。

      (4) 隧道埋深變化

      最小支護(hù)力隨隧道埋深的變化規(guī)律見圖9,隧道荷載采用TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]進(jìn)行計(jì)算,因此荷載隨埋深增加而增大,當(dāng)?shù)竭_(dá)深淺埋分界后趨于穩(wěn)定。

      由圖9可知,維持隧道掌子面平衡所需要的最小支護(hù)力與隧道荷載有相同的變化趨勢,表現(xiàn)為最小支護(hù)力隨著隧道埋深增大先增加后趨于穩(wěn)定,文獻(xiàn)[16]通過離心模型試驗(yàn)也得到了同樣的結(jié)論。另外,從圖9還可以發(fā)現(xiàn)洪亮營黃土隧道可以達(dá)到自穩(wěn)的最大埋深介于9~10 m。

      3 離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證

      土工離心模型試驗(yàn)的基本原理是用原型材料按一定比例尺制作模型,將其置于離心試驗(yàn)機(jī)中,通過加大離心加速度,加大模型自重體積力,使模型的力學(xué)狀態(tài)達(dá)到與原型相同水平[17]。由于離心模型試驗(yàn)可以真實(shí)再現(xiàn)與自重應(yīng)力場相似的變形過程,并能使小比例尺模型更為接近真實(shí)的應(yīng)力水平,因此已經(jīng)成為研究復(fù)雜巖土工程問題的重要方法,國內(nèi)外學(xué)者利用離心模型試驗(yàn)針對軟弱圍巖隧道變形開展了卓有成效的研究[16,18-19]。試驗(yàn)主要目的是研究掌子面不同加固情況下的穩(wěn)定性,進(jìn)而對理論計(jì)算提供驗(yàn)證。

      3.1 試驗(yàn)簡介

      試驗(yàn)在中國水利水電科學(xué)研究院離心實(shí)驗(yàn)室LXJ-4-450大型土工離心機(jī)上完成。該離心機(jī)設(shè)計(jì)最大加速度為300g,有效旋轉(zhuǎn)半徑為5.03 m,見圖10,有效負(fù)載1.5 t,有效荷載容量為450 g·t,使用模型箱的有效尺寸為1.35 m×0.72 m×0.9 m(長×寬×高),見圖11。

      試驗(yàn)以洪亮營隧道為原型,模擬其淺埋段,埋深20 m,隧道斷面原型見圖3,預(yù)襯砌厚度40 cm,綜合考慮原型、試驗(yàn)箱情況及邊界效應(yīng)等對試驗(yàn)結(jié)果的影響,選定相似比n為60。根據(jù)離心試驗(yàn)要求,模擬圍巖的材料取自洪亮營隧道現(xiàn)場黃土,在試驗(yàn)室經(jīng)重塑并進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn),以保證與現(xiàn)場土性的一致[13-14]。襯砌材料采用有機(jī)玻璃模型,依據(jù)DL/T 5102—2013《土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》[20],考慮泊松比的影響,有機(jī)材料的厚度為

      (16)

      式中:μm、Em、dm分別為模型材料的泊松比、彈性模量、襯砌厚度;μp、Ep、dp分別為原型型材料的泊松比、彈性模量、襯砌厚度;經(jīng)計(jì)算得到有機(jī)玻璃厚度12 mm[13-14]。

      試驗(yàn)主要分析超前核心土加固對掌子面穩(wěn)定性的影響,為此制作了兩個模型,左側(cè)隧道是超前核心土有錨桿加固,右側(cè)隧道是超前核心土沒有錨桿加固。試驗(yàn)前有無錨桿超前核心土的情況見圖12。激光測試點(diǎn)Z1、Z2分別用來測量左右側(cè)隧道掌子面擠出位移。

      根據(jù)離心試驗(yàn)的操作要求,制定了不同離心加速度值下的穩(wěn)定時間[14],達(dá)到60g后穩(wěn)定8 min,最終獲得了不同時間段、不同離心加速度值下激光傳感器的數(shù)據(jù)。

      3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

      試驗(yàn)通過Z1、Z2激光測點(diǎn)測定左右兩隧道掌子面擠出位移,試驗(yàn)中由于儀器問題,Z1測點(diǎn)數(shù)據(jù)未得到。試驗(yàn)完成后,通過對比發(fā)現(xiàn)左側(cè)隧道(有錨桿加固掌子面)超前核心土保護(hù)較完整,右側(cè)隧道(掌子面未加固)超前核心土完全破壞,見圖13。這說明超前核心土的加固對保護(hù)掌子面穩(wěn)定非常重要。

      試驗(yàn)過程中Z2點(diǎn)位移變化曲線見圖14。由圖14可見,隨離心機(jī)加速,掌子面擠出位移總體在逐漸增大,當(dāng)離心加速度值達(dá)到17g,掌子面擠出位移達(dá)到0.12 cm,激光傳感器測出的位移值驟然減小到-0.21 cm,說明掌子面坍塌,且坍塌厚度為0.33 cm左右。后期隨離心機(jī)加速,掌子面擠出位移又逐漸增大,在60g時,測得的擠出位移值為0.05 cm,到達(dá)70g時,擠出位移達(dá)到0.26 cm。

      分析以上試驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)離心加速度值達(dá)到17g,隧道掌子面發(fā)生了坍塌,按照1∶60的相似比,土體坍塌時埋深還原應(yīng)為6.7~7.0 m。理論計(jì)算中,土體坍塌時的埋深為9~10 m。兩者差別一方面在于理論公式是在完全理想狀態(tài)下推導(dǎo),假設(shè)土體的黏聚力、摩擦角100%發(fā)揮了作用,另一方面在進(jìn)行試驗(yàn)塑模過程中,掌子面受到一定程度擾動,土體黏聚力和摩擦角都小于原狀土的實(shí)際數(shù)值,因此試驗(yàn)坍塌埋深小于理論計(jì)算坍塌埋深是合理的。

      數(shù)值計(jì)算得出將理論計(jì)算q2值的1.5倍設(shè)為最小支護(hù)力是安全的,從理論與試驗(yàn)的對比來看,理論計(jì)算得出的不需進(jìn)行掌子面支護(hù)的埋深為9~10 m,與通過試驗(yàn)得出的埋深6.7~7.0 m的比值為1.285~1.492,接近1.5,可見試驗(yàn)結(jié)果同數(shù)值計(jì)算結(jié)果近似相同。因此,黃土隧道中,可采用本文理論計(jì)算式計(jì)算結(jié)果的1.5倍作為掌子面的最小支護(hù)力。確定了掌子面所需的支護(hù)力,就可以采取相應(yīng)的掌子面穩(wěn)定性控制技術(shù),其中最為有效和適用的是掌子面預(yù)留核心土[21],可以根據(jù)所需支護(hù)力的大小,按照土力學(xué)理論并結(jié)合隧道高度及跨度計(jì)算并優(yōu)化臺階高度和寬度。

      4 結(jié)論

      本文通過極限平衡理論,推導(dǎo)了維持掌子面穩(wěn)定的支護(hù)力的計(jì)算公式,依托計(jì)劃進(jìn)行全斷面開挖試驗(yàn)的寶蘭客專洪亮營黃土隧道,求解了試驗(yàn)段淺埋情況下所需的掌子面支護(hù)力,并與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比,最后通過離心模型試驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析及數(shù)值計(jì)算結(jié)果,得到的主要結(jié)論如下:

      (1) 掌子面所需支護(hù)力隨土體內(nèi)摩擦角、黏聚力的增大逐漸減小,不同的是,支護(hù)力隨黏聚力的增加基本成線性減小,而隨摩擦角的變化并非呈線性關(guān)系,當(dāng)內(nèi)摩擦角小于30°時,摩擦角的增大對減小最小支護(hù)力影響顯著,再繼續(xù)增大效果不明顯,另外,不同埋深隧道達(dá)到自穩(wěn)定所需要的內(nèi)摩擦角不同,這說明實(shí)際施工中若采用掌子面玻纖錨桿等加固時,應(yīng)注意加固密度存在合理值,并非越密越好。

      (2) 埋深一定時,掌子面所需支護(hù)力隨隧道開挖高度增大先是緩慢增大,達(dá)到覆跨比為1時急劇增大,隨后又緩慢增加。掌子面支護(hù)力隨隧道埋深增大先增加后趨于穩(wěn)定。

      (3) 離心模型試驗(yàn)表明,無掌子面加固的核心土在試驗(yàn)過程中完全坍塌,而有掌子面加固的核心土較為完整。離心試驗(yàn)過程中,離心加速度值達(dá)到17g,隧道掌子面發(fā)生了坍塌,土體坍塌時埋深還原應(yīng)為6.7~7.0 m。

      (4) 離心模型試驗(yàn)較好的驗(yàn)證了理論計(jì)算、數(shù)值分析結(jié)果,黃土隧道中,可采用本文理論計(jì)算式計(jì)算結(jié)果的1.5倍作為掌子面的最小支護(hù)力。由于條件所限,不能進(jìn)行大量的離心模型試驗(yàn),因此,本文推導(dǎo)的理論公式也需要在實(shí)踐中進(jìn)一步修正。

      猜你喜歡
      洪亮黏聚力摩擦角
      季凍黃土地區(qū)框錨邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿內(nèi)力計(jì)算方法
      應(yīng)用摩擦角,巧解動力學(xué)問題
      清朝乾嘉時期名人洪亮吉
      公民與法治(2023年1期)2023-03-31 06:03:32
      李洪亮作品
      借助摩擦角 快解勻速運(yùn)動問題
      黏聚力強(qiáng)度對滑面作用的差異分析
      科技視界(2016年7期)2016-04-01 20:15:33
      摩擦角在平衡問題中的應(yīng)用
      用摩擦角巧解靜力學(xué)問題
      關(guān)于雙重有效應(yīng)力——回應(yīng)洪亮博士
      基于準(zhǔn)黏聚力原理的加筋黏土強(qiáng)度理論淺析
      四川建筑(2014年6期)2014-09-03 11:00:08
      洪湖市| 乌苏市| 绥德县| 乌兰浩特市| 神池县| 京山县| 沁源县| 乐陵市| 昆明市| 河间市| 乡城县| 基隆市| 忻城县| 资溪县| 四会市| 南漳县| 长治市| 石首市| 灯塔市| 绩溪县| 扎赉特旗| 阿尔山市| 南涧| 长寿区| 无为县| 宁武县| 华蓥市| 丹江口市| 阿尔山市| 蓝田县| 沁阳市| 那坡县| 云阳县| 临漳县| 彭山县| 托克托县| 南岸区| 桃源县| 宁明县| 衡阳市| 韶山市|