盾构隧道在泥炭土层位移研究

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1、盾构隧道在泥炭土层位移研究　　摘要：本文利用有限差分软件FLAC3D对泥炭土中的管道运营过程进行数值模拟，分析了在泥炭土层中，排水管道运营过程中对周围土体的影响情况。关键词：差分，数值分析，位移中图分类号：[U25]文献标识码：A1引言目前有较多的商业程序都可以开展盾构开挖的数值模拟，相当于其他软件而言，FLAC和FLAC3D在分析隧道开挖问题是具有以下几方面的优势：FLAC3D有比较完备的土体本构模型可够选择，能够针对工程实际分析各种类型的土层或岩层；FLAC3D程序中设置了管片单元（liner）、壳单元（shell）等结构单元，可以比较方便的将隧道中的衬砌嵌入分析模型中；本章通

2、过一个比较典型的分析实例——软粘土地层盾构开挖对地层扰动的影响分析——为广大FLAC3D应用者提供一个讨论平台，为解决FLAC3D模拟盾构隧道问题提供了帮助。2参数选择8泥炭土又称草炭土，在滇池流域内，由于河流分支较多，可以形成相对封闭的水域，气候适宜，有利于水生、湿生植物生长，为泥炭土土层的形成提供了基础。泥炭土是漫长的地质作用过程中的产物，它不同于一般的连续固体介质，具有孔隙比大、含水量丰富、有机质含量高、压缩性高、呈多级团粒结构等特征。2.1泥炭土的主要工程地址问题（1）地基承载力低。泥炭土特定的沉积环境，以及其高压缩性，大孔隙比，高含水量等物理力学特性，决定了地基承载力极低

3、，即平均值小于100kPa。（2）不均匀沉降。泥炭土是在缓慢的流水环境下沉积的，而且在空间上的分布差异性较大，具有明显的分选性，因此在建筑物的地基范围内易出现软弱下卧层，使建筑地基产生差异性的不均匀沉降。（3）施工困难。由于泥炭土分布地下水位较高，一般在1~2.3m内，且土层厚度较大，这就给筏基、条基、箱基的排於清淤工作带来了较多的困难，严重的甚至会造成塌方，因此在工程中应予以极大地重视。后期沉降，指从注浆结束开始，直到下沉停止的那部分下沉，引起这部分沉降的原因，主要是固结变形与蠕变变形，在软粘土地基表现尤为明显。2,2流固耦合理论8在介绍流固耦合固结理论之前，首先来认识一下什么是

4、排水/不排水分析。排水/不排水分析是分析渗透速度（seepagespeed）和加载速度（loadingspeed）对地层影响。诸如粘土这种透水性差的地基在饱和状态下受荷时，地层中的水不能及时排出去，将和土骨架（soilskeleton）一同受力。与土壤相比，水的体积模量（bulkmodulus）较大时，水将承受大部分的载荷，这种状态的分析叫不排水分析。相反，像砂土地层那样透水性较好的地基，不管加载速度有多快，荷载大部分由土壤骨架承担，这种状态的分析通常被称为排水条件分析或排水分析。粘土地层的固结分析是与排水/不排水分析密切相关的分析功能。固结分析与非排水相同是分析水在荷载作用下产生

5、的超孔隙水压力随时间变化的过程。这种固结现象实际上就是没有及时排除的承受荷载的水随着时间的推移会逐渐通过边界流出，超孔隙水压力也会随着时间逐渐减小，土壤骨架随之产生变形，土壤骨架上的有效应力也随之发生改变。FLAC3D可以模拟流体在类似土等多孔介质中的流动。这种流体的模拟可以是独立于一般力学计算而独自循环迭代计算，也可以与力学计算耦合计算以实现流体—固体相互影响的效应。流体—固体相互影响（fluid/solid8interaction）的一种现象就是我们所常称之为的固结效应，即孔隙水压在土体里的缓慢消散引起了土体进一步变形。这种固结效应通常会涉及到两种力学上的影响，一种是孔压的变化

6、引起土体有效应力的改变（这种改变会影响土体的力学性能，比如有效应力的降低可能引起塑性屈服）；另一种是这种孔压变化以及由其引起的孔隙水流通可能引发土体体积的改变。FLAC3D为我们提供了一个良好的分析模拟平台，其基本实现了基于数值方法采用流固耦合分析固结现象的设想。采用流固耦合分析中，所必须要谨记的一点是：每当系统的应力边界或位移边结发生变化时，均需关闭流体场，单独计算力学场使系统达到平衡，然后考虑流固耦合计算或单渗流场计算。本例中隧道开挖首先去除需开挖管片环的地层单元，同时添加管片单元模拟该环管片的支护，在开挖面上施加支护应力，关闭FLAC3D中的流体渗流分析部分，计算模型在单力学

7、场中的土体不排水变形量，迭代计算使模型在不排水状态下达到平衡，然后开启流体渗流场，使用流固耦合计算土体在该环开挖时间内的排水变形量（固结变形量），耦合计算该时步完成后，进入下一环开挖过程计算，如此往复循环，直至隧道完成。2.3.3壳单元模拟隧道衬砌支护在FLA8C3D中提供了shell、liner等隧道管片结构单元可供模拟隧道管片。Shell单元可直接粘附在地层单元上，liner单元则可提供管片与地层的接触面，通过设置接触面参数以实现地层与隧道共同作用现象的模拟。2.