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施工引起地层移动的有限元分析

发布于:2016-09-30 21:52
有限元分析

      地下隧道盾构法施工具有适应不同地层和埋深、对周围环境的影响较小、施工的机械化程度较高、掘进速度快、施工安全等优点,尤其适用于城市地下开挖工程。随着盾构技术日益完善,土压平衡盾构、泥水平盾构在欧、美、日等西方国家得到了广泛应用,我国目前也倾向于应用盾构法进行城市地下交通施工,下面详细先容盾构法的有限元分析方法。
      过江隧道采用泥水盾构法施工,线路走向主要受两端线路疏解制约,受到多处建筑物和地下管线的影响。盾构施工对这些建筑物和管线产生影响的程度和范围,及如何采取有效得保护措施,是需要切实解决的问题.盾构施工中最关心的问题之一是施工对周围环境的影响,主要是地层运动的影响。国内外地下工程界对此非常重视,进行了深入的研究,其中最有影响的是:Peck提出了计算地下开挖导致的地表沉降分布的经验公式;同济大学和上海市政局根据多年来盾构施工实践的资料对Peck公式进行了研究,分别提出了考虑土体扰动后固结沉降和地层损失概念的修正Peck公式;骆建军等通过对现场量测数据的统计分析,给出有限元法的特征曲线解析。
      盾构施工过程中的地表沉降是由隧道埋深、地层条件、盾构机型、施工工况等多种因素造成的,不同地域的结果差别较大。在中国,盾构机的应用及研究主要集中在上海,研究成果也主要针对上海的地质条件和土压平衡盾构等特点,同时国内关于盾构施工对地层影响的研究还限于一般地铁隧道施工引起的地面沉降的预测与研究。本研究从保护建筑物的角度出发,研究越江公路隧道盾构施工导致的地层水平位移,这在国内尚未见报道。
      总应力分析法和有效应力分析法是岩土工程中两种最基本的分析方法。从应用上来说,总应力分析法一般用于不考虑渗流固结的情况,对于盾构推进的施工过程,土体的应力和变形分析属于短期变形,因此本研究采用总应力分析法。在盾构隧道开挖过程的模拟中,土体与衬砌结构的相互作用采用接触面模拟,接触作用采用摩擦硬接触。在实际工程中土的应力-应变关系是非常复杂的,本研究采用以Mohr-Coulomb准则为屈服准则的弹塑性模型,用有限单元法分析弹性薄壳,有两种不同的途径:一种是用薄单元组成的折板系统代替原来的薄壳,由平面应力状态和板弯曲应力状态加以组合而得到薄壳的应力状态;另一种是直接采用曲面单元,根据壳体理论推导单元刚度矩阵,本研究分析衬砌时采用后一种方法。
      应用ABAQUSApp模拟双线平行隧道开挖,两隧道中心距离为16.322m,模型的1方向取120 m,2方向取60 m。土体采用平面应变4节点等参单元,管片采用平面应变4节点减缩积分非协调单元。土体单元数为1048,节点数为1153,管片单元数为48,节点数为96。针对不同地层损失率VL(VL分别取为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)进行模拟。模拟中的开挖外径Dt按公式π4(D2m-D2t)/π4D2s=VL计算,得Dt分别为11.0294、11.0588、11.0880和11.1173 m,开挖直径Dm=11.69 m,衬砌外径Ds=11 m.对隧道埋深H取13.77 m(其他埋深的网格图略)、20.77 m、27.77 m和34.77 m时的情况进行模拟。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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