西安地铁航天城站、隧结构的黄土湿陷变形影响分析（可编辑）

西安地铁航天城站、隧结构的黄土湿陷变形影响分析（可编辑） 西安地铁航天城站、隧结构的黄土湿陷变形影响分析 独创性声明 本人所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知, 除特别加以标注的地方外,论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本 文的研究工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处,由本人承担一切相关责任。 论文作者签名:?碡一上护侈年弓月昭日 学位论文使用授权 本人作为学位论文作者了解并愿意遵守学校有关保留、使用学位论文的规定,即: 在导师指导下创作完成的学位论文的知识产权归西安理工大学所有,本人今后在使用 或发表该论文涉及的研究内容时,会注明西安理工大学。西安理工大学拥有学位论文的 如下使用权,包括:学校可以保存学位论文;可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文;可以查阅或借阅。本人授权西安理工大学对学位论文全部内容编入公开的数据库 进行检索。本学位论文全部或部分内容的公布包括刊登授权西安理工大学研究生学 院办理。 经过学校保密办公室确定密级的涉密学位论文,按照相关保密规定执行;需要进行 技术保密的学位论文,按照《西安理工大学学位论文技术保密申请表》内容进行保密附 《西安理工大学学位论文技术保密申请表》。 保密的学位论文在解密后,适用本授权。 .年;月/日 论文作者签名:盎牛导师签名:摘要 论文目:西安地铁航天城站、隧结构的黄土湿陷变形影响分析 学科专业:岩土工程 研究生:陆斯 签名: 签名: 指导教师:邵生俊教授 捅 要 西安地铁一、二、三号线建设工程中,由于湿陷性黄土厚度相对较薄,距离相对较短, 湿陷性较弱,而隧道具有一定的埋深,已经开展的西安地铁、、号线均未遇到突出的 湿陷性黄土工程问题。然而,拟建的西安地铁号线在航天城区段有较大厚度的湿陷性黄 土覆盖层,该线近长的站区位于大面积连续分布的湿陷性黄土地层中。地铁车站地下 结构和隧道基底下卧湿陷性黄土地层具有较大的湿陷性变形,将引起车站地下结构和隧道 过大的沉降变形,或者显著的不均匀沉降,影响地铁的安全运行。根据初步研究和设计成 果,该湿陷性黄土站、区段,隧道的修建方法包括放坡明挖法、穿越黄土地裂缝的暗挖法 和穿越湿陷性黄土地层的盾构法。但是,不管采取哪种施工方法,都面临因黄土湿陷变形 而引起的技术难题,需要进行专门研究以加以解决。本文研究中,重点研究浸水饱和条件 及地下水位上升两种浸水条件下,穿越湿陷性黄土的盾构隧道衬砌结构的工程特性,得出 如下结论: 建立了黄土的湿陷系数、压缩模量、湿陷起始压力与其物理性质指标之间的相关 关系,为隧道黄土地基湿陷性和湿陷变形对隧道衬砌结构作用分析提供了基础。 在降雨入渗和地面浸水入渗作用下,隧道衬砌结构具有截渗防止地基增湿和 浸水 饱和的作用,隧道两侧砂井的导水作用可以预防黄土地基增湿湿陷变形和浸水饱和湿陷变 形。 依据黄土压缩模量与其物性指标之间的相关关系确定饱和黄土压缩模量可以用于 黄土地基湿陷变形评价分析。 应用数值方法模拟湿陷性黄土明挖隧道开挖、维护、施工、回填荷载变化过程及 浸水饱和地下水位抬升条件的分析表明,隧道黄土地基浸水入渗饱和比地下水位抬升浸水 饱和的最大湿陷变形大。 西安地铁号线深厚湿陷黄土盾构隧道与车站区间、盾构隧道与暗挖区间、 盾构隧道与盾构隧道联络通道三种连接地下结构的衬砌结构管片均发生不同程度破坏,需 对盾构隧道与不同地下结构连接处进行加固处理并设置变形缝。 埋深湿陷性黄土盾构隧道地基的湿陷变形控制宜确定为。 关键词:黄土隧道;湿陷变形;浸水饱和;地下水位上升;数值模拟;’ : :陀:上厶 : : :. ’, ..... .., 仃 ,册 ,, . , ?? , , ,.、,.【彻 ,: , ,. , . , ., . . . . . .%.. ’,, , . ,. , .: , , , ,.绪论 目录 .绪论? .课题研究背景?.. .黄土隧道的湿陷变形工程问题.. .湿陷性黄土隧道工程的特点?.. .研究目的及意义.. ..研究目的? ..研究意义? ..研究必要性 .国内外研究现状和发展趋势?.. ..国内湿陷性黄土隧道基础处理技术现状 .。国内大厚度湿陷性黄土处理新思路.主要研究内容?.. .研究技术路线?. 西安地铁号线隧道围岩黄土的工程性质分析?.. .最小偏二乘法回归模型建立原理。湿陷起始压力与土的物性指标之间的相 关分析.自重湿陷系数与土的物性指标之间的相关分析.压缩模量与土的物性指 标之间的相关分析? .湿陷起始压力、自重湿陷系数、压缩模量与土的物性指标关系的验算? .土层参数的选取 ..初始土层参数的选取?.. ...饱和压缩模量的确定?.. ..回弹模量的选取.. 地表浸水条件下地铁号线隧道围岩湿度场计算分析?.. . 非饱和渗流分析方法与计算模型?. ..分析方法及原理 ..计算模型及参数. ..边界条件. .隧道衬砌结构对地层浸水入渗的影响??.. ..降雨入渗条件下隧道围岩湿度场随时间的变化??.. ..持续浸水入渗条件下隧道围岩湿度场随时间的变化.. .砂井导水对地基浸水入渗的影响明挖区间隧道黄土湿陷变形分析?.. .本构模型 .模拟方法 ..建模、计算初始应力场.. ..开挖模拟.. 。回填模拟? ..浸水入渗、地下水位上升模拟??.?. .地面浸水饱和湿陷变形分析? ..计算断面的选取. ..计算模型. ..各断面基底湿陷变形?..西安大学硕士学位论文 ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. .地下水位抬升湿陷变形分析? ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. .明挖隧道三维模型湿陷变形分析盾构区间隧道黄土湿陷变形及管片结构内 力分析一 .双线盾构隧道全断面施工方法的模拟 .站.隧湿陷不均匀沉降变形与管片结构内力分析?. ..浸水湿陷变形模拟分析思路?.. ..计算模型及模型参数?。 ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. ..管片不均沉降倾斜率及错距?.. ..管片结构内力分布分析.. .盾构隧道.暗挖隧道湿陷不均匀沉降变形与管片结构内力分析?. ..浸水湿陷变形模拟分析思路?.. ..计算模型及模型参数?.. ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??。 ..盾构段管片不均沉降倾斜率及错动位移??。 ..管片结构内力分布分析.. .盾构隧道.盾构隧道联络通道湿陷不均匀沉降变形与管片结构应力分析. ..浸水湿陷变形模拟分析思路?.. ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. ..不均匀沉降斜率及错距. ..管片结构内力分析??。 隧道地基湿陷变形控制条件分析?.. .站隧区间不同湿陷性黄土地基不均匀沉降变形与结构内力分析? ..计算模型及模型参数?.. ..不均沉降倾斜率.. ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. ..管片结构内力分布分析.. .站隧区间不同湿陷厚度地基不均匀沉降变形与管片结构内力分析 ..计算模型及模型参数?. ..管片不均沉降倾斜率及错距?.. ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. ..管片结构内力分布分析.. .盾构隧道湿陷不同湿陷性地基不均匀沉降变形与管片结构内力分析..计算 模型及模型参数?一 ..管片不均沉降倾斜率及错距?一 ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. ..管片结构内力分布分析? .盾构隧道不同湿陷厚度地基不均匀沉降变形与管片结构内力分析 ..计算模型及模型参数?.. ..不均沉降倾斜率及斜率.. ..湿陷变形沿隧道轴向的分布变化??.. ..管片结构内力分布分析一.绪论 .隧道地基黄土湿陷的应力条件分析.. .隧道围岩压力及地基竖向竖向应力的数值计算分析 ..明挖区间隧道围岩压力及地基竖向竖向应力的数值计算分析??.. ..站.隧区间隧道围岩压力及地基竖向竖向应力的数值计算分析??. ..盾构区间隧道围岩压力及地基竖向竖向应力的数值计算分析??.. .隧道地基黄土的竖向应力条件及其与湿陷起始压力的比较 ..明挖区间隧道地基黄土的竖向应力条件及其与湿陷起始压力的比较??.. ..站.隧区间隧道地基黄土的竖向应力条件及其与湿陷起始压力的比较??. ..盾构区间隧道地基黄土的竖向应力条件及其与湿陷起始压力的比较??.. 结论与展望?. 致谢??.. 参考文献?...绪论 .绪论 .课题研究背景 随着我国经济的快速发展,城市人口的不断增加,城市车辆以平均每天万辆 的速度 飞速增长,地面交通拥堵已成为困扰城市居民出行的一大难题,为此,各大城 市纷纷将注 意力转向地下工程【,地铁建设也就成为解决这一问题的有效途径。西安作 为西北地区最 大的城市,地铁的建设早已成为西安城市发展的关键工程。目前,西安地铁号线已于 年月底运行通车,号线也已建成。号、号线正在建设中。西安地铁一期规划 的条线路总里程.。由于西安地区具有塬、梁、洼、阶地的地形地貌特征,较普 遍地覆盖湿陷性黄土。其中跨越渭河阶地的线路总长.,占总路线的%,跨越皂河 阶地.,占总路线的%,跨越泸河阶地.,占总路线的%,跨越黄土梁洼 .,占总路线的%,跨越黄土塬和台地的线路.,占总路线的%,西安地铁 线路穿越近百公里的黄土地层,可见,黄土的湿陷性对西安地铁建设和运行的影响巨大。 根据西安地铁、、、号线建设经验,在西安黄土地区建设过程中主要存在以下 问题:地裂缝活动工程问题【】;地铁穿越古建筑地基及振动工程问题【】; 湿陷性黄土和饱和软黄土工程问题【】;地震动饱和砂土液化和黄土震陷工程问题【 等。 西安地铁、、号线建设工程中,由于湿陷性黄土厚度相对较薄,距离相对较 短,湿陷性较弱,而隧道具有一定的埋深,已经开展的西安地铁、、号线均未遇到突 出的湿陷性黄土工程问题。然而,拟建的西安地铁号线在航天城区段有较大厚度的湿陷 性黄土覆盖层,该线近长的站区位于大面积连续分布的湿陷性黄土地层中。地铁车 站地下结构和隧道基底下卧湿陷性黄土地层具有较大的湿陷性变形,将引起车站地下结构 和隧道过大的沉降变形,或者显著的不均匀沉降,影响地铁的安全运行。根据初步研究和 设计成果,该湿陷性黄土站、区段,隧道的修建方法包括放坡明挖法、穿越黄土地裂缝的 暗挖法和穿越湿陷性黄土地层的盾构法。但是,不管采取哪种施工方法,都面临因黄土湿 陷变形而引起的技术难题,需要进行专门研究以加以解决。 由于车站修建一般采用基坑明挖法,可以对车站结构基底下的湿陷性黄土采取常规的 处理方法加以整治,部分明挖隧道也可以采用常规的处理方法加固,因此,本项目研究中, 重点研究浸水饱和及地下水位上升【’ 】条件下,穿越湿陷性黄土的盾构隧道衬砌结构的工 程特性 .黄土隧道的湿陷变形工程问题 湿陷性黄土的定义为一定压缩应力条件下浸水饱和时湿陷系数超过.的黄土和黄 土状土。黄土因其特殊的生成条件常具有密度小、湿度低、粘粒少粉粒%% 以上、 欠压密、大孔隙和直节理发育、富含碳酸盐类等特点,对水具有特殊的敏感性。它的湿陷 变形发展,既具有量上的不可忽视性,又具有速率上的急剧增长性。因此,当湿陷性黄土 作为地基时,防止湿陷性危害性就成了黄土工程的核心问题【】。西安理工大学硕士学位论文 由于新黄土在沉积形成过程中气候干燥,土中所含的碳酸盐、硫酸钙等在土的颗粒表 面析出胶结物与结合水、毛细水共同形成较好的粘性,使土在自重作用下形成大孔隙、欠 固结的状态。这类黄土一旦被水浸湿后,由于水分子楔入颗粒间破坏原来联结,造成盐类 溶解,使土的抗剪强度降低,在自重或上部结构荷载的作用下土体产生显著的附加下沉, 造成建筑物的沉降变形过大,形成病害【引。 隧道开挖施工过程中,疏松湿陷性黄土可能会产生洞顶塌方,甚至引起局部地表连续 下沉,从而形成地表塌陷。拱顶上部土体中形成竖向裂缝等,为隧道地表的积水或降雨提 供了下渗通道,使洞顶上覆土层中易形成陷穴或落水洞,是危害湿陷性黄土隧道的不良条 件。在隧道建成后,上覆黄土湿陷变形发展可能会进一步导致土体产生裂缝,使隧道上部 土体沿地裂缝产生剪切破坏,隧道上部土体的应力重分布。湿陷变形引起的地裂缝也会为 隧道地表的农业灌溉用水或降雨提供了下渗通道,导致在浅层土体中陷穴或落水洞发育。 当地表水沿地表裂缝向隧道两侧下渗至基底下土层时,造成隧道基底黄土湿陷变形发展。 隧道地基浸水后产生过大的沉降变形或不均匀沉降变形,对衬砌结构造成威胁。 隧道上覆湿陷性黄土浸水后,土层的自重增大,且产生变形,隧道围岩土体拱效应承 担的荷载逐渐转移到隧道衬砌上,使隧道衬砌结构承担的压力增大,一方面使衬砌结构内 力增大,可能引起结构产生裂缝;另一方面将荷载传递到隧道基底下湿陷性黄土地层,引 起基底土层附加应力增大。当湿陷性黄土地基遭受浸水时,产生的湿陷变形会更大,影响 隧道的安全运行。除此之外,当隧道结构一侧湿陷性黄土遭受浸水时,土体侧向抗力减弱, 易引起结构发生侧移。 鉴于黄土隧道湿陷变形的危害性,针对西安地铁湿陷性黄土隧道工程,从浸 水饱和前 提条件出发,主要揭示黄土隧道的湿陷变形变化规律及其对衬砌结构的影响,为湿陷性黄 土隧道地基的加固治理提供指导。 .湿陷性黄土隧道工程的特点 黄土隧道【‘】是穿越黄土地层的地下工程。与建筑工程黄土地基比较有以下特点: 隧道成洞的开挖过程是围岩土体卸荷的过程,表现为围岩土体中竖向、侧向压应 力减小,而剪应力增大。对于地面建筑物黄土地基,在上部结构荷载作用下其承受附加荷 载作用,地基土承受铅垂向显著的附加应力作用。 黄土隧道的进出口往往穿越具有倾斜临空面的黄土边坡。而建筑物地基一般位于 平缓的黄土场地,或者距边坡具有一定的安全距离。黄土隧道进出口边坡易遭受降雨冲刷, 不易积水;平坦场地降雨产流后易在洼地积水,促使黄土地基浸水。 黄土隧道成洞一般采用暗挖法或盾构法施工,开挖成洞的空间小,施工作业面狭 小,地基处理常规施工机械无法应用,且易产生振动,引起开挖面周边黄土松动,不易采 用常规的地基加固处理技术。而建筑地基基坑可采用明挖法施工,开挖场地 工作面大,有 利于地基加固处理。 黄土隧道围岩或上覆土层中分布有湿陷性黄土层时,隧道开挖施工工作面内对其.绪论 进行加固处理难度大。建筑物地基的湿陷性黄土便于被加固处理,全部或部分消除湿陷性。 甚至可以采用桩基础,穿透湿陷性土层,避免湿陷变形引起基础产生沉降。 黄土隧道内一般没有供水管道,无管道可能破裂产生地基浸水湿陷的条件。而建 筑物基础内和周边地基中往往埋设供水、排水管道,管道破坏,地基浸水作用,易引起建 筑物不均匀沉降;还可能有地表积水渗入地基产生浸水湿陷。 黄土隧道对沉降变形控制要求严格。对于客运专线路基工后沉降控制标准如表 ..所示。然而,对于高速铁路要求路基工后沉降小于。 表.客运专线工后沉降控制标准 总的工后沉降量 过渡段差 不均匀沉 年沉降速 差异沉降 异沉降形 桥尾过渡 降 线路等级 一般地段 率 错台 / 成的折角 段 / ? ? ? , 有碴 / 轨道 ? ? ? 以上 / 无碴 ? ? ?/ ?. 以上 轨道 地表浸水进入黄土隧道地基引起湿陷变形时,需经历上覆土层水分运移,且 绕过 隧道衬砌结构截渗,才能增加隧道地基土的湿度,甚至饱和。浸水进入地基的 水分渗径长, 而对于建筑物地基工程,地表浸水只经历基础埋深范围土层的水分运移,或 者由埋置供水 管道漏水等可直接进入地基,引起湿陷变形。 湿陷性黄土地基的湿陷等级划分是依据湿陷系数、自重湿陷系数分别达到. 以上的土层,应用分层总和法计算湿陷变形量来评价。对于黄土隧道地基来讲,由于隧道 上覆土层和隧道及其以下土层没有受到附加荷载作用,因此,仅依据自重湿陷变形量来进 行场地等级评价。并且,也只能说明隧道围岩黄土的湿陷性强弱和潜在湿陷变形量大小。 隧道地表浸水入渗可引起衬砌结构围岩上覆土层松动,导致衬砌结构上承受的作 用荷载增大;上覆土层含水率增大,导致上覆土层自重增大,亦可导致衬砌结构上承受的 作用荷载增大。相对于隧道竣工后围岩土体中的应力条件,衬砌结构上承受的附加荷载, 会引起隧道基底下土层附加应力增大,从而为隧道地基产生增湿或浸水饱和湿陷变形。 黄土地层中隧道开挖施工引起上覆土层松动,改变应力条件,促使湿陷性黄土地 层竖向微裂隙进一步发展。 .研究目的及意义 ..研究目的 对西安地铁四号线沿线黄土的湿陷性进行分析研究,从而对成因不同、形成年代 不同、埋深及湿陷性土层厚度不同、湿陷条件不同的湿陷性黄土的工程特性 进行准确评价, 为不同工况下,西安地铁建设中遇到的湿陷性黄土地基处理问题提供参考意见建议; 完善适宜于西安地铁工程中黄土地基的湿陷变形分析方法;西安理工大学硕士学位论文 结合不同施工工法,研究地铁穿越湿陷性黄土区段,地铁结构破坏机理、特征分 析及变形能力,建立地铁工程穿越湿陷性黄土变形控制处理标准,确保西安地铁穿越湿陷 性黄土工程建设顺利开展; 通过对地铁穿越湿陷性黄土的特征研究,提出技术可行、经济合理的处理措施及 施工方法,达到缩短工程周期,节省投资的目的【之。 ..研究意义 湿陷性黄土的复杂性和特殊性,使西安地铁在穿越湿陷性黄土时,在勘察、设计、施 工中存在“问题多、难点多、数据少、参数缺”等诸多技术难题;建设的西安地铁号线是 我国地铁工程首次穿越大厚度湿陷性黄土的地铁工程。而对于地铁工程穿越湿陷性黄土, 我国还没有专门针对湿陷性黄土地区隧道工程或地下工程的技术标准。因此,如何准确评 价湿陷性黄土的工程性质,准确获得和正确应用相关参数指标,建立适合于西安地铁工程 湿陷性评价体系。结合不同施工工法,分析地铁隧道穿越湿陷性黄土变形特征,建立地铁 穿越湿陷性黄土变形控制标准。研究国内高速铁路、公路等穿越湿陷性黄土隧道的处理措 施及处理标准,提出不同施工工法、不同实现厚度、工程不同部位地铁工程的结构处理措 施、地基处理措施或周边防水处理措施,得到各类处理措施的技术参考,解决设计施工中 的关键问题,成为目前西安地铁建设亟待解决的关键问题。 考虑西安未来地铁规划,依托代建的地铁号线建设工程,以号线提出的“技术措 施”为基础,兼顾未来西安地铁建设同类型需要,针对湿陷性黄土开展系统研究,分析其 物理力学性质受力机制和变形机制,建立地铁工程黄土湿陷性评价方法,为地基处理 的优化设计提出依据和相关参数,丰富“技术指南”的编制,对后续地铁工程结构设计和施 工组织提供借鉴和指导。 ..研究必要性 本课题的实旌是西安地铁穿越湿陷性黄土工程建设顺利开展的需要。待建的 西安地 铁号线,有相当长的线路位于大面积的湿陷性黄土地层中,尤其是下卧土层仍具有较大 的湿陷性。根据地铁公司前期的调研结果,地铁穿越湿陷性黄土工程的顺利开展,将面临 着以下几个方面的技术难题需要进行专门研究以加以解决: ?地铁工程下卧湿陷性黄土湿陷的可能性及其湿陷量的大小问题; ?地铁工程适应不均匀变形的能力及变形控制标准问题; ?地铁工程基础底面湿陷性黄土处理厚度问题; ?地铁工程穿越湿陷性土层的施工措施问题。 因此,本项目中的关键技术成果可以直接为西安地铁号线及西安类似地质条件下的 地铁建设提供技术支撑,对西安湿陷性黄土的工程建设均有借鉴和指导意义。 本课题的实施是完善湿陷性黄土地区地铁建设相关技术标准,促进技术进步的需 要。 随着西安地铁建设线路的增多,地铁穿越湿陷性黄土的经验不足和技术水平落后的 .绪论 问题逐渐显现,有可能引发诸如设计过于保守和不合理,施工工艺或方式不当等问题。迫 切需要解决湿陷性黄土地区地铁建设的关键技术,完善和制定相关勘察、设计、施工、检 测和监测等技术标准,指导工程建设的顺利开展。目前我国还没有专门针对湿陷性黄土地 区隧道工程或地下工程的设计,而深入研究地铁工程中湿陷性黄土的湿陷变形影响并 提出可靠的处理机预防措施,有效解决西安地铁号线乃至其他同类工程遇到的湿陷问 题,将为西安地铁建设提供有力的技术支撑。因此,本项目取得的研究成果和关键技术必 将对《湿陷性黄土地区建筑规范》等相关技术标准的补充完善提供工程实践和科学依据, 对提高黄土地区地铁工程的设计、施工技术水平,具有巨大的促进和推动作用。 .国内外研究现状和发展趋势 ..国内湿陷性黄土隧道基础处理技术现状 近几十年,我国在湿陷性黄土地基处理】方面取得了一定成果,具体处理方法多种 多样,本文将其归纳总结,基本思路主要有以下几种: 完全消除基础下黄土土层的湿陷性,这些处理方法包括换土垫层法、夯实法、挤 密法、预浸水、化学加固法等。换土垫层法主要有灰土垫层、素土垫层两种, 通过分层夯 实,填土能达到较大密实程度,具有低压缩变形、高强度等特点。然而该方法在处理深度 方面有限,通常只能消除范围内湿陷土层的湿陷性。重夯法在适宜的含水率条件 下,通过重锤对地基进行反复夯打,使其密实,能有效夯实..范围内湿陷土层, 消除其湿陷性,并能形成一层降低地表水入渗至地基基础的弱透水层。强夯法能对适宜含 水率的湿陷性土层进行局部或者整片处理,处理深度一般为~。挤密法陋是通过人 力、机械、爆扩等方法成孔后,在孔内填充最优含水率的土或者灰土桩,以此达到挤密适 宜含水率的湿陷性土层的效果,其处理深度为~。司炳文在挤密桩以及重夯法的应 用基础上提出的孔内深层强夯技术,即法,该方法将强挤密、高压强、高动能等优 点集于一身,能同时挤密桩体及桩间土,提高复合地基的承载力,处理深度可达到, 对变形要求严格且浸水可能性较大的工程较为适宜。预浸水法殛是针对湿陷土层较为深 厚时常采用的方法。其主要适用于自重湿陷性黄土场地的地基处理,可消除 距地面以 下湿陷性黄土层的全部湿陷性。化学加固法,其一般用于加固地下水位线以上的建构筑物 地基,目前化学加固的方法主要有单液硅化法及碱液加固法,其中单液硅化法处理的深度 最大可达,碱液加固法处理深度一般小于。 然而,换土垫层法、夯实法、挤密法通常适用于湿陷性土层在以下的浅层地基 工程;孔内深层夯实处理方法,也即处理方法,它综合了重锤夯实、强夯、土桩等 地基处理技术的优点来完成对深厚覆盖层湿陷性黄土地基及其他软弱地基的加固处理。预 浸水法是针对具有自重湿陷性的黄土地层,在其自身重力作用下,进行预浸水,预先消除 自重湿陷变形的一种处理方法。可以处理的湿陷性黄土的厚度在以上。但缺点是只 能消除地表 以内土层的湿陷性,且工期耗时长,易产生湿陷地裂缝。这些方法在郑 西客专陋】路堤湿陷性黄土地基加固处理中得应用。其中,灰土挤密桩法在郑西高速西安理工大学硕士学住论文 铁路凤凰蛉隧道入口段进行了应用,成孔后夯填水泥土。水泥土挤密桩设计参数为:挤密 桩直径.一.,间距.×.,按等边三角形布置,桩底深至老黄土地层约; 明挖段基底挤密桩桩顶换填三七灰土,仰拱底部厚。凤凰岭隧道洞内基底需处理段落 长。但是,成孔和夯填振动对黄土的扰动引起施工人员担忧。 桩基础技术桩基础穿越湿陷性黄土地层,可以将上部结构荷载直接传递至深层 土,避免了湿陷变形导致的基础沉降变形问题。隧道基底下覆湿陷性黄土时,也可以采用 桩基础支撑隧道衬砌结构,将上覆黄土体增湿产生的附加荷载传递至持力层,控制衬砌结 构基底下湿陷性黄土的压缩应力及沉降变形发展。神朔铁路复线新杏树峁浅埋隧道采用了 树根桩处理技术。树根桩是指桩径在~、长径比大于、采用螺旋钻成孔、用 配筋和压力注浆工艺成桩的钢筋混凝土就地灌注桩,又称为小直径钻孔灌注桩,布桩可以 采用竖向、斜向设置,网状布置如树根状,故称为树根桩。隧道基底采用树根桩加固;初 期支护采用锚网喷及型钢钢架加强,二次衬砌采用钢筋混凝土衬砌,并且隧道内轮廓在标 准设计的基础上放大 。树根桩在平面上采用梅花型布置方式,在边墙处采用× 纵×横,在仰拱下采用× 纵×横。树根桩桩径? /,桩长 ,桩身 在圆周等间距布置, 灌注混凝土,钢筋笼直径 ,桩身主筋采用根 箍筋采用。为使各根桩连成整体并加强基底整体刚度,在树根桩桩顶应浇注 承台,可与隧道仰拱一起浇注。主要的处理方法如表.所示。 表.湿陷性黄土地基常用的处理方法 一般可处理基础下的 名称 适用范围 湿陷性土层厚度 素土 地下水位以上的湿陷性黄土,局部或整 ~ 垫层法 片处理 灰土 ~ 强夯 饱和度一%的湿陷性黄土,局部或 夯实法 整片处理 重夯 成孔挤密 ~ ?%,?%的湿陷性黄土,局部 挤密法 或整片处理 ~ 孑内夯实挤密 ?、?级自重湿陷性黄土地基,可消除 预浸水法 地面下以下土层的湿陷性 ? 化学加 单液硅化法 一般用于加固地下水位以上的既有建筑 ? 固法 碱液加固法 物地基 桩基 变形要求高,有稳定持力层 ? ..国内大厚度湿陷性黄土处理新思路 近年来工程项目越来越多,许多大型工程建设项目不得不建设在大厚度湿陷性黄土场 地上,如甘肃捡财塘风电厂工程的湿陷黄土层厚大于,蒲城电厂的湿陷性黄土层厚 ,宁夏扶贫扬黄工程的湿陷性黄土层厚,西安地铁号线南段的湿陷性土层厚度 最厚达。如果按照传统的处理方法,采用桩基穿透,一方面处理费用相当昂贵,另 一方面对于地下工程,即便是选择桩基,操作空间亦无法满足施工的要求。因此,基于黄 土力学研究的新进展,确立大厚度湿陷性黄土的地基处理思路,提出处理措 施和相关技术.绪论 标准尤为重要。 近几年有人在大厚度湿陷性黄土地面工程方面进行了一些有益的尝试,值得总结。 对于主要由地表浸水,且地下水位埋深大的湿陷性黄土地基,可以从阻止入渗和向深 部土层导水,来保护隧道围岩黄土的结构性。谢定义等从保护湿陷性黄土结构性的角度出 发,提出了一种深厚湿陷性黄土处理的新思路,即以防水为主的综合处理措施,通过浅层 砂层阻水、深层砂井导水来确保湿陷性黄土不受水的浸湿,从而最终实现工程的安全运行。 邵生俊等 】认为湿陷性黄土地基的处理常采用破坏原状土结构的技术措施,从而不 能充分发挥天然地基的承载力,当处理深度较大时,其施工难度较大,费用较高。结合深 厚湿陷性黄土地基具有地势高、地下水位深、含水量低的条件,提出了浅层阻水、浅层排 水、浅层防水、围封截水和竖井深层导水的综合整治新技术,是处理深厚湿陷性黄土地基 的一种新途径。将这种技术改造,重点应用深层导水技术,在导水砂井顶部局部设置集水 粗粒土层,收集浅层下渗水分,可以有效保护黄土源及山岭湿陷性黄土隧道围岩的原状结 构。 张豫川【 等结合甘肃捡财塘风电厂工程,提出大厚度湿陷性黄土场地应当注重考虑 场地内的水环境及基底以下湿陷土层的具体状况,当确定能通过一定的防、排水措施来避 免黄土发生浸水湿陷时,则可以以防、排水措施为主来设计地基基础,选用合理的地基基 础形式和地基处理深度。该工程地基土的强度和变形参数按塑性含水率取值,因场地没有 浸水可能,没有考虑桩的负摩擦阻力的影响和剩余湿陷变形量的限制。该工程现已投入使 用,地基基础费用至少比原来设计节省一半。 文君【等结合多个高层建筑地基处理工程,提出对湿陷性黄土先采用素土或灰土 挤密桩挤密后,消除自重湿陷性场地的侧壁负摩擦阻力,使桩的侧摩擦阻力提高,然后再 进行其他符合地基或桩基础施工,其结果能有效地提高地基土强度,同时消除场地的湿陷 性和自重湿陷性,减小桩长。这种方法重视消除自重湿陷性,改善桩基的承载环境,是值 得提倡的。 孙宏等【】结合甘肃窑街油页岩炼油工程,提出了场地内防排水、环境治理、上部结 构措施相结合的综合处理方法。在此基础上,可适当的放宽地基处理后的剩余湿陷量。这 一方案在对大厚度湿陷性黄土实际处理当中达到了良好的效果,为特殊条件下的岩土治理 提供了解决问题的方法。 李敬昌【结合宁夏扶贫扬黄工程,提出了在预制桩上涂沥青层来达到减小甚至消除 负摩阻力的方法。 黄雪峰等【】在深入分析大厚度湿陷性黄土入渗规律的基础上,就挤密法、化学加固 法、夯实法、预浸水法等湿陷黄土处理方法的优缺点进行了详细的探讨,对一些方法提出 了质疑。认为当处理方法受到限制时,而无法达到要求的处理深度时,应根据地基处理深 度的不同,合理控制地基剩余湿陷的大小,同时采取相应的防、排水措施及结构措施,以 此来弥补处理深度的不足,进而保证工程能正常使用。其还认为相对于地基进行局部处理,西安理工大学硕士学位论文 整片处理可适当放宽剩余湿陷量,同时在处理效果上也明显较好。 田耀文,杜、】结合某市基底湿陷土层厚度为.至.单体构筑物,采用 强夯灌注桩方法进行地基处理。该方法不仅能够满足建构筑物所需的承载力要求, 而且由于施工过程容易控制,施工方法成熟,施工速度快,桩体质量能得到最好的保证。 特别是在地基表层有较厚松散填土层的湿陷性黄土地区,强夯灌注桩是最为有效的地基 处理方法,值得推广和应用。 .主要研究内容 黄土湿陷系数随压缩应力的变化规律及其与土性指标之间的关系 对西安地铁号线场地进行黄土湿陷变形试验,分析湿陷系数随压缩应力的变化规 律;建立适用于西安地铁号线场地的湿陷变形特征参数与黄土土性之间的关系。 黄土隧道基底湿陷发生条件、作用机理及湿陷可能性研究 根据黄土湿陷性理论研究成果,结合隧道构筑物特点,对黄土隧道基底黄土发生湿陷 的各种因素如水、土体以及隧道所处环境等的演变规律进行理论分析,并从理论方面分析 各发生因素对湿陷的作用机理以及研究论证基底发生的可能性。 黄土盾构隧道不同浸水条件下湿陷变形与衬砌结构力学响应分析 针对黄土盾构隧道,在隧道开挖、管片衬砌支护应力场分析的基础上,模拟浸 水下渗 饱和以及地下水位上升饱和两种不同浸水条件,进行隧道黄土地基湿陷性分析,衬砌结构 与黄土围岩的相互作用,以及衬砌结构的不均匀沉降和结构内力变化。依据盾构隧道的变 形控制条件和实际隧道不同地层条件,分析论证实际隧道区间沉降变形是否满足运行要 求,评价隧道不同衬砌环之间是否出现张拉破坏。 不同湿陷条件以及不同湿陷土层厚度情况下隧道结构允许的湿陷变形条件 针对站隧区间盾构隧道段全部浸水达饱和以及盾构区间一半浸水达饱和两种工况,对 其在不同湿陷条件以及不同湿陷土层厚度情况下隧道结构力学响应进行分析,确定隧道结 构允许的湿陷变形条件。 黄土隧道地基土湿陷变形发生的应力条件及特性规律研究 针对隧道开挖与衬砌结构构筑特点,分析地下水位上升饱和,以及浸水下渗饱和条件 下,黄土隧道基底土层应力分布变化规律。与起始湿陷压力比较,论证黄土地基发生湿陷 变形的应力条件。测试分析不同应力条件下黄土的湿陷变形特性,以及卸荷回弹条件下湿 陷性变形特性的差异。探讨隧道湿陷变形的分析方法;论证确定隧道基底黄 土湿陷变形分 析的弹塑性模型参数。 基于湿陷发生的各种条件及湿陷对隧道结构的影响,提出西安地铁四号线航神 区间段湿陷变形控制标准 基于黄土湿陷性的发生因素如水、土及地形地貌等,结合隧道构筑物特点,通过分析 隧道基底黄土的湿陷变形以及由此产生的隧道下沉和强度破坏,从满足工程正常运行条件 出发,提出西安地铁四号线航神区间段湿陷变形控制标准。.绪论 .研究技术路线 .根据已有西安地铁四号线地质勘察报告及室内土工试验结果,采用最小偏二乘法建立 土的物性指标与湿陷起始压力。。、自重湿陷系数、压缩模量等力学参数的关系,并通 过数值反演,得到土的饱和压缩模量,进而将所得的力学参数推广到计算分析当中。 .通过岩土专业软件.的模块模拟西安地铁施工当中可能的浸水条件,分 析不同浸水条件对围岩湿度场的影响。 .运用软件,考虑在不同浸水条件下,将所得土的物性指标及力学参数运用于明 挖隧道数值模拟当中,分析明挖隧道地基湿陷变形以及湿陷变形对隧道衬砌 结构的作 用响应。 .运用?软件,考虑在不同浸水条件下,将所得土的物性指标及力学参数运用于明 挖车站一盾构隧道区间,暗挖隧道一盾构隧道区间,盾构隧道与盾构隧道之间有联络通 道三种工况的数值模拟当中,分析不同工况的盾构隧道地基湿陷变形以及湿陷变形对 隧道衬砌结构的作用响应。 .提出西安地铁四号线航神区间段的湿陷变形控制标准。 本文的研究技术路线及方法如下图所示: 图.研究技术路线及方法 .西安理工大学硕士学位论文 西安地铁号线隧道围岩黄土的工程性质分析 .最小偏二乘法回归模型建立原理 设自变量与因变量构成的数据表分别为:,和【 将原始数据表,标准化,得到标准化后的自变量矩阵和因变量矩阵。 提取第一轴和及其相对应的第一成分和 . “ . 是矩阵’的最大特征值对应的单位化的特征向量; 是矩阵’’的最大特征值对应的单位化的特征向量。 求和对的线性回归方程 .. 式中,回归系数向量 :“, . 面 . :粤 ,分别为两个线性回归方程所对应的残差矩阵。 收敛性的检验 用类似于抽样测试法的交叉有效性来对方程进行收敛性的检验,当计算的精 度不能满足要 求时,则用和,取代和,然后再求第二轴和及其第二成分和,重复 以上步骤,直到计算精度满足要求。若在计算完第个成分后计算终止,则有 . : :?。: . ,.’甜,『?,,.: 还原变量 由于,,?,均可表示为,,?,的线性组合,因此可得到的线性回归 方程形式为 一.一 . ’: , 式中’,,分别是,,经过标准化后的变量。 然后按照标准化的逆过程还原和,,。 最后可得相关方程为 . .湿陷起始压力与土的物性指标之间的相关分析 本文在选择土的物性指标时,依据已有文献关于土性指数特征的相关矩阵, 仅考虑 这些简单试验所得到的物理特性,相关系数大约为...之间在实际应用中,显 示出 了较弱的线性关系。如表.所示,可以看出,液限与含水率以及干密度相关 .西安地铁号线隧道围岩黄土的工程性质分析 系数在...之间,即这三个土的物性指标具有较弱的线性关系。以这样的三个 线性 相关性较差的三个土的物性指标建立其与湿陷起始压力的线性关系。 表.土的物性指标的相关矩阵 土性 粘土 . . . . .. . .. . . . . . . .. . .. . . . . 。 。 .. . .. . . . . . . .. . .. . . . ?. . .. . . . .. .. . . . 。 .. . .. . . .. .. .. ?. .. .. . .. . . . . . .. . .. . . . . . . 粘土 .. . . . . 除以上三个线性相关性弱的原因外,本文在选择以上三个变量时,一方面依据湿陷性 黄土的结构性理论,尽可能地选取重要指标;另一方面,考虑到指标测量的易行性和遵循 参数节省的原则。同时为了建立的关系式中变量都为无量纲,将上述三个选取的变量化为 干密度与水密度之比密度比/、天然含水率与液限之比含水比/个物理指 标作为自变量,分别以,表示。湿陷起始压力与大气压之比作为因变量,以表 示。由前面对湿陷性黄土的分析可知,首先是表征黄土结构特征、为湿陷性提供空间条件 的因素,用孔隙比/表示。其次是选用含水比/能反映水对黄土湿陷性起到的作 用。综上分析,选用与湿陷性关系密切的两个指标,即/、/。 表.土的物性指标与湿陷起始压力的取值 旦坠丝:兰墨曼型巳垃坐坐望鱼堕旦 塑垒垒坐逊璺箜塑巳堡坐曼 土样编号臻黔含臻嘎?湿陷繁等加 , . .. . .. . .. .. . .. . .. . . .. . . . . .. . .. . .. . .. . . 】 . . . 西安理工大学硕士学位论文 建立回归方程过程中选取表示湿陷起始压力。与标准大气压。之比压力比, 表示干密度与水密度之比密度比,表示土的天然含水率与液限之比含 水比。由此采用偏最小二乘法建立了如下回归方程: . ’...: 丫?:旦 式中,’,.一。罗 “ /一 。 。 , 矿和氏分别为的均值和均方差,又和分别为的均值和均方差。 将,,,按标准化的逆过程即可得到与原始数据;,:的显示预测方程。如若 计算所得的?,则取。最终得到回归方程为 :. ..旦.. .从所得到的最终回归方程来看,密度比。/.与压力比呈正相关,含水比/。与 压 力比呈负相关。这跟湿陷性黄土本身的基本性质是相符的。根据黄土湿陷变形的结构性理 论,黄土的湿陷性强弱及湿陷量的大小与黄土大孔隙、粒间空隙、架空结构以及粒内空隙 有着密切的关系。而就目前对湿陷性的研究,并未找到很好的计算和测定方法来对这些孔 隙的大小进行计算测定。但干重度作为一个重要的土的物性指标,反映的是黄土的密实程 度,一定程度上也就体现了孔隙的大小及多少,所以当干密度越大,也即密度比越大时, 土的密实程度也就越大,因此黄土的湿陷起始压力随密度比的增大而增强,呈正相关。 表.各土样湿陷起始压力实测值与计算值 .?号猎鬻?号鬻鬻 以实测值为横坐标,预测值为纵坐标建立坐标系,建立实测值与预测值的偏差 图,当预测值与实测值偏差不大时,偏差图中的点应落在。线附近。.西安地铁号线隧道围岩黄土的工程性质分析 咖 湖 蜘 季 嬲 图.湿陷起始压力实测值与预测值的偏差图.. 表.及图.表明,实测湿陷起始压力值与偏最小二乘法建立的回归预测模型 所计算出的湿陷起始压力值基本吻合,说明土的物性指标与湿陷系数具有较 好的相关 性。因此,可以通过物性指数的变化趋势推测湿陷系数的变化趋势。 .自重湿陷系数与土的物性指标之间的相关分析 通过对影响土体压缩模量的各个影响因素的比较,最终选取干密度与水密度 比值 密度比、含水量与液限比值/含水比两个指标针对自重湿陷系数器运用 最小偏二乘法进行多元回归分析。 表.土的土的物性指标与自重湿陷系数的取值 . ?? 四号甏;葛嗯暾愀西安理工大学硕士学位论文 由最小偏二乘法计算得到土的土的物性指标与自重湿陷系数的多元回归线 性方程为 . 疋..拿..旦. 。 可以看出,自重湿陷系数巧随着密度比的增大而减小,随着/含水 比的增大而减小。 表.自重湿陷系数预测值与实际值的比较~土样编号 预测值 实测值 土样编号 预测值 实测值 .西安地铁号线隧道围岩黄土的工程性质分析 图.自重湿陷系数实测值与预测值的偏差图.. 表.表明及图.,实测自重湿陷系数值与偏最小二乘法建立的回归预测模型所计 算出的自重湿陷系数值基本吻合,说明土的物性指标与自重湿陷系数具有较好的相关性。 因此,可以通过物性指数的变化趋势推测湿陷系数的变化趋势。 .压缩模量与土的物性指标之间的相关分析 通过对影响土体压缩模量的各个影响因素的比较,最终选取干密度与水密度比值 /密度比、含水量与液限比值/含水比两个指标针对压缩模量。运用最小 偏二乘法进行多元回归分析。 当压力在范围内时 表.土的土的物性指标与压缩模量的取值 土样编号蕊。含待焉吼压惹嚣西安哩大学硕士学位论文 由最小偏二乘法计算得到当压力在~范围内时,土的土的物性指标与压缩 模量的多元回归线性方程为 一.兰. 陀 、 一.工 从所得到的最终回归方程来看,当压力在范围内,密度比。/.与压缩 模量呈正相关,含水比/。与压缩模量呈负相关。这一点符合湿陷性黄土的基 本性质。 当干密度越大时,土的密实程度也就越大,黄土越难压缩,则其压缩模量也越 大。当含水 率越高时,土颗粒流动性越大,土体越容易压缩,压缩模量则越小。 表.压力范围内压缩模量预测值与实际值的比较 .................?? ......?? 预测值 实测值 预测值 实测值 土样编号 土样编号。’.西安地铁号线隧道围岩黄土的工程性质分析 卯 孔 扒 挞 坫 屹 图.压缩模量实测值与预测值的偏差图 ..表.及图.表明,当压力在~范围内时实测压缩模量值与偏最小二乘 法建立的回归预测模型所计算出的压力在~范围内时压缩模量基本吻合,说 明 土的物性指标与湿陷系数具有较好的相关性。因此,可以通过物性指数的变 化趋势推测当 压力在~范围内时压缩模量的变化趋势。 当压力在~范围内时 表.土的土的物性指标与压缩模量的取值 土样编号干密/警含鬻嗯乳 压缩模量西安理工大学硕士学位论文 由最小偏二乘法计算得到当压力在~范围内时,土的土的物性指标与压缩 模量的多元回归线性方程为 生:. ..旦. . 可以看出,当压力在~范围内得到的压缩模量。,均随着/密度比 的增大而增大,随着/含水比的增大而减小。 表.压力~范围内压缩模量预测值与实际值的比较.. 垫塑塑曼呈堂垒 土样编号 预测值 实际值 土样编号 预测值 实际值 ? ? ? 加 ? ? ? 图.压缩模量实测值与预测值的偏差图 ..表.及图.表明,当压力在~范围内的实测压缩模量与偏最小二乘法 建立的回归预测模型所计算出的压力在~范围内时压缩模量基本吻合,说明土.西安地铁号线隧道围岩黄土的工程性质分析 的物性指标与湿陷系数具有较好的相关性。因此,可以通过物性指数的变化趋势推测当压 力在~范围内时压缩模量的变化趋势。 .湿陷起始压力、自重湿陷系数、压缩模量与土的物性指标关系的验 算 本文计算场地土的物性指标的选取根据西安地铁号线南段的航天东路.神州大道区 间。实验场地地貌属二级黄土台塬。在实验场地内打设及两个探井。试样土工试 验结果如表.及表.所示 表.探井土工试验结果 .干密摩 土层 自重湿陷系数 口王“旧小耿 一“ 督 % 鬻% 湿陷群力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 】. . . . . . . 干密摩 土层 自重湿陷系数 口星业旧小取 一腽 督 需 、湿陷群力 % % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 压缩模量/, 压缩模量/,西安理工大学硕士学位论文 表.力学参数计算值与试验值比较 .?????????? ?? 湿陷起始压力 自重湿陷系数压缩模量压缩模量 ?口 ?田 由两个探井的土的物性指标可得到: 就湿陷起始压力而言,及中个土样干密度平均值为.;含水率平 均值为.;液限平均值为.。将三个土的物性指标平均值代入第二章中式. 中,得到计算场地的湿陷起始压力的计算值为,这与土工试验所得湿陷起始 压力 平均值.吻合度较高。说明可以将其作为计算值代入计算中。 就湿陷系数而言,及中个土样干密度平均值为.;含水率平均值 为.;液限平均值为.。将三个土的物性指标平均值代入第二章中式.中, 得到计算场地湿陷系数计算值为.,这与土工试验所得压缩模量.吻合度极 高。 说明可以将其作为计算值代入计算中。 就土层的压缩模量而言,将三个土的物性指标平均值代入第二章中式. 中,得到的压缩模量为.,这与土工试验所得土层压缩模量.吻 合度极高。说明可以将其作为计算值代入计算中。 就土层的压缩模量而言,将三个土的物性指标平均值代入第二章中式. 中,得到的压缩模量为.,这与土工试验所得土层压缩模量平均值. 吻合度极高。说明可以将其作为计算值代入计算中。.西安地铁号线隧道围 岩黄土的工程性质分析 .土层参数的选取 ..初始土层参数的选取 本文初始粘聚力,摩擦角西选择室内固结快剪实验所得参数;及压缩模量 根据公式.及公式.所得,分别为.和.,代入计算式.及. 得到初始体积模量及剪切模量,式中为压缩模量与弹性模量转化系数,其 取值为.,斗为泊松比,其取值为.。具体的初始土层参数的选取见表. :竺:生 . 。?‖ :竺:垦 . ‘‖ ...饱和压缩模量的确定 湿陷性土层浸水后发生沉降变形应包括湿陷性土层自身结构性的破坏而产 生的湿陷 变形以及上覆土层自重增大使下部土层产生的压缩变形。而在室内试验中, 自重湿陷变形 量,为保持天然湿度和结构的试样,加压至该试样上覆土的饱和自重压力时,下沉稳定后 的高度与上述加压稳定后的试样,在浸水饱和作用下,附加下沉稳定后的高度的差值。即 由于陷性土层自身结构性的破坏而产生的湿陷变形。在反演过程中,本文是通过将天然重 度变为饱和重度来模拟压缩变形,通过将压缩模量进行折减来模拟湿陷变形。 模型的建立 根据地质勘察报告,西安地铁号线航天东路~神州大道区