本文是一篇建筑施工与管理论文,本文主要分析在既有隧道附近上方新建建筑物时,建筑物荷载对既有隧道结构的影响规律。通过说服力较强的理论计算、能够直观展示变化形态的模型试验和模拟状态逼真的数值模拟三种分析方法,对本文的研究对象及规律进行论述。文章主要借助理论计算和模型试验验证数值模拟的有效性。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着我国日益增长的综合国力,城镇化趋势突飞猛进,人们对美好优越生活的无限向往,越来越多的人民走出农村迈向城市,导致城市人口呈现出爆发型增长。许多城市已经难以负荷越来越多的人口,出现密集的生活空间,堵塞的交通,恶劣的生活环境等一系列常态化问题。城市人口对地上空间的使用需求度剧增,发展地下空间势不可挡。21世纪迎来了发展地下空间的高峰期,各大城市的地下空间建设空前崛起,地下轨道交通成为市民出门选择的重要交通工具之一,为广大市民提供了便捷的条件,也缓解了路面上堵塞的现象。现如今,城市立体化建设少不了地下空间的飞速发展,是其关键部分,诸如修建城市地下轨道、供人们消费的地下建构筑物等,都在逐渐建立一个广角度、全方位、现代化的交通系统。城市地铁在近些年作为地下空间的主要交通出行方式倍受广大人民的欢迎,其速度快、乘坐方便的特点让城市地铁进入飞速发展阶段。
现在人们出行首选的交通工具就是地铁,其安全性极为重要。而为了使地上空间得到最大限度的利用,人类将会修建大量的各种结构的建筑物,而这些建筑物的施工过程以及建成后期建筑物对地层的长久挤压,必然会对地下正常运营的地铁隧道产生一定的影响,甚至对地铁隧道本身的结构安全性和使用功能造成威胁。在城市建设过程中,往往出现建筑基坑的工程横跨在既有地铁隧道之上,原有土层的自然状态都会在基坑开挖的卸荷作用下受到影响,造成基坑周围土体发生松动,使地表产生不同程度的沉陷;建筑物的施工是一个加载的过程,也会引起建筑物周围地表沉降、地层位移以及隧道的横向和纵向位移,使隧道自身发生隆起或者沉降等现象,对地铁隧道结构的安全构成严重的危害。在未来,会有越来越多的高层建筑物兴起,会有很多建筑物横跨地铁隧道的工程,也将会遇到很多基坑开挖卸荷和新建建筑物加载的问题,如何顺利的、安全高效的修建建筑物在毗邻既有隧道或者在既有隧道正上方地带以及既有隧道在新建建筑物完工后的使用阶段发生什么变化,值得深入研究。
1.2国内外研究现状
新建建筑物修建必定要从地基基础开始,基坑开挖时土体卸荷,可能会引起地下既有隧道顶部的附加应力发生变化。目前,众多学者对此领域做了深入的研究,并且取得了一定的研究成果。而对于新建建筑物施工加载对隧道结构安全性的影响研究较少,还未形成整套较为成熟的理论体系。
1.2.1建筑基坑对既有隧道的研究现状
鲍啸成[2]重点从基坑四周的支护结构变形、坑底土体的隆起情况以及基坑周围土体地面的沉降量三个方面分析了基坑在施工过程中的变形特征,同时对其三个方面的计算方法进行介绍。运用模拟功能强大的Midas/GTS软件展开模拟分析,主要在隧道与基坑相对位置情况方面,得出了隧道所产生的竖向和横向沉降位移。
丁传松[3]总结了某地区20多个案例,整理了隧道变形的规律。分别针对隧道拱底和拱顶产生的鼓起和沉降的原因做了详细分析,分析结果表明:隧道产生的竖向位移与多种影响因素有关联,并且对隧道拱底隆起最大值展开预测工作,结果显示:隧道拱底隆起与拱顶沉降与基坑尺寸及深度、隧道顶部土层的厚度等参数紧紧相关,实测值基本符合线性函数。
Sun等[4]针对圆形开挖对既有隧道产生变形影响的一种创新做了深入研究,主要以Mindlin公式为依据,建立了圆形开挖对隧道造成影响的解析模型,并且与现有的模型试验和四边形开挖解析解进行了对比,得到了较好的结论,即圆形开挖的跨径和深度对最大隧道隆起量有一定的影响,并且呈线性增长。
Zhang等[5]对于深支撑的支护,提出了符合理论原则的设计方法,并且利用二维和三维的数值模拟方法对颗粒土中支撑开挖的支护力做了研究。
第2章新建建筑物对既有隧道影响的变形原理
2.1地基附加应力计算
1、Mindlin法求解地基附加应力
通常,我们在进行地基附加应力计算时,把弹性力学中的应力和位移方程作为基本条件。假定地基土体为各向同性、均质的半无限弹性体[45],其边界条件在纵向和水平方向都是无限延展的,故可以直接采用弹性力学公式进行求解计算。
目前,通常采用Boussinesq公式对弹性体的应力和位移求解计算,由于Boussinesq解是竖向荷载作用在半无限弹性体边界平面上,不计算体力所求的解。所以,Boussinesq解常用于埋深较浅基础的纵向位移的求解,而对于基础埋置深度较大的高层建筑来说,建筑物荷载作用与半无限弹性体内部,故采用Boussinesq公式进行计算会产生一定的误差,若采用Mindlin公式进行计算则会得到较为合理的结果。长期以来,由于Mindlin公式的参数复杂、公式冗长等缺点,并没有得到广泛的应用。Mindlin公式是将竖向集中力或者水平向集中力施加于各向同性半无限弹性体的任意深度h处,可求解得出竖向的应力和位移。如图2-1所示:
2.2模型试验基本原理
2.2.1相似理论
在进行模型试验过程中,现有试验环境、试验设备、试验场所以及试验经费等客观因素,都会对试验结果的准确性产生影响,所以,大多数模型试验的研究对象采用的是试验效果较好的结构模型。相似模型和缩尺模型是室内模型试验的两种主要类型,其中,结构模型正是采用了缩尺模型,结构大小按照原型的整体或者部件的尺寸进行一定相似比例的换算得到,它代表了实际产物。结构试验与足尺试验相比,节省了大量的人力劳动、物资浪费并且最重要的是其试验所得数据的准确度较高。
若要进行相似模型试验,试验的设计原则和要求必须放到首位,在此前提下,整个试验的设计严格遵循相似理论进行,始终使原型与模型存在一定的相似比例,相似理论的重点知识是相似三大定理[51]。
2.2.2相似模型
为了保证模型试验的准确性,本试验使用与原型主要物理力学参数、力学性质相似的材料。定性模型与定量模型是相似物理模型的两种主要研究形式。定性模型一般情况下只需要求满足最主要的相似常数即可,对于其它不必要的相似关系可以简化,为了更形象得到原型中所呈现出来的现象规律特征,通过模型试验可以直观的预测判断出来。而在定量模型中,其要求相对苛刻许多,都必须要满足模型与原型之间的相似关系(常数),并且必须保证这些常数之间也有一定的组织关系,这样就能够以定量模型系统得出的物理量反推导出原型中的物理量。
第3章建筑荷载作用下隧道变形模型试验...........................15
3.1模型试验基本原理.................................15
3.1.1相似理论..............................15
3.1.2相似模型.....................................15
第4章建筑荷载对既有隧道影响的数值模拟分析............................33
4.1有限差分法FLAC3D的概述..............................33
4.2数学力学原理......................................33
第5章不同影响因素下数值模拟规律分析..................................47
5.1模型尺寸及边界设定................................47
5.2建筑物荷载的设置.............................................47
第5章不同影响因素下数值模拟规律分析
5.1模型尺寸及边界设定
由于受到模型试验仪器与时间等客观条件的限制,第四章数值模拟所采用的模型尺寸相对较小,引起的边界效应影响比较明显,对数值模拟结果的准确性会产生一定的影响。为了消除或者减小边界效应的影响,本章采用相对较大尺寸的模型进行数值模拟,土体模型尺寸大小为120m(长)×120m(宽)×50m(高)。建筑物基础、建筑物荷载的计算以及边界条件的设置同第四章,建筑物荷载施加面的尺寸大小为50m(长)×20m(宽)。本章的数值模拟中,其模型材料参数同第四章的建模参数相一致。其数值模拟模型如图5-1所示。
结论与展望
结论
本文主要分析在既有隧道附近上方新建建筑物时,建筑物荷载对既有隧道结构的影响规律。通过说服力较强的理论计算、能够直观展示变化形态的模型试验和模拟状态逼真的数值模拟三种分析方法,对本文的研究对象及规律进行论述。文章主要借助理论计算和模型试验验证数值模拟的有效性。主要结论如下:
(1)本文采用Mindlin公式和角点法计算附加应力的理论计算公式,主要利用计算方法便捷的角点法对隧道长度中心点上方的围岩土层应力进行计算,其计算数值与数值模拟提取数据相差较小,验证了数值模拟的有效性。
(2)依据相似模型试验数据结果,分析隧道在不同荷载和荷载距隧道中心线不同水平间距两种影响因素下荷载对隧道的变化规律。其中,隧道长度方向拱顶的沉降量和应力在不同荷载下都呈“V”字形分布。隧道长度方向中心点上方地层监测点应力随着荷载的增大而增大;在同一荷载下监测点埋置越深,应力值越大。在建筑物荷载距隧道中心线不同水平距离下,隧道拱顶沉降量和应力值随着水平距离的增大而减小。隧道长度中心点上方监测点的地层应力随着水平距离的增大逐渐减小。在水平距离为0cm和6cm时,隧道中心监测点应力随着深度的增加而减小;在水平距离为12cm和18cm时,其监测点应力随着深度增加而增大。
(3)根据相似比建立FLAC3D三维数值模型,提取数据结