基于均匀试验的MJS加固江堤参数敏感性分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目();南通市科技计划项目()作者简介:孙阳(),男,江苏淮安人,副教授,博士,主要从事地下工程结构与土体相互作用研究。:(),基于均匀试验的 加固江堤参数敏感性分析孙阳,蒙邹蕾,王罛霄,姚森(河海大学 港口海岸与近海工程学院,南京 ;南通河海大学海洋与近海工程研究院,南通 ;中铁大桥局集团有限公司,武汉 )摘要:加固技术中各加固参数对工程稳定性的影响及参数间的交互效应、敏感程度及关联机制仍不明确。针对该问题,以南京市建宁西路大直径盾构切削江堤抗滑桩工程为背景,采用 软件进行三维有限元数值模拟,基于均匀实验法对江堤
2、最大沉降、安全系数等指标的注浆压力、加固长度、加固宽度以及加固高度等影响江堤加固效果的参数间的关联机制进行定量评价,在敏感性分析结果的基础上对施工参数进行了优化设计。结果表明:加固参数对江堤最大沉降影响较大,而对安全系数影响较小;适当增大 加固体长度有利于控制江堤最大沉降量;盾构施工中采用适当的支护压力能够有效控制土体的沉降和变形。关键词:加固;盾构施工;均匀试验法;敏感性分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()工法桩()是在高压旋喷桩的基础上创新形成的工艺,可实现 全方位成桩,与土体凝结成强度较高的柱形桩体,对周围环境扰动极小且能够适应水下施工,因此得到了迅速推广 。在数值模拟方面,等 、
3、等 、陈仁朋等 、王岩 、周朋 均对 工法水平桩加固隧道周围土体进行了研究,研究表明 工法桩能够有效提高地基承载力,降低了盾构开挖过程中对既有隧道和周围地层的影响,并且具有良好的抗震性能。宋玉芹等 以上海越江隧道穿越高架桩基为例,采用数值模拟的方法,探讨了 桩不同桩径对桩基和地表沉降的影响。赵云建 采用 有限元软件模拟了盾构下穿高速铁路过程中,不同注浆置换率的水平旋喷桩加固对地表沉降的影响。现有研究只能考虑单一因素的影响,未开展 桩加固效果的多参数关联性分析。研究各因素间的交互效应、敏感程度及关联机制,常见的试验设计方法有正交试验、中心组合试验()、试验()和均匀试验。对于多因素共同作用的复杂
4、问题,变形机理模糊、影响因素复杂,均匀试验法是解决该类问题的有效手段,对于指导工程设计和施工具有重要的工程应用价值及理论意义。在江堤稳定性计算方面,数值分析方法包括有限元单元法 、边界单元法 和离散单元法 。其中,有限单元法被大多数数值分析软件所采用,有限元软件中计算江堤安全系数的方法为强度折减法 。梁一星 和赵翔 基于流固耦合有限元模型,采用强度折减法计算江堤安全系数,与经典毕肖普法计算结果对比,证明了有限元强度折减法应用于江堤稳定性分析是可行的。随着计算技术的发展,人们也更倾向于使用这一方法计算江堤稳定性问题,尤其用于复杂形态和涉及复杂施工的江堤工程问题。本文以南京市建宁西路过江通道大直径
5、盾构切削江堤抗滑桩实际工程为例,基于三维有限元模型,考察盾尾注浆压力、支护压力、加固长度、加固宽度和加固高度等参数在合理范围内变化时江堤的安全系数变化和最大位移变化。运用均匀性原理对影响江堤加固效果的多参数关联机制进行定量评价,以确定各水道港口第 卷第 期影响因素之间的主次关系,为盾构穿越堤防加固设计方案的进一步优化提供决策依据。图 堤防岸坡加固平面图(单位:)工程概述南京市建宁西路过江通道一期工程位于长江大桥和扬子江隧道之间,建宁西路过江通道拟采用两台泥水盾构机分别施工两条隧道(图 ),由北岸工作井向江南始发掘进,隧道外径为 ,内径为 ,管片厚度 ,两隧道净距为 。南岸堤防处被切筋混凝土抗滑
6、桩桩径 ,桩间距 。盾构施工前采用 竖直桩对长江南岸堤防和岸坡加固。在区域内对堤身进行整体加固。计算方法及参数选取 土体参数选取项目区盾构段洞身深度内以流塑状淤泥质粉质黏土及饱和粉细砂、砾砂、圆砾、泥岩、角砾岩、泥质粉砂岩、白云岩为主。堤身为淤泥质粉质黏土呈流塑状、易蠕动的松软结构;层粉砂层呈潮湿的松散结构,为液化土层,均属于不良工程地质层。具体的土体参数见表 。表 土体参数 土层名称重度 ()压缩模量 泊松比 粘聚力 内摩擦角 ()渗透系数 ()淤泥质粉质黏土 粉质黏土 粉砂 强风化凝灰岩 盾构施工参数本文研究内容涉及的盾构施工参数主要包括支护压力和注浆压力。支护压力对开挖面的稳定性的影响至
7、关重要,保证开挖面的稳定是控制表面沉降的关键,在开挖面支护压力欠压状态下推进,会造成开挖面前方土体大范围沉降;在开挖面支护压力超压状态下顶进,会引起开挖面前方土体隆起,因而支护压力需要单独计算,避免以沉降数值为因变量进行相关分析时误认为越大的支护压力越好。注浆压力沿盾尾注浆环向分布,其对隧道上方土体沉降影响较大,且有明确的取值范围。因此,将影响可能显著的注浆压力作为试 俯视图 右视图图 加固参数示意图 验因素之一展开均匀试验。加固参数选取为了优化 的加固效果,考虑注浆压力、加固长度 、宽度 以及高度 作为试验因素,如图 所示,均匀设计试验影响因素的取值范围如表 所示。均匀设计法的主要思想是将试
8、验点均匀地布散在平面格子上,并且保证每个水平每个因子的试验机会都是相等的。均匀试验可通过均匀表()进行试验设计,本试验选取 年 月孙阳,等基于均匀试验的 加固江堤参数敏感性分析()均匀设计表 ,通过使用表选取 、列完成试验设计,如表 所示。表 江堤稳定性影响因素的取值范围 影响因素注浆压力()加固长度 加固宽度 加固高度 取值范围 表 江堤稳定性 因素 水平均匀设计表 序号注浆压力()加固长度 加固宽度 加固高度 三维数值模拟 模型建立和计算结果本文采用 软件进行完全流固耦合计算,模型尺寸为 (盾构掘进方向 垂直盾构方向 高度),土体本构模型为摩尔库伦弹塑性模型 ,基本参数采用表 中的数值。盾
9、构机外环面以及抗滑桩采用板单元模拟,最终衬砌采用实体单元模拟,堤身旋喷灌浆加固区域采用实体单元模拟。假设抗滑桩单排直线布设,根据等效原则简化为一定厚度的抗滑桩墙。加固区根据等效刚度原则,通过计算高压旋喷桩对原有土体的置换率,从而得到整个加固区内复合加固土的参数。板单元设置相应的正向界面或负向界面,模拟结构与土体或是与其他实体单元的相互作用。数值模拟中 大直径泥水盾构的管片长度为 ,盾构机长度为 环管片长度()。模拟计算时以一个管片长度为几何模型片段,将隧道划分为若干个 长的片段,盾构机最后一个环宽为尾部空隙注浆段,盾构每次向前推进 ,同时安装完成盾尾后一个环宽的最终衬砌,三维模型图如图 所示。
10、图 三维计算模型 江堤岸坡稳定的安全系数的计算采用有限元强度折减法,该方法定义了一个强度折减系数,即江堤内岩土体在外部不变的荷载下所提供的抗剪强度最大值 与在江堤内由外荷载产生的实际剪应力 的比值()强度折减法通过对土体的抗剪强度指标 和 进行不断折减,最终得到江堤失稳时的 和 ,江堤失稳时的抗剪强度指标与原抗剪强度指标的比值即为安全系数。()()()数值模拟计算结果将试验点代入三维模型中,如图 所示,随着盾构推进,沉降由盾构面逐渐传递至坡面,由于抗滑桩和 加固区域的存在,盾构产生的扰动难以传递至坡顶,各试验所得的最大沉降位置均位于坡面距堤脚约 处。水道港口第 卷第 期图 隧道轴线纵剖面沉降云
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