1、盾构隧道在泥炭土层位移分析摘要：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：A 1 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
2、中； 本章通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 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
3、载力极低，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 12.3m 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 在介绍流固耦合固结理论之前，首先来认识
4、一下什么是排水/不排水分析。排水/不排水分析是分析渗透速度（seepage speed）和加载速度（loading speed）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（soil skeleton）一同受力。与土壤相比，水的体积模量（bulk modulus）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
5、作用下产生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/solid interaction）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，一种是孔压的变化引
6、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，计算模型在单力学场
7、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 FLAC3D 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。 2.3 土体参数的选取 FLAC3D 中针对修正剑桥模型需要输入的参数只要有 、 、 、 、 、等六个参数，具体转
8、换如下： 摩擦常量 M： 可以根据下式确定，式中为有效摩擦力。 （1） 正常固结曲线及等压膨胀曲线（、 ）： （2） （3） 、可由正常固结线和等压膨胀线（曲线） ，再通过换算得到参数，此值通常可在（）范围内选取。 正常固结曲线位置（曲线， （） ）： 确定土体的正常固结曲线（曲线）位置是一个相对复杂的过程，牵涉到一些公式的推导，这里着重阐述一下； 要确定正常固结曲线必须确定正常固结线上的初始计算点（） ， 在土体破坏状态线（Critical State Line） ，有所下关系式； （4） （5） 在土体不排水强度有如下式关系（Britto）： （6） 由在稳定状态面（Stable Stat
9、e Boundary Surface）有： （7） 联立式 6 和式 7 可得到土体初始正常等压固结曲线的参数。这里可取 1。 前期固结应力： 设土体历史上受到过的最大应力为 对于屈服方程： （8） 前期固结应力有： （9） 其中：OCR 为超固结比，分别为现有土体应力状态。 （4）切模量与最大体积弹性模量 G，Kmax： 修正剑桥模型中定义土体单元的实际计算时的体积模量随其平均有效应力、孔隙比容相关，其在计算过程中随土体的应力应变状态而自动改变。 本次工程穿越泥炭土层，根据泥炭土的工程性质可知泥炭土的次主固结比较大，在盾构顶进的过程当中，沉降值相对较小，然而由于盾构机顶进后，管壁受到上浮力后
10、,混凝土管壁有向上隆起的趋势。但工后的沉降值较大，本次数值计算因没有得到可靠的土体参数因此只能按照经验取值。具体参数取值见表 1。 表 1 参数选取表 参数 干密度 孔隙比 渗透系数 固结系数 数值 0.39 5 9*e-9 0.15（经验值） 参数 膨胀系数 固结比 内摩擦常量 基准应力 数值 0.023（经验值） 1.2（参考上海软土） 0.4 1 3 位移分析 3.1 空载时的隆起分析 此时，从孔隙水压力的矢量图中可以看出，顶进管体周围的水压已经趋于稳定。恢复到了为扰动前的的值。具体流体矢量见下图，从图中可以看出，流体矢量方向几乎数直向下，因此，与为顶进前几乎一致。 3.2 满载时的土体
11、位移分析 运营后土体的次固结沉降，泥炭土的主要工程性质就是次固结沉降比较大，因此在管体稳定后，由于管内流体的作用，是的管道下方的土体继续受到压缩，且变化值不容忽视。 根据具体设定的参数，计算的最终沉降值如下。 从沉降的位移图中可以看出，沉降导致的最终位移大小为 12cm，在开挖阶段的上浮与工后的下沉值对于管体的整体稳定性存在着不利的影响. 4 结论 通过对管道运营过程中土体的位移分析得到的结论如下： 空载时在浮力的作用下管道会在孔隙水压力的作用下上浮，造成表面土体的隆起。 在满载时，管道会下陷，造成管道的下沉。 参考文献 1 李兴高，刘维宁Coulomb 土压力理论的两种解法明岩土力学，2006，27(6)：981-985
