隧道施工影响下框架建筑物变形特性.ppt

隧道施工影响下框架建筑物变形特性 主要内容 1 背景介绍2 隧道收敛变形模式3 隧道 岩土 建筑物相互作用4 结论与建议 2 3 2005年11月 澳大利亚LaneCoveTunnel 隧道坍陷建筑物变形损坏 2003年6月 上海地铁4号线地层坍塌建筑物倾斜 破坏 地层涌水 Source source 4 http www geoconsult co nz library house cracked due jpg 我们目前大规模的城市基础设施建设 特别是城市地下隧道的建设过程中 隧预测道开挖引起的地层变形 评价建筑物的变形损坏是当前隧道施工设计中重要一环 如何准确评价隧道 地层 建筑物之间的相互影响仍缺乏量化标准 2009年3月德国科隆地铁基坑隧道地面塌陷 房屋倒塌 管线破坏 建筑物地基沉降引起的破坏 5 损坏是否可以接受 建筑物损坏评价 地层位移预测 隧道设计 施工参数 保护与加固措施 施工 否 是 隧道 地层 建筑物相互作用 监控 6 隧道非均匀收敛变形 地层损失沿隧道周边的分布 天然地面隧道开挖引起的地层位移准去预测地层移动与地表建筑物直接的相互作用 目标 隧道 地层 建筑物相互作用模型 一般计算预测的地层沉降变形曲线和实测相比沉降槽深度较浅宽度较大 隧道收敛变形的非线性 岩土材料变形的非线性 建筑物刚度和自重对地层的影响 7 主要内容 1 背景介绍2 隧道收敛变形模式3 隧道 岩土 建筑物相互作用4 结论与建议 一般计算方法中隧道周边的变形往往通过施加均匀径向位移或者均匀应力释放系数来考虑 均匀变形或均匀应力释放计算得到沉降槽较浅平现有研究均指出隧道施工引起的隧道收敛变形非均匀性 离心机模型试验 数值模拟 现场实测 RoweandKack 1983 DeaneandBassett VerruijtandBooker 1996 Stallebrassetal 1996 LoganathanandPoulos 1998 GrantandTaylor 2000 GeozalezandSagaseta 2001 PintoandWhittle 2006 隧道非均匀收敛变形的原因 e g 盾构隧道 隧道掌子面前方的三维变形 岩土重力和地下水的浮力影响 隧道自重使隧道衬砌向下望仰拱方向移动 盾构掘进过程中盾体下潜和偏离的影响 盾尾注浆沿管片的不均匀性及其自重下往仰拱的流动性 在拱顶仰拱不均匀土压力影响下的衬砌非均匀变形 椭圆化 其它因素 8 隧道施工引起的沉降一般可以用地层损失参数来描述 Vl 隧道非均匀收敛变形可以通过三个参数来确定 地层损失Vl相对椭圆化 相对竖向位移 隧道拱顶和仰拱的位移可以表达为 地层损失 无地层损失 椭圆化变形 竖向移动 隧道的非均匀收敛变形可以简化成三种变形模式之和 VerruijtandBooker 1996 GeozalezandSagaseta 2001 PintoandWhittle 2006 9 地层损失 解析表达式 10 隧道周边径向位移沿隧道周边的分布 参数 和 可以通过隧道变形的内在关系和现场实测数据反分析确定 假设隧道仰拱位移很小 可以忽略不计 有关系 1 该隧道非均匀收敛变形计算模型可以引入数值解析解以及有限元数值模拟进行计算 11 主要内容 1 背景介绍2 隧道收敛变形模式3 隧道 岩土 建筑物相互作用4 结论与建议 12 2DFE数值模型 框架建筑物网格 Smearedcrackmodel 框架建筑物 不同墙体填充形式 岩土 结构物交界面 法向和切向力学行为 非线性岩土力学变形行为 小应变刚度 隧道 地层 建筑物相互作用数值模型 隧道非均匀收敛变形模式 13 A1 B1 小应变刚度模型Smallstraindependentstiffnessmodel SSD ABAQUS用户子程序UMAT SSD ElasticSSD MC SSD MohrCoulombmodel屈服模型 SSDMCC SSD ModifiedCamClaymodel屈服模型 Stiffness straincharacteristicsofLondonclay 14 轴对称四节点单元 CAX4 模拟三轴试验 不同模型计算的岩土刚度变形曲线 Singleelementtest 15 DrainedparametersforMCmodel Addenbrookeetal 1997 KarakusandFowell 2005 Masin 2009 UndrainedParametersofLondonclayforMC Trescamodel Jardineetal 1986 Gunn 1993 Mair 1993 Karakus 2007 ParametersofLondonclayforporous elasticitytogetherwithclayplasticity Gasparreetal 2007 Hightetal 2007 Masin 2009 K0随深度变化取值 Hightetal 2007 16 TheHeathrowExpresstrialtunnel Type1 Vl 1 13 Equivalentcirculartunnel TheHeathrowExpresstrialtunnel Type2 Vl 1 06 Equivalentcirculartunnel 在数值计算模拟中 考虑隧道非均匀收敛变形模式和岩土材料的小应变刚度能较好的预测隧道开挖引起的沉降 隧道开挖引起的地层变形主要是非线性弹性变形 隧道的椭圆化参数与施工方法和地层条件有关 需要大量实测数据反分析进行确定 17 不同砖石填充形式的框架结构建筑物 不同填充形式的框架建筑物 18 较软地层条件 岩土材料初始刚度 Eu 随深度和地层平均应力变化 Unit Pa 岩土 SSD Elastic B1 地层损失0 0 3 0 施工沉降 不排水条件 隧道相对椭圆化变形参数 隧道收敛变形矢量中心 Cheng 2007 较硬地层条件 隧道施工参数 19 建筑物材料模型及参数 框架柱 梁 线弹性材料 墙体填充材料 Smearedcrackmodel Dassault Syst mes 2010 p q应力空间的屈服面 CPE8R单元积分点的裂缝斑纹分布 砖石填充材料变形参数 Netzel2009 拉伸硬化 20 接触面法向变形行为 受压接触力学行为 点 面接触对的离散方式 Slavesurfacenodeinteractswithapointofprojectiononthemastersurface 基于临界剪切应力的切向摩擦变形行为 受拉可分离力学行为 只在框架和填充墙接触 材料交界面模型及参数 21 sub frame 建筑变形分析 afterSonandCording 2005 22 建筑物变形损坏分析对比 斑点裂缝 上凸沉降曲线下部分填充的框架建筑物变形行为 上凸沉降曲线下全部填充的框架建筑物变形行为 23 下凹变形曲线下部分填充框架建筑物变形行为 下凹变形曲线下全部填充框架建筑物变形行为 24 较大的交界面摩擦系数会导致更明显的建筑物畸变 这种增加趋势随摩擦系数的增加而减小 相比于较软地层 在较硬地层建筑物的畸变变形在更加明显 在隧道引起的沉降影响下 纯框架建筑物结构在呈现柔性变形趋势 而填充的框架建筑物呈现刚性变形趋势 上凸沉降曲线影响下建筑物畸变变形 25 建筑物畸变变形在跨I和跨III是对称的 框架建筑物的填充可以很好的减少建筑物承受畸变变形的影响 同样 建筑物的畸变变形在较硬地层更加明显 下凹沉降曲线影响下建筑物畸变变形 26 框架建筑物在跨I和跨III承受相似的水平应变修正 在较软地层 跨I承受的水平应变修正比跨III大 在较硬地层则反之 建筑物对水平应变的影响在较硬地层比较软地层更大 这种趋势在较大接触面摩擦系数时更加明显 建筑物墙体的填充形式对其承受水平应变有很大影响 特别是地层填充墙能显著减少建筑物水平应变 同时这种影响在较硬地层表现更加明显 上凸沉降曲线下框架结构物对地层水平应变的修正系数 27 框架建筑物对水平应变的影响在跨I和跨III相似对称 切随地层与建筑物的相对刚度减小而增大 框架建筑物对水平应变的影响随接触面摩擦系数的增加而增大 无基础地基梁情况下 建筑物对下凹沉降曲线比上凸沉降曲线更加明显 下凹沉降曲线下框架结构物对地层水平应变的修正系数 28 主要内容 1 背景介绍2 隧道收敛变形模式3 隧道 岩土 建筑物相互作用4 结论与建议 29 隧道施工引起的地层变形 在数值计算模拟中 考虑隧道非均匀收敛变形模式和岩土材料的小应变刚度能得到更加符合实际的沉降曲线 隧道开挖引起的地层变形主要的弹性范围内 所以考虑非线性弹性对预测地层变形有重要影响 隧道 地层 建筑物的相互影响 较大的交界面摩擦系数会导致较大