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原文传递地铁隧道周围饱和软土非线性流变固结理论研究

论文题名：	地铁隧道周围饱和软土非线性流变固结理论研究
关键词：	地铁隧道;周围饱和软土;非线性流变固结理论
摘要：	我国沿海地区地铁隧道建设里程往往在全国位居前列，而这些地区广泛分布海相沉积黏土，其工程性质较差，土体具有非线性压缩、非线性渗透和流变特性，其中具有代表性的为长三角以及珠三角地区的黏土。　　忽略软黏土固结过程中的非线性和流变性会导致隧道周围软土固结度以及地表沉降量的计算出现明显偏差，甚至引起严重的工程问题，更无法为实际工程设计施工提供合理的理论指导依据。目前，有关隧道周围软土固结沉降问题主要依靠经验公式与简化的理论模型，对于二维非线性固结沉降问题的内在机理与理论模型研究尚有欠缺，综合考虑土体非线性、自重应力、隧道渗漏、土体渗透各向异性、交通荷载和土体蠕变特性等因素影响下的研究少见报道。　　基于以上实际问题与研究现状，本文首先利用软土非线性压缩和渗透模型建立起了隧道周边软土的二维固结控制方程，根据相应边界条件与初始条件釆用有限差分法中的交替方向隐式格式得到了软土固结解答。为进一步考虑软土流变特性的影响，在固结控制方程中引入分数阶导数的元件模型进行推导并得到了相应解答。基于所得解答，对隧道周边软土固结性状和地表沉降发展的影响因素进行了研究分析。此外，釆用ABAQUS程序对上述描述软土流变特性的分数阶导数元件模型进行了二次开发并建立了相应有限元计算模型。最后根据工程实测沉降数据对所得有限差分解和有限元计算结果进行了对比验证分析，主要的研究工作和结论如下：　　(1)基于土体非线性压缩和渗透模型与二维固结控制方程，通过交替方向隐式差分格式将方程进行离散化后求解，得到了整个场域上土体超静孔压的分布，在与现有解析解进行对比验证后，证明了所用方法以及程序的正确性，随后进行了隧道周围软土非线性固结性状研究，结果表明：隧道透水情况对固结度的发展有显著影响，另外，均匀渗漏与局部渗漏情况下隧道周围应力场分布形式明显不同；渗透指数Ck对固结的影响大于压缩指数渗流固结会导致隧道周围土体的有效应力场发生变化，平均固结度随着渗透指数Ck的增大而减小；土体体积压缩系数与渗透系数非线性非同步变化对固结影响较大；　　(2)针对现有元件模型的不足，基于分数阶导数弹壶与变系数黏壶介绍了一种能综合考虑土体减速、等速和加速蠕变的元件模型，通过与其他元件模型的对比，说明了所釆用模型的适用性，元件模型塑性部分考虑釆用剑桥屈服准则，基于此开发了ABAQUS用户材料子程序UMAT,通过对土柱的试算分析，说明了程序的正确性。　　(3)对二维非线性固结流变耦合控制方程进行了程序编制和求解，对比分析了考虑流变和不考虑流变两种情况下固结度与沉降的差异。结果表明：考虑流变时的孔压消散速率更小，相同时间内按孔压计算的平均固结度更小而沉降反而越大；流变作用削弱了ck减小对孔压消散的有利影响；当Ca与Ck的比值减小时，考虑流变与不考虑流变两种情况下的固结速率差值减小；当渗透系数足够大时，土体流变对固结速率的减缓效果十分有限，甚至可以忽略不计；此外，当渗透各向异性系数n较大时，土体固结速率差异较为明显。　　(4)将交通荷载引起的隧道周围软土附加应力通过有限元数值方法引入计算域的节点上，分别釆用有限差分解答和嵌入二次开发流变模型的ABAQUS模型对盾构施工引起的隧道中线上方地表沉降进行了计算分析，并与实测数据进行了对比。结果表明：两种方法的计算结果均正确反映了沉降发展趋势；考虑隧道局部渗漏能更为准确地反映土体实际变形情况。
作者：	龚昭祺
专业：	建筑与土木工程
导师：	胡安峰;朱益军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022