盾构法施工及列车荷载作用下粉土地基沉降特性研究

论文摘要

郑州市是中部崛起的重要城市，城市的快速发展也给城市交通带来了巨大的压力，发展城市地铁是解决该问题的根本途径。在修建地铁过程中，盾构法以其独特的优点成为重要的施工方法。而郑州市位于黄泛区，拥有深厚的粉土层，这种土的特点是具有一定的承载力，但压缩性也很高，所以在这种地层中修建地铁也面临着复杂的问题。并且粉土在振动作用下易发生大范围沉降甚至液化的现象。所以对郑州地铁盾构施工过程中引起地层沉降的规律及地铁运营后在列车振动荷载作用下的地基位移进行研究具有很大的现实意义。本文以郑州市地铁一号线为工程背景，结合郑州区域性粉土地层的特点，运用有限元软件MIDAS/GTS建立地铁盾构施工过程的模型，对开挖和变形进行数值模拟，分析了盾构施工引起土体变形的规律，并对影响土体变形的因素如轴线埋深、注浆作用、盾构顶推力和土体强度等进行了分析，得出了一些有意义的结论。依据地铁和铁路设计相关规范，从静态方面模拟列车荷载作用下地基的弹塑性沉降，并对不同隧道埋深和不同地基土体强度下地层沉降规律进行计算分析。在前人研究的基础上对列车荷载进行模拟分析，根据列车的参数计算得到列车振动荷载的表达式，采用MIDAS/GTS对不同速度、不同压缩模量下地基的位移变形进行分析，并基于数值模拟的结果采用指数曲线法对隧道下卧层在列车荷载作用下的长期沉降进行预测。最后对静力和动力模拟的结果进行对比分析，得到静力计算结果仅仅反映的是地基在列车运行作用下由静荷重引起的弹塑性沉降，对列车荷载作用下地基沉降变形的计算不能简单的从静力方面考虑，需要进行动力验算等结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究的目的及意义
• 1.3 国内外相关领域研究现状
• 1.3.1 地铁施工引起地表沉降的研究现状
• 1.3.2 地铁列车荷载作用下地基变形特性的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 郑州区域性粉土特性及数值模拟方法
• 2.1 郑州区域性粉土的工程特性
• 2.1.1 郑州区域性粉土的沉积环境及工程地质条件
• 2.1.2 郑州区域性粉土的基本特性分析
• 2.1.3 土体材料本构模型的确立
• 2.2 有限元法及 MIDAS/GTS 简介
• 2.2.1 有限元概述
• 2.2.2 MIDAS/GTS 简介
• 2.2.3 MIDAS/GTS 的优点
• 2.2.4 MIDAS/GTS 施工阶段分析
• 2.2.5 MIDAS/GTS 动力分析
• 2.3 有限元法与分层总和法在地基沉降计算中的对比分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 粉土地基在地铁盾构法施工过程中沉降变形分析
• 3.1 盾构法施工简介
• 3.1.1 盾构法施工原理
• 3.1.2 适合粉土地层的盾构施工
• 3.2 盾构法隧道施工引起地表沉降的机理分析
• 3.2.1 地铁隧道盾构法施工致使地层沉降的因素
• 3.2.2 盾构施工引起地表沉降的历时阶段分析
• 3.3 郑州地铁某区间隧道盾构法施工数值模拟方法
• 3.3.1 计算模型的确立
• 3.3.2 材料性态的模拟
• 3.3.3 盾构施工过程的模拟
• 3.4 郑州地铁盾构施工过程引起土体变形分析
• 3.4.1 地表横向沉降槽与 Peck 公式对比分析
• 3.4.2 地表沉降纵向历程规律分析
• 3.4.3 不同深度处地层沉降分析
• 3.4.4 土层水平位移分析
• 3.5 盾构施工中各个因素对地表沉降影响的分析
• 3.5.1 地铁隧道轴线埋深的影响
• 3.5.2 注浆作用的影响
• 3.5.3 盾构顶推力的影响
• 3.5.4 土体弹性模量的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 地铁运行荷载作用下地基沉降的拟静力分析
• 4.1 引言
• 4.2 地铁列车荷载的分析简化
• 4.2.1 列车荷载特性静力简化方法
• 4.2.2 地铁列车荷载的确定
• 4.3 计算模型
• 4.3.1 实体模型的建立
• 4.3.2 模型材料参数的选取
• 4.3.3 边界条件及初始条件的确定
• 4.4 列车荷载引起地基沉降结果分析
• 4.4.1 地表竖向沉降分析
• 4.4.2 竖向不同位置地层沉降特性分析
• 4.5 不同因素对地基沉降的影响
• 4.5.1 不同隧道埋深对地基沉降的影响
• 4.5.2 不同土层弹性模量对地基沉降的影响
• 4.5.3 轴载大小不同对地基沉降的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 地铁列车荷载作用下地基沉降的动力分析
• 5.1 地铁列车荷载的动力特性分析
• 5.1.1 地铁列车振动的传播路径
• 5.1.2 地铁列车荷载的特点
• 5.1.3 地铁列车振动荷载的简化
• 5.2 计算模型
• 5.2.1 建立实体模型
• 5.2.2 动力本构模型
• 5.2.3 边界参数的选取
• 5.2.4 阻尼参数的选取及积分步长的确定
• 5.2.5 初始条件及模拟过程
• 5.2.6 动力荷载的施加
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 不同速度下地层沉降分析
• 5.3.2 不同速度下地表沉降分析
• 5.3.3 同一列车速度下不同模量的影响
• 5.3.4 基于数值计算结果的后期沉降预测
• 5.3.5 列车长期荷载作用下地基的静力计算与动力计算对比
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 地铁盾构施工引起地表沉降规律研究
• 6.1.2 地铁列车振动荷载对地基静力影响研究
• 6.1.3 地铁列车振动荷载对地基动力影响研究
• 6.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历