為了更合理地評(píng)價(jià)水平凍結(jié)法隧道施工對(duì)鄰近正交路基的影響,考慮土體的非均勻凍脹性,將路基結(jié)構(gòu)視為彈性的Euler-Bernoulli連續(xù)梁,結(jié)合變形協(xié)調(diào)條件并引入隨機(jī)介質(zhì)理論和疊加原理,推導(dǎo)得到水平凍結(jié)法施工隧道對(duì)鄰近正交路基作用的耦合計(jì)算方程,并編制求解程序;結(jié)合工程實(shí)例,驗(yàn)證了隨機(jī)介質(zhì)預(yù)測(cè)方法的可靠性,并將實(shí)測(cè)值與耦合法、兩階段法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,表明該耦合方法的準(zhǔn)確性;最后通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:耦合方法與ABAQUS模擬結(jié)果整體趨勢(shì)吻合較好;隨著凍結(jié)壁逐步擴(kuò)展,路基同一位置處抬升位移逐漸增大;冷媒介質(zhì)溫度越低、隧道埋深越淺,路基抬升變形越大;位于粉質(zhì)黏土層中的凍結(jié)管對(duì)路基抬升變形影響最大。該改進(jìn)的計(jì)算方法可為制定減小水平凍結(jié)法隧道施工對(duì)路基影響的保護(hù)措施提供一定的理論指導(dǎo)。 

【文章來(lái)源】：巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2020,39(11)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

凍結(jié)交圈后示意圖

2370巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2020年隧道隧道凍結(jié)管凍結(jié)管交圈前交圈后圖6凍結(jié)壁形成過(guò)程示意圖Fig.6Sketchmapofformingprocessoffreezingwall路基被劃分為N個(gè)梁?jiǎn)卧獌鼋Y(jié)管隧道圖7路基劃分示意圖Fig.7Sketchmapofsubgradedivision(1)假設(shè)路基不存在情況下，由式(22)或(23)可得到人工水平凍結(jié)法隧道施工引起地表豎向自由凍脹變形向量{W}為121{}[()()()()()]innWWXWXWXWXWX，，，，(24)式中：{W}為地表無(wú)路基約束時(shí)，梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)處地表豎向自由凍脹變形向量；()iWX為地表無(wú)路基約束時(shí)，第i個(gè)梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)處的地表土體豎向自由凍脹變形量。(2)當(dāng)僅將路基作為研究對(duì)象時(shí)，式(24)得到的地表豎向自由凍脹變形將作為一種附加位移作用于路基梁?jiǎn)卧�，也就是說(shuō)在平衡狀態(tài)下路基梁?jiǎn)卧獣?huì)承受來(lái)自地表的凍脹力F，如圖8所示，由此路基產(chǎn)生的凍脹變形向量{U}為121{}[()()()()()]innUUXUXUXUXUX，，，，(25)式中：{U}為凍脹力F引起的路基梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)位置處豎向凍脹變形向量，()iUX為凍脹力F引起的第i個(gè)路基梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)位置處豎向凍脹變形量。(3)以地表土體為研究對(duì)象，土體在平衡時(shí)承受路基結(jié)構(gòu)的約束作用力向量為{f}，由此產(chǎn)生的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)約束變形向量為{s}，即{s}G{f}(26)式中：G為土體節(jié)點(diǎn)柔度矩陣。根據(jù)連續(xù)梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃噀K可得到路基節(jié)點(diǎn)豎向凍脹力與凍脹量之間關(guān)系的整體剛度矩陣K。圖8路基凍脹變形示意圖Fig.8Sketchmapofsubgradefrostheavedeformation則路基受力平衡方程為{F}K{U}(27)路基與地表土體之間相互作用的力學(xué)平衡條件為{F}{f}(28)根據(jù)假設(shè)1可知，路基與地表土體?

第39卷第11期董建華等：水平凍結(jié)施工淺埋隧道對(duì)鄰近正交路基的作用分析2371求凍結(jié)鋒面輸入等參數(shù)不均勻凍脹時(shí)凍結(jié)管周圍土體變形量多管凍結(jié)時(shí)地表土體自由凍脹變形單管凍結(jié)時(shí)地表土體自由凍脹變形路基凍脹抬升變形向量{U}并進(jìn)行插值擬合彎矩曲率剪力We(X)圖9求解流程圖Fig.9Solutionflowchart北端南端人隧道中心線行天橋公路中心柵欄123456789101112131415161720181921ABDFE10-1圖10地表變形監(jiān)測(cè)及周圍環(huán)境示意圖[16]Fig.10Surfacedeformationmonitoringandsurroundingenvironmentdiagram[16]所示。為計(jì)算簡(jiǎn)便，經(jīng)簡(jiǎn)化為圓形截面的隧道外半徑為5m，凍結(jié)管圓形布置圈半徑為6m，相鄰管間距為0.84m，在距隧道開(kāi)挖邊界處沿拱線布置46個(gè)凍結(jié)孔，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度為2.5m，凍結(jié)壁平均溫度為－8℃，該工程積極凍結(jié)期約為150d，凍結(jié)斷面86m2，凍結(jié)管主要位于可塑砂質(zhì)黏土層中，凍結(jié)鋒面移動(dòng)速度中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A可取0.16，凍土的凍脹率為2%�？紤]到隧道斷面大，地表凍脹主要影響范圍取為52m，隧道軸線埋深14m，土層凍脹影響角度的tan值為0.27，其他參數(shù)依據(jù)姜耀東等[16]取值，采用前述推導(dǎo)的考慮土體非均勻凍脹時(shí)的隨機(jī)介質(zhì)理論公式進(jìn)行凍脹變形計(jì)算，則地表凍脹位移分布規(guī)律的理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖11所示。由于土層參數(shù)不均勻性等復(fù)雜地質(zhì)情況，盡管地表凍脹位移分布規(guī)律的理論分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果略有差異，但在一定程度上驗(yàn)證了考慮凍結(jié)管周圍土體非均勻凍脹性時(shí)的隨機(jī)介質(zhì)理論預(yù)測(cè)地表01020304050600501001502002503

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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