盾构壁后浆体-扰动土体的广义复合土层大应变固结研究

城市地铁建设尤其是软土地区以盾构工法为代表修建区间隧道的工程实践中，由于软土具有高压缩性等特性并且容易受到施工扰动而发生地层过大变形，继而会在不同程度上影响到盾构隧道和邻近建（构）筑物的正常运营或使用。盾构隧道工后沉降预测和控制的关键在于弄清壁后浆体及其周围扰动土体随时间发展的变形特性。把盾构壁后浆体和周围扰动土体作为一个整体的广义复合土层，深入开展相应的理论和试验研究，将具有较好的学术和工程意义。项目重点研究了壁后浆体扰动土体物理力学性质室内试验性状，以及采用透明土试验技术和相似模型试验方法研究了壁后浆体的填充和扩散范围、固结变形、注浆压力分布模型等及其在控制广义复合地层沉降方面的机理。主要结果有：（1）透明土透明效果随熔融石英砂粒径的减小和骨料中细粒粒径颗粒含量的增加而逐渐减弱。（2）各级配透明土与标准砂土摩擦角、压缩性具有相同的变化趋势，但黏聚力有差异，黏聚力三轴试验值较直剪试验结果偏大，各级配透明土的压缩性较相应级配标准砂土要小。（3）提高注浆压力会减小地层沉降，但过大的注浆压力会导致地层隆起；注浆压力越大浆液的填充性越好、扩散范围也越大；但在同种注浆压力下浆液的扩散范围基本不随隧道埋深的变化而改变。(4)影响浆体固结变形最本质的因素还是浆液自身性质，只有合理地根据施工环境确定合理的注浆浆液才能保证浆液的固结压缩控制在一定范围内。（5）粘土和砂土地层相同注浆压力下体积压缩曲线实测结果表明，复合土层体积应变可能达到10%或以上的大应变标准，意味着在盾构隧道壁后注浆问题中深入开展大变形理论研究很有必要。所得结论的支持依据主要来自室内剪切和三轴剪切试验以及相似模型试验实测数据。项目初步成果表明了盾构壁后浆液物理力学性质在控制地层固结沉降方面的重要意义。 2100433B

软土地区盾构隧道工后沉降病害日益困扰着不少城铁的正常运营,其在土力学方面的关键问题可归于壁后浆体及周围扰动土体的固结理论。以往研究通常基于小应变太沙基或比奥固结理论，与实际浆体应变一般高于10%的大应变事实不符。项目拟在广义多孔介质范畴内，将壁后浆体作为具有固结-胶结特性的广义土体，与周围扰动土体形成广义复合土层，开展其大应变固结理论研究。首先基于有限变形理论及大应变固结理论既有成果，新引入反映胶结特性的广义有效应力原理及客观性本构模型，提出广义复合土层多维大应变固结模型控制方程；然后研究其大应变拟变分原理及虚功原理，据此导出拉格朗日和ALE描述的有限元法，并编制程序。通过浆体、扰动土体和复合土层的固结-胶结与固结大应变室内试验成果，提出实用的多维大应变客观本构模型等。结合试验结果对比、工程实例应用以及参数研究，验证理论模型及其有限元法和程序的合理性与可靠性，给出传统小应变方法的适用范围。

建立了基于成层地基一维固结解析解的求解非线性小应变固结问题的半解析法。建立了求解线弹性大应变固结问题和非线性大应变固结问题的半解析法。建立了变荷载下软粘土非线性一维固结半解析解。研究了软土的沉积作用、大应变、土压缩性和渗透性在固结过程中的变化，加荷条件等对地基变形发展规律的影响，编制了计算程序，得到了有关固结曲线，可以分析软粘土地基在变荷载作用下的非线性一维固结性状。研究表明：固结速率主要因素有压缩指数与e-logk曲线斜率的比值Cc/ck、σf/σo和Tvc，加荷速率越快，固结速率和沉降速率都越快。Cc/Ck值决定非线性特性时固结过程的影响。本课题研究为开展饱和粘土在复杂条件下的大应变固结理论提供了有效的思路。 2100433B

通过系统深入的理论研究，建立和发展可考虑土的成层性、非线性、流变等复杂因素的饱和土体大应变固结理论，全面分析上述各因素对软粘土地基固结性状的影响，全面分析考虑上述因素后大、小应变固结理论的差别，并提供各种有关的实用固结分析程序和计算曲线，为软土地基上大型重要工程的建造提供更加实用可靠的关健理论和技术。 2100433B

固结灌浆的范围主要是根据大坝基础的地质条件，岩石破碎情况，坝型和基础岩石应力条件等来确定的。

对于重力坝，当基础岩石比较良好时，有的工程仅在坝基内上游和下游应力大的地区进行固结灌浆。此外，在裂隙多、岩石破碎和泥化夹层集中的地区要着重进行固结灌浆。在坝基岩石普遍较差，而坝又较高的情况下，则多进行坝基全面积固结灌浆。

对于拱坝，因作用于基础岩石上的荷载较大，且较集中，因此，一般多是整个坝基进行固结灌浆，灌浆孔常较深，特别是两岸受拱坝推力大的坝肩拱座基础，更需加强固结灌浆工作。