隧道施工影响下框架建筑物变形特性

CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan,PR.China410083.Web: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1.背景介绍隧道施工引起的损害(Source:)(source:)4背景介绍隧道施工引起的损害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1.背景介绍隧道施工引起的损害及评价流程隧道-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GroundsurfaceTunnel(NATMorTBM)deformationpattern(Groundlossproblem)ConstitutivemodelSoilSoilstiffnessLateralearthpressureSoil-structureinterfaceFrameandinfillinterfaceFramestructureInfillconfigurationMasonryopening1.背景介绍隧道-地层-建筑物相互作用模型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80(11)lurV2.隧道收敛变形模型非均匀地层损失隧道施工引起的沉降一般可以用地层损失参数来描述(Vl)/lsettlementtroughexcavationVVV222000000(11)llVRRRuuRV0=u/vu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β相对竖向位移η.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0(1cos2sin)ruu(/2)0/uu解析表达式:00(1);(1)ciuuuuyxx'hoo'θR0urUniformcontractionOvalizationVerticaltraslationu0=++uvuθ2.隧道收敛变形模型非均匀地层损失10-10123-1/2-1/401/41/2ur(θ)/u0θ(π)SinθCos2θβ=0.5β=0.4β=0.3β=0.2β=0.1β=0.0隧道周边径向位移沿隧道周边的分布参数β和η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：η=1+β。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。.2.隧道收敛变形模型非均匀地层损失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122DFE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3.隧道-地层-建筑物相互作用数值计算模型1305001000150020002500300035000.0010.010.11Eu/CuDeviatoricstrain(%)Boundsforintactsoil,Jardineetal.(1986)Boundsforreconstitutedsoil,Jardineetal.(1986)Thisstudy(A1)00.10.20.30.40.50.60.70.80.0010.010.11103G/1000P'=EU/1000P'Deviatorstrain(%)Undrainedtriaxialcompression,boundsbyHightelat.(2007)Undrainedtriaxialextension,boundsbyHightelat.(2007)Thisstudy(B1)SoilNotationnRelateddataLondonclayA10.01%1%6.30.35Jardineetal.(1986)SoilNotationbnRelateddataLondonclayB10.01%1%12.6-0.4Hightetal.(2007)A1:1nuquEac,max()quE,min()quEamax()qGmin()qGnqGbpB1:小应变刚度模型Smallstraindependentstiffnessmodel(SSD)ABAQUS用户子程序UMATSSD-ElasticSSD-MC(SSD+MohrCoulombmodel屈服模型)SSDMCC(SSD+ModifiedCamClaymodel屈服模型)Stiffness-straincharacteristicsofLondonclay3.隧道-地层-建筑物相互作用岩土小应变本构14轴对称四节点单元(CAX4)模拟三轴试验0501001502000.0010.010.11G/P'Deviatoricstrainεq(%)TheoreticalSSD-MCC(B1)MCCSSD-Elastic(B1)0500100015002000250030000.0010.010.11Eu/Cu(MPa)Deviatoricstrainεq(%)TheoreticalSSD-Elastic(A1)Linear-ElasticSSD-MC(A1)不同模型计算的岩土刚度变形曲线Singleelementtest3.隧道-地层-建筑物相互作用单一单元测试计算15Parameter(kN/m3)E(MPa)(°)c(kPa)(°)0KMadeground18200.235017.50.43Terracegravel20200.235017.50.43DrainedparametersforMCmodel(Addenbrookeetal.,1997;KarakusandFowell,2005;Masin,2009)Parameter(kN/m3)0uE(MPa)uu(°)uc(kPa)(°)0KLondonclay20nuquEac0.495030+5z0FittedUndrainedParametersofLondonclayforMC-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)ParameterG(MPa)MsGW**K0KwKLondonclay0.026nqbp0.0950.852.7525.5%1.01.0Fitted1.0e83.隧道-地层-建筑物相互作用岩土材料参数16-30-25-20-15-10-50-35-25-15-55152535Settlement(mm)Offsetfromthetunnelcentreline(m)SSDMCCFEM(B1,β=0.5)SSD-ElasticFEM(B1,β=0.5)Analyticalsolution(β=0.5)Analyticalsolution(β=1.5)Type1Field(DeaneandBassett,1995)-30-25-20-15-10-50-35-25-15-55152535settlement(mm)Offsetfromtunnelcentreline(m)SSDMCCFEM(B1,β=0.4)SSD-ElasticFEM(B1,β=0.4)Analyticalsolution(β=0.4)Analyticalsolution(β=1.4)Type2Field(DeaneandBassett,1995)TheHeathrowExpresstrialtunnel(Type1,Vl=1.13%)EquivalentcirculartunnelTheHeathrowExpresstrialtunnel(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。3.隧道-地层-建筑物相互作用天然地面沉降预测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CategorystructurestoreyfootingbayAnalysismodelBuildinginfoInfilledframe①4×3m1×1×0.4m3×6mPlanestressBeam&column②0.4*0.4m,identicalsectionPlanestressslab0.15minthicknessPlanestrainMasonryinfill0.25minthic