黄土特性对地表沉降影响的数值分析.docx

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1、黄土特性对地表沉降影响的数值分析 摘要：以西安地铁一号线某一通过城墙段工程为背景，建立了三维数值模型，通过数值模拟分析，在对现场监测结果整理的基础上，探讨了黄土特性对地铁施工诱发的地表沉降规律的影响。结果表明，随着黄土粘聚力增大，在偏离隧道中心线较远的地方，地表沉降减小的不是很明显，但是隧道顶部的地表沉降即最大地表沉降值减小的比较突出；黄土层内摩擦角值增大，对盾构施工时所带来的地表沉降有肯定影响，但是不明显。当黄土内摩擦角超过 后，对限制沉降的影响已经逐步减小。 关键词：数值模拟；黄土；粘聚力；内摩擦角；地表沉降 黄土是我国地域分布特别广的一种特别性土类，占国土面积的6.6%，占世界总黄土分布

2、面积的4.9%。特殊是在我国西北地区的黄土分布厚度大、地层全而连续，发育较为典型。陕西西安地质分布上隶属典型的黄土地带1-3。黄土在干燥时一般具有比较高的结构性，但当其受水浸湿后，则强度会急骤下降，出现不同程度的湿陷性，产生下沉，极易导致坍塌。湿陷性黄土对隧道最不利的影响是其遇湿沉陷，遇水后产生湿陷，强度显著降低，极易导致隧道基础沉降，引起衬砌开裂等病害。在施工中要尽量避开此不利因素4-6。本文即以西安地铁1号线某一通过城墙段为工程依托，通过数值分析探讨黄土特性对地铁施工带来的地表沉降的影响。 1工程概况 西安地铁1号线，西起后卫寨，沿枣园路、大庆西安地铁一号线路至玉祥门外，穿越古城墙后沿莲湖

3、路、西五路、东五路至朝阳门里，穿越古城墙朝阳门后，沿长乐路东行，跨浐河后沿纺北路至终点纺织城车站。线路全长23.9千米。左右线隧道线间距18米。 明城墙作为西安的标记性景点，在地铁施工过程中不能造成任何影响。特殊是不能引起过大沉降，甚者引起城墙倒塌。 地铁隧道穿越城墙段范围内地表一般均分布有厚薄不均的全新统人工填土；其下为上更新统风积新黄土及残积古土壤，再下为中更新统风积老黄土、冲积粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等。 当黄土层在受水浸湿后，引起强度下降，即出现不同程度的湿陷性，产生下沉，极易导致地层坍塌。湿陷性黄土对隧道最不利的影响是其遇湿沉陷，遇水后产生湿陷，强度显著降低，极易导致地基基础

4、沉降。而城墙之外又有护城河，故此须要倍加留意。 2施工监测及结果分析 综合分析该段地铁隧道工程环境，确定采纳盾构法施工。为保证城墙的平安性，在城墙外侧打设12根静压桩，然后对盾构通过城墙段范围的地层注入化学浆液加固土体。在施工参数上除了实行常规的施工参数之外，尤其留意了加强施工现场监测。监测点布置见图1。监测结果分析见图2。 通过城墙东、西基础沉降的现场实测值分析结果，可以发觉，沉降基本上呈漏斗状，或者说是槽状，沉降槽最大值均低于预警值-5mm。从图2看出，盾构推动城墙时，由于城墙东侧在地层注化学浆加固的基础上进一步实施了静压桩加固，隧道单位长度损失较小，故地层沉降较为不明显。当盾构推过城墙中

5、部时，因为地层仅仅进行了化学注浆加固，沉降较前边有所增大，但仍旧在允许沉降平安范围之内，盾构将要脱出城墙时，因为没有足够长的监测时间，即没有给地层足够长的沉降时间，精确的来讲，此处的沉降只是施工期间的沉降，随着时间的增长，沉降必定还会发生。但是从盾构进入城墙时的沉降来看，此处沉降较现在不会有太大改变；进一步分析隧道轴线对应的地面最大沉降监测数据，结果表明，沉降值均在城墙的允许沉降平安范围之内。 从监测数据改变曲线上看，由于实行了地层加固措施，改良了地层物理特性，较好地限制了地表变形，那么，黄土特性原委对地表沉降有怎样的影响，我们通过数值模拟来探讨一下。 3黄土特性对地表沉降影响的数值模拟 3.

6、1建立模型 本次模拟选用岩土工程数值分析常用的FLAC3D软件。 因为双线隧道和城墙在平面和立面上都是对称关系，模型在城墙方向和隧道方向上均为平面应变问题，只须要选择一半探讨区域建立模型即可。 依据岩土勘察报告供应的土层参数并依据文献及西安本地阅历将土层简化为四层，分别为填土、新黄土、老黄土及粉质粘土。模型的四周和底部实行固端约束，上部实行自由约束。其中管片外径：6200 mm；管片内径：5500 mm；管片厚度：350 mm；管片环宽：1200 mm。 3.2模拟工况 查阅文献可知，黄土的自然含水量与湿陷性关系较大，含水量越低，湿陷性越剧烈。随着含水量的增大，湿陷性渐渐减弱。一般来说，当含水

7、量在23%以上，湿陷性已基本消逝，相应的压缩性增高。当含水量增加时，土体的内摩擦角和粘聚力都有所降低。 当黄土的自然含水量超过塑限时，抗剪强度降低幅度小。若含水量相同，则密实度越大，抗剪强度就越大。当黄土的密实度肯定时，随含水量得增加，干重度削减，抗剪强度降低；反之，含水量削减，干重度增加，则抗剪强度增大。饱和黄土的抗剪强度比自然黄土要低，尤其改变最大的是 值， 值浮动不大。这个特点是一般土质所没有的，这也是黄土浸水后强度急剧降低，以致发生湿陷性变形和坍塌的主要缘由。 本次分析选取黄土的内摩擦角值分别为15。、18。、21。和24。，粘聚力值分别为25kPa、28kPa、31kPa和34kPa

8、，分析结果见图4和图5。 通过不同黄土内摩擦角时的地表沉降对比曲线看出，随着黄土内摩擦角增大，地表沉降曲线走向趋势基本相同。在偏离隧道中心线较远的地方，地表沉降减小的也不是很明显。但是隧道顶部的地表沉降即最大地表沉降值有所减小，参见隧道中心线地表沉降曲线。因此，可知黄土层内摩擦角值增大，对盾构施工时所带来的地表沉降有肯定影响，但是不明显。当黄土内摩擦角超过 后，对限制沉降的影响已经逐步减小。 从黄土粘聚力不同时的地表沉降对比曲线可以得知，随着黄土粘聚力增大，地表沉降曲线走向趋势基本一样。在偏离隧道中心线较远的地方，地表沉降减小的不是很明显。但是隧道顶部的地表沉降即最大地表沉降值减小的比较突出，

9、这一点在隧道中心线地表沉降曲线中也很好的体现了。由此可以看出，在力学性质合理的范围内，黄土层粘聚力值越大，盾构施工时所带来的地表沉降最大值越小，即地层稳定性越好。 现场监测结果分析曲线表明，盾构通过期间，地表沉降不超限，有效爱护了城墙。 三维数值分析结果表明：随着黄土粘聚力增大，在偏离隧道中心线较远的地方，地表沉降减小的不是很明显，但是隧道顶部的地表沉降即最大地表沉降值减小的比较突出；黄土层内摩擦角值增大，对盾构施工时所带来的地表沉降有肯定影响，但是不明显。当黄土内摩擦角超过 后，对限制沉降的影响已经逐步减小。 如何通过人工处理措施，使黄土的粘聚力和内摩擦角能够满意本文所建议范围内，则可高效限

10、制地表沉降，这将是以后的探讨努力方向。 参考文献 1刘祖典.黄土力学与工程M.陕西科技出版社，11016. 2王永焱，林在贯.黄土的结构与物理力学性质M.北京：科学出版社，11010. 3刘祖典.关于黄土和黄土状土湿陷性评价问题J.岩土工程学报，11016 4陈希哲.土力学地基基础，北京：清华高校出版社，19101. 88-92 5赵明华主编.土力学与基础工程，武汉：武汉工业高校出版社，2000. 38-42 6刘起霞等.土力学与地基基础，北京：中国水利水电出版社，2022. 69-73 作者简介： 鱼海晔，女，陕西西安人，高级工程师，主要从事地下工程的技术管理工作。 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页