復雜城市地層的細觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其變形效應(yīng).pdf

1、地層條件的復雜性主要表現(xiàn)為地層巖性多變，且經(jīng)歷多次地質(zhì)活動，地層中賦存了各種形式的缺陷結(jié)構(gòu)，相對地層而言，缺陷結(jié)構(gòu)屬于細觀層面，是地層中的細觀結(jié)構(gòu)。在城市地鐵建設(shè)中，隧道施工不可避免地對地層細觀結(jié)構(gòu)造成擾動，使細觀結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)，進而引發(fā)地表沉降過大、地面塌陷等事故災(zāi)害。面對環(huán)境條件復雜、地層敏感性高、控制標準嚴苛的城市地鐵建設(shè)環(huán)境，傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)的地層沉降預(yù)測方法對復雜地層的預(yù)測結(jié)果有效性、可靠性大大降低，無法滿足要求。預(yù)測過程中

2、應(yīng)考慮細觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的宏觀變形效應(yīng)問題。針對這一系列問題，論文對城市地層中空洞結(jié)構(gòu)分類、空洞結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)機理、影響因素、變形效應(yīng)、地層變形預(yù)測等研究內(nèi)容進行了系統(tǒng)深入的研究，主要開展工作及研究成果如下:
　　(1)明確了復雜地層的內(nèi)涵，提出典型空洞形態(tài)類型。復雜城市地層是由連續(xù)介質(zhì)的巖土體和缺陷結(jié)構(gòu)體組成的復合結(jié)構(gòu)體，其力學性能表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)性質(zhì)。地層缺陷是廣義的地層空洞，從形態(tài)學上可將地層空洞結(jié)構(gòu)歸結(jié)為（類）圓形、臥式橢圓形、立式

3、橢圓形三大類。
　　(2)提出空洞結(jié)構(gòu)的三種破壞模式:洞式漸進破壞、梁式破壞、拱式破壞。圓形空洞為漸進破壞，兩側(cè)的剪切滑移為初次破壞，頂部破壞為二次破壞;臥式橢圓空洞破壞模式為梁式破壞;立式橢圓空洞破壞模式為拱式破壞;從破壞模式的角度將空洞結(jié)構(gòu)分為了三大類，即洞式、梁式、拱式三種地層空洞類型。
　　(3)建立力學模型分析了空洞結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機制，其破壞機理為拉-剪綜合破壞，且與空洞形狀、大小、發(fā)育深度以及外部荷載密切相關(guān)。基于復變

4、函數(shù)理論分析，地層中圓形或立式橢圓空洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對臥式橢圓空洞較好，臥式橢圓空洞以受拉破壞為主。在大量計算分析的基礎(chǔ)上給出了空洞地層的分區(qū)模式，基于灰色關(guān)聯(lián)度理論分析，空洞結(jié)構(gòu)受拉塑性區(qū)范圍的決定因素是空洞的大小，剪切塑性區(qū)范圍的決定因素是外部荷載作用。
　　(4)隧道施工影響下造成空洞結(jié)構(gòu)變形，空洞周邊塑性區(qū)的分布與其變形方式密切相關(guān)。隧道施工影響下地層中圓形空洞的變形方式可分為徑向收縮、橢圓化變形、豎向沉降和水平側(cè)移四種基本

5、方式;徑向收縮使空洞地層塑性區(qū)由左右兩側(cè)的局部分布向環(huán)形分布發(fā)展，橢圓化變形造成空洞頂部和底部圍巖剪切屈服，豎向沉降使洞周塑性區(qū)由兩側(cè)向頂部轉(zhuǎn)移，水平側(cè)移促使空洞兩側(cè)剪切屈服。梁式空洞兩端的差異沉降值超過臨界值后會導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。拱式空洞拱腳處的沉降值或水平位移超過臨界值后將會導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。
　　(5)分析了空洞地層的變形機理，提出了城市隧道施工影響下復雜地層變形的三個層面，即基于地層材料層面的彈塑性變形、基于空洞結(jié)構(gòu)層面的結(jié)構(gòu)控制