基于椭球体理论粘性土层隧道松动土压力研究

摘要

准确预测隧道上覆土压力对隧道支护结构的设计和开挖方式的选择具有重要意义.Terzaghi土拱效应理论是基于滑移面为垂直面这一假设建立的，但实际情况中由于受到地层扰动的影响，滑移面呈现出曲面形状.为研究粘性土层滑移面演化规律及松动土压力分布规律，首先，采用数值模拟软件计算隧道开挖后上覆土压力，并分析粘性土下土拱效应演化规律；其次，根据隧道拱的破裂面规律，从椭球体理论出发，并考虑粘性土层中主应力轨迹线为圆弧对Terzaghi松动土压力进行修正；最后，将理论计算结果与已有的实验数据及有限元计算结果进行对比，验证了本文公式在粘性土层中应用的合理性，并进一步研究了地层损失率SL、内摩擦角φ、黏聚力c与隧道松动土压力的关系.研究结果表明：相较于无粘性土层，粘性土层滑移面的破坏程度更大，但两者滑移面变化规律基本一致.当隧道埋深比H/D≤1.5，出现三角形状滑移面，随着隧道埋深的持续增大，地层逐渐向内形成剪切面，最终形成塔形状滑移面；松动区内部侧土压力系数Kv在任意位置处都是不同的，且在Terzaghi建议的1.0上下浮动.对比浅埋隧道，深埋隧道的松动土压力受地层损失率SL的影响更大.粘性土层隧道上覆荷载呈“半葫芦形”分布，表现为从拱顶附近向拱腰逐渐减小；同时，在内摩擦角φ较小的地层中，提高黏聚力c有利于减小隧道上覆土压力.

关键词

土拱效应 / 粘性土 / 椭球体理论 / 松动土压力 / 数值模拟

基金资助

国家重点研发计划资助项目（2023YFC3009400）; 国家自然科学基金重点资助项目（52238009）; 江西省赣鄱俊才-青年人才项目（20232BCJ23069）; 江西省研究生创新专项基金资助项目（YC2023-S492）; 江西省重点研发揭榜挂帅项目（20223BBG71018）