基于有限差分法的高填黃土明洞土體蠕變分析

賈聶宇馳，李盛，李智鵬，李秀東，于本田，王長丹

基于有限差分法的高填黃土明洞土體蠕變分析

賈聶宇馳1，李盛1，李智鵬1，李秀東2，于本田1，王長丹3

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014；3. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

由于高填方明洞在溝壑縱橫的黃土高原中的應用不可避免，考慮在使用過程中回填黃土的蠕變特性對高填范圍內位移及土壓力的影響，利用有限差分程序FLAC3D，對填方完成后的高填明洞進行為期8 000 d的蠕變模擬，得到高填范圍內特定位置位移及土壓力變化情況。研究結果表明：填土蠕變產生較大土體位移。整體填土范圍內，因填土蠕變產生的附加沉降最大達?1.4 m，為初始沉降2倍。地表處，工后沉降最大為?1.2 m，下凹成坑明顯；填土蠕變將導致填土自身及周圍土體應力重分布。隨著填土蠕變，洞頂第1層填土各測點豎向土壓力逐漸接近其自重應力，洞頂處應力集中消失；明洞范圍內地基土壓力分布從中間小、兩邊大，變?yōu)橹虚g大、兩邊小。因此，高填明洞結構中，須對土體工后沉降及工后應力重分布格外重視。

有限差分法；高填黃土；蠕變；工后沉降；應力重分布

在西部的發(fā)展過程中，鐵路建設成為一個必不可少的環(huán)節(jié)，而黃土高原溝壑縱橫，地形崎嶇，限制了城市用地，城市變得擁擠。為緩解這一問題，高填明洞在鐵路工程中的應用無法避免。然而，隨著明洞上方填方量的增大，填土蠕變導致的高填范圍內土壓力及位移的改變無法忽略：填方越大，蠕變非穩(wěn)定期越長，進而引起填方內部及周圍結構受力改變，影響結構使用壽命和安全性。因此，對于包含高填明洞在內的許多地下工程，時間成為必須考慮的因素。高填明洞已有的研究成果主要來源于對填方完成時刻的結果分析：以實測數據或模型試驗為基礎，并通過數值模擬印證的方式，研究高填明洞分別在有無減載措施下的土壓力及結構內力分布規(guī)律，推導出特定條件下高填明洞土壓力計算方式[1?6]。而土體本身具有蠕變性質，會隨時間發(fā)生變形。KANG等[7?10]通過離散元(DEM)及有限元方法，結合相應蠕變測試，研究了不同土體在蠕變過程中的宏觀與微觀響應。楊愛武等[11?17]僅針對黃土進行相關模型試驗，研究了不同種類黃土應力應變隨時間變化規(guī)律，并總結規(guī)律提出相應的經驗本構模型，或對已有模型進行比較和修正。在試驗基礎上，朱才輝等[18?20]又以Burgers模型及其衍生模型為黃土本構模型進行數值計算，研究了高填方黃土不同含水率和壓實度下黃土的蠕變特性，證實了高填方下考慮黃土蠕變的必要性。同時，眾多學者在研究高填涵洞時，考慮了土體蠕變。Spangler 等[21?22]采用一種或多種方式(現場數據、試驗測試及數值模型等)，研究了管涵填方試驗中路堤內部土壓力及沉降隨時間變化規(guī)律。Valestad等[23]通過測試不同參數管涵填方試驗在一年中土壓力及變形的變化，證明了混凝土管涵在較高填方下考慮土體蠕變的安全性。然而，對高填明洞的研究未考慮土體蠕變對高填范圍內土壓力及位移產生的影響。根據張豫川等[19]的研究結果，對于填埋在深溝中的黃土，其自身蠕變影響下引起的工后沉降十分顯著。而過大的土體變形將導致土體應力重分布，土體產生二次固結與蠕變。對于土體蠕變所引起的二次固結和蠕變，其導致的高填方明洞高填范圍內土壓力及位移的改變尚未可知，高填方明洞在考慮土體蠕變下的長期安全性難以預測。因此，本文利用有限差分程序FLAC3D建立高填明洞模型，考慮填方完成后填土蠕變的影響，分析高填范圍內不同位置土壓力及位移隨工后時間增長的變化規(guī)律。

1 基于有限差分法的分析

1.1 有限差分程序數值模型建立

本節(jié)針對甘肅省境內某高填溝槽式明洞，利用有限差分軟件FLAC3D建立相應模型，以期對高填明洞土壓力及位移變化規(guī)律有一定認識，模型見圖1。

單位：m

模型設置回填高度61 m，開挖側壁與水平夾角70°，洞頂以上回填土分為6層。模型建立完成后，施加邊界條件：頂部不約束，四周約束法向位移，底部位移全約束。

1.2 材料參數獲取

1.2.1 填土

此次計算對填土賦予Burgers模型，該模型適用于描述壓實黃土應變與時間關系。模型參數來自葛苗苗[20]研究結果中含水率=17.0%,壓實度=0.90時的模型參數擬合值所形成曲線，各層填土土參數確定方法為：1) 計算填方完成時各層填土壓力；2) 將所得土壓力對應蠕變參數賦予各層填土；3) 反復迭代計算，使相鄰2次所得土壓力相差小于5%。各層填土參數見表1。

1.2.2 其他材料

除填土外，其他材料均不考慮材料自身蠕變；地基采用Mohr-Coulomb模型模擬，明洞及兩側邊坡為線彈性模型，各材料參數見表2。

表1 各層填土參數

注：側土層為明洞高度范圍內兩側填土層。洞頂上首層土為第1層土，向上層數依次增加。

表2 其余材料參數

1.3 模型計算與監(jiān)測點布置

模型賦值完畢后，關閉蠕變板塊，對模型施加重力并平衡，還原初始地應力。平衡完畢后，清除土體位移，開始填方計算。對于填方，洞頂以上共設置6層填土，通過將填土逐層從空模型(Null)變?yōu)閷嶓w本構模型的方式，對分層填筑進行模擬，避免采用一次性填筑造成的計算誤差[24]。待填方計算完成，打開蠕變計算板塊。經計算，8 000 d時拱腳水平相對凈空變化速度為0.01 mm/d，小于0.2 mm/d；拱頂相對下沉速度為0.001 mm/d，小于0.15 mm/d，此時可以認為土體變形基本穩(wěn)定[25]。因此，總蠕變時間設置為8 000 d。

蠕變計算過程中，根據研究內容，分別于地表、洞頂第1層填土、洞下地基和各層填土中央設置相應監(jiān)測點，同一測區(qū)各點間距離設為1 m，利用軟件自帶歷史監(jiān)測命令，獲取各點受力及變形值。測點布置見圖2。

單位：m

2 計算結果與分析

2.1 填土整體分析

2.1.1 豎向位移

填土總豎向位移云圖如圖3所示。填方完成時，圖中不同層填土間交界出現沉降“斷層”，且該現象隨土體深度增加逐漸消失。究其原因，各層填土間填筑施工有時間間隔，當下一層土填筑時，上一層土已經歷一定時長沉降，導致土層交界處出現豎向位移的突變。待填土蠕變8 000 d后，填土土壓力變化均勻。結合蠕變前云圖，可以發(fā)現沉降“斷層”同時受上覆荷載及填土蠕變影響：若上覆荷載足夠大，則該現象直接消失；若荷載不足，該現象將隨填土蠕變而消失。

為了解填土整體工后沉降情況，根據圖2所布置測點對各層土中央豎向位移進行監(jiān)測，并將結果繪于圖4。圖中各位置工后沉降隨時間皆經歷線性增長—增速下降—最終平穩(wěn)3個階段。至第8 000 d時，第4層土工后沉降最大，為?1.4 m。結合圖3發(fā)現，該最大工后沉降值與兩云圖中最大豎向位移之差對應。同時，最大工后沉降約為填方完成時最大豎向位移的2倍，即因填土蠕變產生的附加沉降最大可占總沉降的66.7%，土體蠕變在填方完成后應受到格外重視。

(a) 填方完成時；(b) 工后第8 000 d

圖4 填土工后沉降隨時間變化規(guī)律

2.1.2 豎向土壓力

填土豎向土壓力云圖如圖5所示。圖中填方完成時，明洞洞頂處產生應力集中，該集中現象隨土體深度減小而逐漸消失。填土蠕變8 000 d后，云圖中同一水平位置處的豎向土壓力相同。說明填土蠕變將導致自身土壓力重分布，最終同一水平處各位置應力基本一致，應力集中消失。

(a) 填方完成時；(b) 工后第8 000 d

同時，根據圖2所布測點，對各層填土中央位置處豎向土壓力進行監(jiān)測，得到該位置工后豎向土壓力增量(該點工后任意時刻土壓力?該點填方完成時土壓力)，結果繪于圖6。圖中，各測點土壓力隨時間增長所經歷階段與其沉降相同。在線性增長階段，第1層土增速最快，填土層靠近地表則增速減小。至蠕變第8 000 d，第1層填土中央土壓力增加236 kPa，而第6層中央增量小于1 kPa，前后相差值達到102數量級。說明填方完成時土壓力越大，蠕變后該位置土壓力在線性增長階段時的增速越快，變形穩(wěn)定時土壓力增長量越大。

圖6 填土工后豎向土壓力增量隨時間變化規(guī)律

2.2 地表沉降分析

地表填土范圍內工后沉降隨時間變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 地表工后沉降變化規(guī)律

從橫向看，在工后任意時刻，地表填土水平位置越接近明洞中央，沉降值越大。隨著測點位置從邊坡向明洞中央移動，工后沉降曲線近似呈“三段折線式”發(fā)展：當測點位于明洞3.5倍洞寬范圍外時，沉降值呈線性迅速增加；在1倍洞寬和3.5倍洞寬之間，沉降值增速變緩，并繼續(xù)以線性增加；最后，在明洞范圍內，沉降值變化仍為線性，但增速最緩。蠕變第8 000 d時，邊坡處工后沉降接近于0，而中央可達?1.2 m。其原因為：1) 邊坡位置處，混凝土和填土之間的作用有效限制了土體的下滑，導致土體越接近邊坡，下滑程度越小，且最小處接近于零。但邊坡對填土的滑阻作用僅為二者接觸范圍內，導致測點水平位置遠離邊坡時，填土迅速下滑；2) 由于明洞的修建，襯砌剛度要比土體大得多，襯砌范圍內土體受支撐作用，沉降較自由狀態(tài)下變小，且支撐作用較均勻，減小了范圍內土體各點工后沉降。同時，該作用將通過土體間作用影響洞寬范圍外土體，但其影響范圍有限(洞寬3.5倍)，故斜率于范圍邊界處再次改變。因此，對于同一時刻地表沉降，邊坡作用主要在于限制最小沉降值，而明洞主要為緩和一定范圍內的沉降變化。

從豎向看，地表工后沉降差在第8 000 d達到最大，為?1.2 m。第1 000 d時該值為?1 m，超過最大值的80%；在第2 000 d時為?1.12 m，與最大值相差5%。因此，有必要對地表工后沉降進行監(jiān)控，且前2 000 d的監(jiān)控尤為重要。

2.3 洞頂填土位移及土壓力分析

2.3.1 填方完成時

圖8~9分別為填土完成時明洞上方第1層填土在溝槽范圍內的豎向位移及土壓力。

圖8 第1層填土豎向位移變化規(guī)律(填土完成時)

圖8顯示，在填土完成時，第1層填土豎向位移在明洞范圍內中央最小，為?0.283 m；兩邊緩慢增大，最大時與中間相差0.005 m；在邊坡對填土的滑阻作用下，明洞范圍外位移迅速減小。由于該相對位移差，洞頂處產生應力集中。此時水平位置越靠近邊坡，土壓力越小，最小為?520 kPa。明洞頂土壓力最大，為?650 kPa，因邊坡對約束效應，該值小于其自重應力。

圖9 第1層填土豎向土壓力變化規(guī)律(填土完成時)

2.3.2 工后增量

圖10~11分別為溝槽范圍內第1層填土工后平均沉降和工后平均豎向土壓力增量(該水平方向上所有測點的工后沉降及工后豎向土壓力增量分別求和并除以測點數目)隨時間變化規(guī)律。溝槽范圍內第1層填土工后沉降及工后豎向土壓力增量分布情況如圖12~13所示。

圖10 第1層填土工后平均沉降變化規(guī)律

從圖10~11中可以看出，對于第1層填土，其工后平均沉降及平均豎向土壓力增量的變化趨勢相同，且該趨勢與各層填土中央工后沉降及土壓力增量變化趨勢一致。

圖11 第1層填土工后平均豎向土壓力增量變化規(guī)律

圖12 第1層填土工后沉降變化規(guī)律

圖13 第1層填土工后豎向土壓力增量變化規(guī)律

結合圖8和圖12可以看出，槽寬范圍內第1層土沉降分布規(guī)律在填土蠕變后并未改變。結構與土體過大的剛度差異對填土產生的影響從填方開始一直延續(xù)到后期蠕變，明洞范圍內兩側沉降始終大于中央，總沉降差不斷擴大。

結合圖9和圖13可以看出，該層土豎向壓力變化規(guī)律與沉降規(guī)律相異：初始時中央土壓力大，兩邊??；工后兩側土壓力增量大于中央；最終穩(wěn)定時，同深度下各點豎向土壓力基本一致，為?897 kPa，接近其自重應力(900 kPa)。說明填土蠕變使自身應力重分布，高填明洞洞頂應力集中消失，邊坡對土體的約束效應隨時間逐漸消失，最終應力等于土體自重應力。

2.4 地基位移及土壓力分析

2.4.1 填方完成時

填方完成時槽寬范圍內地基豎向位移及土壓力變化規(guī)律如圖14~15所示。

位移曲線中，明洞底板范圍內地基豎向位移最大，且范圍內各位置間位移相差不大，均在?0.083 m附近波動，波動值小于0.001 m。在底板與邊墻交界處，位移曲線出現拐點，測點位置向洞外移動時位移值陡降，最大沉降差達0.011 m。

土壓力曲線中，由于明洞底板向上產生位移，使得地基中央處土壓力最小，為?820 kPa。測點位置向兩側移動時，壓力迅速增加，邊墻處土壓力達到最大，為中央土壓力的1.5倍。測點位置向洞外移動時，土壓力迅速減小，邊坡附近土壓力為 ?880 kPa。

圖14 地基豎向位移變化規(guī)律(填土完成時)

圖15 地基豎向土壓力變化規(guī)律(填土完成時)

2.4.2 工后增量

溝槽范圍內地基工后沉降及工后土壓力增量如圖16~17所示。

圖16 地基工后沉降變化規(guī)律

圖17 地基工后豎向土壓力增量變化規(guī)律

圖16中，任意時刻明洞范圍內地基各位置沉降增量變化相差小于0.005 m，其工后沉降近似呈同步增加。工后沉降曲線在邊墻處出現拐點，明洞范圍外工后沉降迅速減小。溝槽與邊坡交界處，地基出現工后回彈，回彈值0.012 m。結合圖14，明洞范圍內地基各位置總沉降在任意時刻都保持同步，拐點位置未隨時間發(fā)生變化，明洞范圍外沉降變化更加陡峭，沉降差擴大。說明填土蠕變不改變溝槽范圍內地基總沉降分布趨勢，且該分布趨勢將隨填土蠕變愈加明顯。

圖17中，明洞內邊墻間地基土壓力近似同步增加，邊墻處增量迅速減少。結合圖15發(fā)現，隨測點位置從中央向兩側移動，填方完成時地基豎向土壓力先增大后減小，而蠕變最終穩(wěn)定時豎向土壓力單調減少，地基中央土壓力最大，填土完成時地基中央土壓力減小現象消失。

對比圖16和圖17，地基工后沉降及工后土壓力增量在第1 000 d時均未達到穩(wěn)定值的50%，第2 000 d時達穩(wěn)定值95%，與洞頂第1層填土工后變化規(guī)律相對比，土體達到穩(wěn)定表現出一定的滯后性。原因為地基工后變化受明洞兩側填土及洞頂填土影響，而兩側填土壓力在頂部先達到穩(wěn)定，越向下穩(wěn)定所經歷時間越長。從而，地基工后沉降與工后土壓力變化較洞頂上方第1層填土有延遲。

3 結論

1) 全填土范圍內，填土因蠕變產生的附加沉降最大為總沉降66.7%。另一方面，蠕變過程中各層土中央工后土壓力增量差異巨大，穩(wěn)定時最大最小值相差數量級為102。過大的數值差異表明了在高填明洞中考慮土體蠕變的必要性。

2) 隨填土蠕變，填方范圍內地表工后下凹成坑：中央為坑底，最終下沉1.2 m；邊緣下沉少，始終接近于0。同時，地表工后第2 000 d時各位置沉降已達到最終穩(wěn)定值95%，較后6 000 d變化劇烈，工后前2 000 d的地表沉降監(jiān)控顯得尤為重要。

3) 隨填土蠕變，明洞頂第1層填土和地基各測點土壓力變化收斂速度不同。隨著測點位置向下移動，土壓力變化收斂越慢。蠕變穩(wěn)定時，洞頂第1層填土各測點豎向土壓力達到其自重應力99.6%；地基豎向土壓力在明洞范圍內的分布情況從中間小、兩邊大，變?yōu)橹虚g大、兩邊小。

[1] 徐湉源, 王明年, 于麗. 高填方雙層襯砌式明洞土壓力和結構內力特性研究[J]. 鐵道學報, 2019, 41(2): 146? 153. XU Tianyuan, WANG Mingnian, YU Li. Research on earth pressure and structural internal force of a high-fill open cut tunnel consisting of bi-layer linings[J]. Journal of the China Railway Society, 2019, 41(2): 146?153.

[2] 李盛, 李善珍, 王起才, 等. EPS板卸載的高填黃土明洞模型試驗和數值模擬分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2016, 35(增1): 3394?3401. LI Sheng, LI Shanzhen, WANG Qicai, et al. Unloading model test and numerical simulation analysis on high fill loess open cut tunnel with EPS[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(Suppl 1): 3394?3401.

[3] 馬莉, 李盛, 王起才, 等. 溝槽式高填黃土明洞卸載模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2016, 35(5): 1065?1071. MA Li, LI Sheng, WANG Qicai, et al. Unloading model test on open cut tunnels in high filled loess trench[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(5): 1065?1071.

[4] 匡亮. 基于土壓力集中效應的超厚填土明洞荷載計算方法研究[J]. 土木工程學報, 2017, 50(增2): 192?197. KUANG Liang. Study on the earth pressure load theory for open cut tunnels beneath super high fill based on earth pressure concentration effect[J]. China Civil Engineering Journal, 2017, 50(Suppl 2): 192?197.

[5] 李盛, 馬莉, 王起才, 等. 高填明洞土壓力計算方法及其影響因素研究[J]. 中國鐵道科學, 2016, 37(5): 41?49. LI Sheng, MA Li, WANG Qicai, et al. Calculation method and influencing factors for earth pressure of high fill open-cut tunnel[J]. China Railway Science, 2016, 37(5): 41?49.

[6] 李盛, 劉亞朋, 何川, 等. 溝槽式高填黃土明洞洞頂垂直土壓力統一計算方法[J]. 中國鐵道科學, 2018, 39(5): 1?7. LI Sheng, LIU Yapeng, HE Chuan. A unified calculation method for vertical earth pressure on top of high fill loess open cut tunnel with groove type[J]. China Railway Science, 2018, 39(5): 1?7.

[7] KANG D H, YUN T S, Lau Y M, et al. DEM simulation on soil creep and associated evolution of pore characteristics[J]. Computers and Geotechnics, 2012, 39(none): 98?106.

[8] WANG Y H, Lau Y M, GAO Y. Examining the mechanisms of sand creep using DEM simulations[J]. Granular Matter, 2014, 16(5): 733?750.

[9] LI W, HAN Y, WANG T, et al. DEM Micromechanical modeling and laboratory experiment on creep behavior of salt rock[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2017, 46: 38?46.

[10] MING X, Juntian H, Erxiang S. DEM study on the macro- and micro-responses of granular materials subjected to creep and stress relaxation[J]. Computers and Geotechnics, 2018, 102: 111?124.

[11] 楊愛武, 張兆杰, 孔令偉. 不同應力狀態(tài)下軟黏土蠕變特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2014, 35(增2): 53?60. YANG Aiwu, ZHANG Zhaojie, KONG Lingwei. Experimental study of creep property of soft clay under different stress conditions[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(Suppl 2): 53?60.

[12] 王松鶴, 駱亞生. 復雜應力下黃土蠕變特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2009, 30(增2): 43?47. WANG Songhe, LUO Yasheng. Research on creep characteristics of loess under complex stress[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(Suppl 2): 43?47.

[13] 葛苗苗, 李寧, 鄭建國, 等. 基于一維固結試驗的壓實黃土蠕變模型[J]. 巖土力學, 2015, 36(11): 3164?3170, 3306. GE Miaomiao, LI Ning, ZHENG Jianguo, et al. A creep model for compacted loess based on 1D oedometer test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(11): 3164?3170, 3306.

[14] 鄧亞虹, 李麗, 慕煥東, 等. 西安地區(qū)地裂縫帶Q_3原狀黃土流變特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2015, 36(7): 1847?1855. DENG Yahong, LI Li, MU Huandong, et al. Experimental research on rheological properties of Q_3 intact loess within ground fissures belt in Xi’an region[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(7): 1847?1855.

[15] 朱才輝, 李寧, 劉俊平. 壓實Q_3馬蘭黃土蠕變規(guī)律研究[J]. 西安理工大學學報, 2011, 27(4): 392?399. ZHU Caihui, LI Ning, LIU Junping. Research on the creep behavior of compacted Q_3 Ma-Lan loess[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2011, 27(4): 392?399.

[16] 程海濤, 劉保健, 謝永利. 壓實黃土應力?應變?時間特性[J]. 長安大學學報 (自然科學版), 2008(1): 6?9. CHENG Haitao, LIU Baojian, XIE Yongli. Stress-strain- time behavior of compacted loess[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2008(1): 6?9.

[17] 王鵬程, 駱亞生, 胡連信, 等. 重塑黃土三軸蠕變特性研究及模型分析[J]. 巖土力學, 2015, 36(6): 1627?1632, 1642. WANG Pengcheng, LUO Yasheng, HU Lianxin, et al. Research on triaxial creep characteristics and models of remolded loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(6): 1627?1632, 1642.

[18] 朱才輝, 李寧. 基于黃土變形時效試驗的高填方工后沉降研究[J]. 巖土力學, 2015, 36(10): 3023?3031. ZHU Caihui, LI Ning. Post-construction settlement analysis of loess-high filling based on time-dependent deformation experiments[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(10): 3023?3031.

[19] 張豫川, 高飛, 呂國順, 等. 基于黃土蠕變試驗的高填方地基沉降的數值模擬[J]. 科學技術與工程, 2018, 18(30): 220?227. ZHANG Yuchuan, GAO Fei, Lü Guoshun, et al, Numerical simulation of high fill foundation settlement based on creep test of loess[J]. Science Technology and Engineering, 2018, 18(30): 220?227.

[20] 葛苗苗, 李寧, 鄭建國, 等. 基于蠕變試驗的黃土高填方工后沉降規(guī)律數值研究[J]. 西安理工大學學報, 2015, 31(3): 295?300, 305. GE Miaomiao, LI Ning, ZHENG Jianguo, et al. Numerical analysis of the post-construction settlement regularity of loess-high filled embankment based on creep test[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2015, 31(3): 295?300, 305.

[21] Spangler M G. Long-time measurement of loads on three pipe culverts[J]. Highway Research Record, 1973.

[22] Mcaffee R P, Valsangkar A J. Field performance, centrifuge testing, and numerical modelling of an induced trench installation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2008, 45(1): 85?101.

[23] Vaslestad J, Johansen T H, Holm W. Load reduction on rigid culverts beneath high fills: long-term behavior[J]. Transportation Research Record, 1993, 1415: 58?68.

[24] 黃笑犬, 張謝東, 曉夏, 等. 基于FLAC3D的高填方涵洞EPS板減荷效應研究[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2019, 43(3): 554?559. HUANG Xiaoquan, ZHANG Xiedong, XIAO Xia, et al. Research on load reduction effect of EPS slab for high fill culvert based on FLAC3D[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2019, 43(3): 554?559.

[25] 中鐵二局集團有限公司. 鐵路隧道施工規(guī)范(TB10204—2002)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2002. China Railway Erju Group Corporation. Code for construction on tunnel of railway (TB10204—2002)[M]. Beijing: China Railway Press, 2002.

Analysis on soil creeping for high-filled cut-and-cover tunnel based on finite difference method

JIANIE Yuchi1, LI Sheng1, LI Zhipeng1, LI Xiudong2, YU Bentian1, WANG Changdan3

(1. College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. China Railway Fourteen Bureau Group Co., Ltd, Jinan 250014, China;3. Associate Professor, Department of Urban Rail Transit and Railway Engineering, College of Transportation Engineering,Tongji University, Shanghai 201804, China)

The application of high-filled cut-and-cover tunnel shows a necessity on loess plateau. Based on the consideration that creep properties of backfill loess will influence displacement and earth pressure of soil in the range of backfill, a 8 000 days creeping modelling for high-filled cut-and-cover tunnel with refilling finished is operated by FLAC3Dto analyze the variation of displacement and earth pressure in the range. Two points are concluded: ① Creeping of backfill leads to a large sum of soil displacement. Within the compass of backfill, the largest post-construction settlement is ?1.4 m, which is twice number of the initial settlement. At land surface, the largest post-construction settlement is ?1.2 m, where there is a big pit; ② Creeping of backfill causes stress redistribution in backfill and soil around backfill. While creeping of the backfill, the vertical earth pressure of the first layer will be closer to self-weight stress, stress concentration at the top of tunnel disappears. In the range of the open cut tunnel, vertical earth pressure of foundation changed, from the least at middle and the peak at both sides, to the peak at middle and the least at both sides. Therefore, close attention should be paid on post-construction settlement and stress redistribution of soil in high-filled cut-and-cover tunnel.

finite difference method; high-filled loess; creep; post-construction settlement; stress redistribution

TU43

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 2046 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190892

2019?10?13

國家自然科學基金資助項目(51668036，51868041)；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT_15R29)

李盛(1982?)，男，山西陽高人，教授，博士，從事巖土與地下工程方面研究；E?mail：ligwin@126.com

(編輯 蔣學東)