地面堆載對(duì)既有隧道影響離心試驗(yàn)和數(shù)值分析

隨著城市地下空間進(jìn)一步開發(fā)，交通隧道、地下管線變得越來(lái)越密集，鄰近既有隧道的地面堆載問(wèn)題難以避免.上海市規(guī)定了地下結(jié)構(gòu)設(shè)施受鄰近施工影響20 mm的位移限值，但并未對(duì)隧道周邊堆載規(guī)模做出細(xì)致研究和明確規(guī)定，僅僅采取禁止堆載的措施，從而導(dǎo)致很多臨時(shí)性堆載項(xiàng)目受限而無(wú)法開展，影響工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行.

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)地面堆載導(dǎo)致的隧道位移問(wèn)題進(jìn)行了大量研究.邵華等利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了上海某地鐵區(qū)間突發(fā)堆載對(duì)隧道位移的影響，提出了加固補(bǔ)強(qiáng)措施.李衛(wèi)超等分析了深厚軟土大面積堆載對(duì)地基壓縮層的影響，討論了地層模量和沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值方法.Wang等假定地層為黏彈性材料，考慮淺埋隧道和任意位置地面堆載，提出了計(jì)算隧道變形的預(yù)測(cè)公式.梁發(fā)云等建立了層狀地層地面堆載對(duì)既有隧道影響的解析算法，利用Fourier變換和兩階段法，計(jì)算了堆載引起的附加應(yīng)力和隧道位移.黃大維等通過(guò)相似模型試驗(yàn)和理論分析，認(rèn)為隧道上方附加豎向土壓力會(huì)大于地面堆載，隧道所在土層越軟弱，位移控制難度越大.張明告等結(jié)合縮尺模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了土體壓縮模量在地面堆載問(wèn)題中的影響.Ali等利用隨機(jī)自適應(yīng)有限元分析(RAFELA)方法，考慮地層空間變異性，研究了地面堆載對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響.

現(xiàn)有研究中，縮尺模型試驗(yàn)沒(méi)有考慮實(shí)際工程中土體所受的高應(yīng)力，不能還原軟黏土地層受堆載影響的變形發(fā)展過(guò)程.數(shù)值計(jì)算一般采用參數(shù)較少的摩爾庫(kù)倫模型或修正劍橋模型，未能考慮土體剛度隨應(yīng)變衰減特征，使計(jì)算結(jié)果偏大.另外，已有研究多是討論單一因素對(duì)隧道位移的影響，未能考慮堆載規(guī)模和隧道位置對(duì)隧道位移的綜合影響.

本文基于上海軟黏土地質(zhì)條件，開展了離心模型試驗(yàn)，研究了地面堆載對(duì)隧道位移和土體變形的影響規(guī)律.基于離心模型試驗(yàn)建立相應(yīng)的有限元模型，分析了小應(yīng)變剛度在軟土地區(qū)地面堆載問(wèn)題中的適用性.在此基礎(chǔ)上，綜合考慮堆載規(guī)模和隧道位置，研究了地面堆載對(duì)下部軟黏土地層變形和隧道位移的影響.

1 離心模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器和材料

離心模型試驗(yàn)在上海交通大學(xué)DC-2200鼓式離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行，如圖1所示，離心機(jī)有效旋轉(zhuǎn)半徑為1.1 m，最大荷載為600t，即可在最大 200離心加速度下運(yùn)載3 t試驗(yàn)物質(zhì).離心機(jī)底盤安裝有無(wú)線接入點(diǎn)和微型電腦主機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)線交換.本試驗(yàn)為二維平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，模型率為100，即試驗(yàn)過(guò)程中離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加速度為 100.試驗(yàn)用模型箱如圖2所示，試驗(yàn)過(guò)程中側(cè)立于離心機(jī)鼓室內(nèi).

（1）在水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)、可靠的找出原因，并切出故障，避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間受到破壞，確保其他無(wú)故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)作。

土體固結(jié)完成后，按照?qǐng)D3所示橫斷面示意圖埋置模型隧道，隧道分別位于堆載正下方、側(cè)方和2(為隧道直徑)處.模型隧道直徑為3 cm，壁厚為0.25 cm，埋深為10 cm.隧道由鋁合金空心管加工而成，密度為 2 700 kg/m.在隧道頂部粘貼位移探針，通過(guò)高精度激光位移計(jì)實(shí)時(shí)記錄隧道位移.圖4所示為模型實(shí)物圖.

這是器樂(lè)綜合課中常用的方法，集各種器樂(lè)教學(xué)方法和訓(xùn)練手段于一身，運(yùn)用多種樂(lè)器進(jìn)行獨(dú)奏和合奏的混合訓(xùn)練，在分分合合的演奏中培養(yǎng)學(xué)生的器樂(lè)配合能力，提高學(xué)生的音樂(lè)綜合素質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了寬度為20 cm的加載板，模擬實(shí)際20 m堆載寬度.試驗(yàn)通過(guò)離心機(jī)機(jī)械手對(duì)土體逐級(jí)施加荷載，從0開始每級(jí)增加5 kPa直至 50 kPa.每級(jí)加載完成后，通過(guò)高清攝像機(jī)拍攝模型整體變形情況.試驗(yàn)結(jié)束后，利用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)分析土體變形和隧道位移.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

..土體變形 圖5所示為通過(guò)PIV技術(shù)分析得到的離心模型試驗(yàn)土體變形矢量圖，圖中為地表寬度；為地層深度.可以看出，堆載下方土體受擠壓向深部運(yùn)動(dòng)，位移矢量從地表逐漸向地層深部和兩側(cè)擴(kuò)散.隨著堆載的增大，受影響的土體范圍越來(lái)越大，但主要集中在堆載正下方，影響區(qū)域外輪廓呈拋物線形.

..隧道位移 圖6所示為隧道位移與堆載的關(guān)系.將試驗(yàn)結(jié)果按發(fā)展趨勢(shì)擬合后(圖中虛線)可以發(fā)現(xiàn)，堆載正下方隧道受影響最大，位移增長(zhǎng)呈拋物線形.兩側(cè)隧道受影響略小，位移發(fā)展近似呈線性.考慮到軟黏土具有高壓縮性和低承載力的特征，堆載周邊土體發(fā)生局部剪切或刺入式破壞，隧道-曲線不會(huì)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn).

試驗(yàn)所用土體為上海第④層淤泥質(zhì)重塑黏土，該層土為典型的結(jié)構(gòu)性海相軟土，歸一化割線切變模量最小.為模擬實(shí)際場(chǎng)地應(yīng)力，保證試驗(yàn)土體與原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)基本一致，對(duì)重塑泥漿采用離心固結(jié)，在100離心力條件下旋轉(zhuǎn)3～4 d，待固結(jié)度達(dá)90%，完成固結(jié).

2 HSS模型適用性分析

為了確定適用于軟黏土堆載問(wèn)題的本構(gòu)模型，參照離心試驗(yàn)建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比 HS模型和HSS模型計(jì)算結(jié)果，分析小應(yīng)變土體硬化模型在地面堆載問(wèn)題中的適用性.

2.1 數(shù)值模型建立

圖11所示為兩種本構(gòu)模型地層應(yīng)變等值線.HS模型隧道周圍的土體應(yīng)變范圍為0.01%～0.02%，HSS模型隧道周圍土體應(yīng)變小于0.01%，兩種本構(gòu)模型下隧道周邊土體應(yīng)變均在小應(yīng)變范圍(0.001%～0.1%)內(nèi)，土體剛度的發(fā)展對(duì)正確評(píng)估土體變形至關(guān)重要.

2.2 本構(gòu)模型參數(shù)確定

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖9所示為兩種本構(gòu)模型下堆載增大至 50 kPa 時(shí)的地層總位移()云圖，虛線處的地層深度等于1倍地表堆載寬度可以看出，未考慮土體小應(yīng)變剛度的HS模型較HSS模型地層變形結(jié)果和影響范圍都偏大，深度影響范圍超過(guò)了1倍堆載寬度，水平影響范圍達(dá)到了2倍堆載寬度；而HSS模型地層變形集中在堆載正下方，深度和水平影響范圍均在1倍堆載寬度以內(nèi)，與離心模型試驗(yàn)結(jié)果一致.

所調(diào)查醫(yī)學(xué)生溝通能力總分處于14～84分之間，總分≥71分者即績(jī)優(yōu)組共246人，平均得分為（74.55±3.45）分；總分＜71分者即績(jī)平組731人，平均得分為（57.73±10.19）分。不同性別的醫(yī)學(xué)生溝通能力比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；不同年級(jí)、專業(yè)、是否參加醫(yī)患溝通課程醫(yī)學(xué)生的溝通能力比較，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

為研究對(duì)隧道位移的影響，以=8、=0位置隧道為例，隧道位移計(jì)算結(jié)果如圖19所示可以看出，在同一級(jí)荷載下，隨著隧道埋深的增大，隧道位移逐漸減小，隧道埋深與位移近似呈反比例函數(shù)關(guān)系：隨著隧道埋深的增大，地面堆載產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)隧道的影響越來(lái)越小，位移趨向于無(wú)窮小.

數(shù)值計(jì)算模型尺寸和隧道布置參考離心模型試驗(yàn)，計(jì)算簡(jiǎn)圖和網(wǎng)格劃分情況如圖7所示.模型頂面為自由邊界，其余邊界受法向約束.計(jì)算模型初始地應(yīng)力后，通過(guò)單元生死功能實(shí)現(xiàn)土體開挖和隧道施工，位移歸零后，逐級(jí)施加地面堆載至50 kPa.

提取兩種本構(gòu)模型不同深度土體單元的剪切剛度計(jì)算結(jié)果，如圖12所示.HSS模型=9 m處土體單元初始剪切剛度計(jì)算結(jié)果約為6 MPa，對(duì)照參考文獻(xiàn)[16]，結(jié)果在合理區(qū)間內(nèi).HS模型的剪切剛度始終較小，處于HSS模型剛度衰減后的水平；而HSS模型土體單元具有較大的初始剪切剛度，且隨著應(yīng)變的增加，剛度呈S型曲線衰減，符合土體剪切剛度隨應(yīng)變發(fā)展的一般規(guī)律.

住宿環(huán)境升級(jí)，確保住得舒心。生活無(wú)煩惱，全縣5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)有室內(nèi)獨(dú)立衛(wèi)浴的周轉(zhuǎn)房占80%，其他房間均配備樓層衛(wèi)生間、洗澡間、洗衣房。健身有去處，室內(nèi)健身有跑步機(jī)、臥推架、單車等器材，戶外鍛煉有籃球、羽毛球、兵乓球等場(chǎng)地。減壓有場(chǎng)所，減壓室配置拳擊手套、橡皮人等減壓用具，文娛室配備象棋、圍棋、紙牌等，小影院可滿足20人觀影需要。醫(yī)療有保障，在健康小屋配備溫度計(jì)、血壓計(jì)、體重秤，常備家庭藥箱，備足日常藥品。

為了確定隧道位移對(duì)本構(gòu)模型參數(shù)的敏感程度，利用上述有限元模型分析隧道位移對(duì)這些參數(shù)的敏感性，在保證其余參數(shù)不變的情況下僅改變一個(gè)參數(shù)分析其影響規(guī)律.計(jì)算各參數(shù)值增大或減小1%所引起的隧道位移改變的百分?jǐn)?shù)，如圖13所示.可以看出，隧道位移對(duì)初始切變模量敏感性最大，對(duì)其他參數(shù)敏感性相對(duì)較小.

對(duì)比土體變形、隧道位移和剪切剛度，可以發(fā)現(xiàn)針對(duì)上海軟土地區(qū)隧道上方的地面堆載問(wèn)題，考慮土體小應(yīng)變剛度的本構(gòu)模型能夠更真實(shí)地反映地面堆載引起的土體變形和隧道位移特征.

2.4 HSS模型適用范圍

基于HSS模型，任取某一寬度堆載建立無(wú)隧道時(shí)的數(shù)值模型，地層參數(shù)同表1，得到堆載下方地層應(yīng)變隨荷載的變化規(guī)律，如圖14所示.可以看出，地面荷載較小時(shí)，堆載下臥地層均處于小應(yīng)變范圍(0.001%～0.1%)，此時(shí)土體主要發(fā)生彈性變形，如圖14(a)所示.荷載增大后，堆載邊緣部分土體發(fā)生應(yīng)力集中，該部分土體應(yīng)變首先增大，超出了小應(yīng)變范圍(大于0.1%)，如圖14(b)所示.隨著荷載進(jìn)一步增大，角點(diǎn)部位土體應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展，呈“泡型”向深部和兩側(cè)擴(kuò)散，堆載下部土體應(yīng)變也有所增加，如圖14(c)所示.當(dāng)荷載繼續(xù)增大，堆載邊緣部分土體應(yīng)變迅速發(fā)展，出現(xiàn)塑性破壞，而此時(shí)堆載下方大部分土體仍處于小應(yīng)變范圍，如圖14(d)所示.

相應(yīng)于堆載下臥土體應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)階段，有兩個(gè)臨界荷載，如圖15所示，其中從壓縮階段過(guò)渡到剪切階段的界限荷載為臨塑荷載，從剪切階段過(guò)渡到隆起階段的界限荷載為極限荷載.由上述計(jì)算發(fā)現(xiàn)，HSS模型可以很好地反映地基土壓縮階段土體變形和隧道位移變化特征，而當(dāng)荷載超過(guò)后，堆載邊緣部分土體很快進(jìn)入剪切階段，應(yīng)變超出小應(yīng)變范圍，計(jì)算不再適用.因此，HSS模型適用于地基土處于壓縮階段，即適用于地面荷載達(dá)到地基土臨塑荷載前的隧道位移計(jì)算.

3 地層變形發(fā)展模式

為研究和對(duì)隧道位移的影響，令=0，將各工況按歸一化后，發(fā)現(xiàn)隧道的-曲線具有相同的變化趨勢(shì)以=12為例，隧道-曲線如圖21所示，越大，隧道埋深相對(duì)越淺.可以看出，隨著堆載荷載的增大，隧道位移呈拋物線形增長(zhǎng)，且隧道埋深越淺，隧道位移增長(zhǎng)越快.

4 地面堆載對(duì)隧道位移的影響

在土層特性確定的情況下，隧道位移取決于堆載規(guī)模和隧道位置，即堆載寬度、堆荷、隧道埋深和隧道圓心至堆載中心線的距離，如圖17所示.為討論各參數(shù)對(duì)隧道位移的影響，建立地表寬度為100 m，地層深度為50 m的數(shù)值計(jì)算模型，地層和隧道參數(shù)如表1和2所示.考慮了9種堆載寬度(=, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12, 16)、4種隧道埋深(=, 2, 3, 4)以及5種距離(=0,, 2, 3, 4)的情況，共計(jì)144組計(jì)算工況.

兩種本構(gòu)模型計(jì)算得到的隧道豎向位移與離心試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10所示.可以看出，兩種本構(gòu)模型計(jì)算的-曲線均為平滑曲線，沒(méi)有明顯的拐點(diǎn).HSS模型計(jì)算結(jié)果與離心試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，而HS模型由于忽略了土體小應(yīng)變剛度，位移結(jié)果明顯偏大，約為HSS模型的4～5倍.

4.1 單因素影響研究

為研究堆載寬度對(duì)隧道位移的影響，以埋深=3、距離=0位置隧道為例，隧道位移計(jì)算結(jié)果如圖18所示可以看出，在同一級(jí)荷載下，隨著地面堆載寬度的增大，隧道位移不斷增大，堆載寬度與位移呈非線性關(guān)系，當(dāng)?shù)孛娑演d寬度大于1倍隧道埋深后，隧道位移隨堆載寬度增加而增大的速度減緩，有收斂趨勢(shì).

館藏資源建設(shè)是圖書館服務(wù)實(shí)施開展的基石，是高校圖書館工作的重中之重[27]。館藏資源從紙質(zhì)向電子資源轉(zhuǎn)型是圖書館發(fā)展的必然趨勢(shì)，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，用戶如何獲取信息，除了系統(tǒng)的傳統(tǒng)的服務(wù)外，高校圖書館的數(shù)據(jù)素養(yǎng)教育實(shí)踐表現(xiàn)形式主要為課程教育與在線教育，講座、專題討論會(huì)，專題培訓(xùn)[28]；以及個(gè)性化咨詢就成為了圖書館服務(wù)轉(zhuǎn)型的主要服務(wù)渠道。嵌入式服務(wù)對(duì)象以教師、研究人員和學(xué)生為主，如何讓用戶直接獲得清晰、明確、有效的檢索結(jié)果是服務(wù)的重點(diǎn)。

為研究距離對(duì)隧道位移的影響，以=8、=4位置隧道為例，隧道位移計(jì)算結(jié)果如圖20所示可以看出，在同一級(jí)荷載下，隨著距離的增大，隧道位移逐漸減小，與近似呈一次函數(shù)關(guān)系.

4.2 多因素影響研究

任取某一寬度地面堆載建立無(wú)隧道時(shí)的數(shù)值模型，分析下臥土體處于壓縮階段時(shí)，地層變形隨荷載增大的變化發(fā)展規(guī)律，如圖16所示，紅線為地層變形等值線.當(dāng)荷載非常小時(shí)，僅引起堆載中部區(qū)域土體發(fā)生很小的變形，如圖16(a)所示.荷載增大后，堆載邊緣土體應(yīng)力迅速增大，使邊緣部分土體影響擴(kuò)大，地層變形等值線呈馬鞍形，如圖16(b)所示.隨著堆載進(jìn)一步增大，堆載正下方土體受擠壓，地層變形等值線變?yōu)榈圭娦位驋佄锞€形，如圖16(c)、16(d)所示.當(dāng)荷載繼續(xù)增大，堆載下方擾動(dòng)范圍向地層深部和兩側(cè)擴(kuò)大，深度和水平影響范圍逐漸超過(guò)了1倍堆載寬度，地層變形等值線變?yōu)闄E圓形，如圖16(e)、16(f)所示.當(dāng)隧道位于地層變形某一影響區(qū)域內(nèi)時(shí)，便可能產(chǎn)生相應(yīng)的位移.

對(duì)兩組患者不同護(hù)理干預(yù)后的滿意度進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)組的滿意度優(yōu)于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），詳見表2。

中，教師要根據(jù)學(xué)生的元認(rèn)知情況，精心設(shè)計(jì)問(wèn)題，讓學(xué)生通過(guò)“微型探究”活動(dòng)，深化知識(shí)內(nèi)涵，揭示數(shù)學(xué)本質(zhì)，感悟解題方法.在具體問(wèn)題解決后應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)提煉一般方法，使學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解與思考達(dá)到新的高度.

為研究和對(duì)的影響，將各工況按歸一化后，發(fā)現(xiàn)在不同工況組合下，隧道位移均以豎向位移為主，水平位移較小，隧道的-曲線也具有相同的變化趨勢(shì).圖22所示為=5、=3時(shí)隧道的-曲線，越大，隧道越靠近堆載中心線.可以看出，隨著堆載荷載的增大，隧道位移呈拋物線形增長(zhǎng)，且隧道與堆載中心線的距離越近，隧道位移增長(zhǎng)越快.

(7)植被指數(shù)指標(biāo)。利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算出研究區(qū)植被指數(shù)，并進(jìn)行0～1之間歸一化處理得到植被指數(shù)歸一化結(jié)果(圖3g)。

4.3 堆載規(guī)模與隧道位置綜合影響研究

將按和歸一化后，各工況隧道位移如圖23所示.可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孛娑演d較小時(shí)(小于 10 kPa)，不同堆載寬度和隧道位置組合下，隧道產(chǎn)生的位移都將在10 mm以內(nèi).堆載增大至20 kPa后，除了=2，其他幾種情況一般不會(huì)產(chǎn)生大于20 mm的位移，這和隧道與堆載的絕對(duì)距離有關(guān).隨著荷載的增大，隧道在安全位移限值(20 mm)內(nèi)的可能性越來(lái)越小.由于本模型中土體剪切剛度為上海淺層土中最小值，結(jié)果偏于保守，工程上可以綜合考慮堆載規(guī)模和隧道位置，參考圖21，將堆載控制在相應(yīng)荷載級(jí)別下的安全位移限值內(nèi).

2018年8月30日，江蘇南通一名13歲少年沉迷網(wǎng)游墜樓身亡。有關(guān)記錄顯示，十一點(diǎn)四十六分該少年還在玩游戲，十二點(diǎn)多鐘跳樓，少年玩的是“吃雞”游戲，里面有小孩跳樓情節(jié)。

5 結(jié)論

本文聯(lián)合離心模型試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，研究了地面堆載對(duì)既有隧道位移和土體變形的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

(1) 在軟黏土地層中，隨著地面堆載的增大，土體受影響范圍從堆載中部逐漸擴(kuò)大到堆載邊緣，并進(jìn)一步向地層深部和兩側(cè)發(fā)展，隧道-曲線呈非線性增長(zhǎng)，無(wú)明顯拐點(diǎn).

(2) 隨著地面荷載增大，堆載邊緣部分土體應(yīng)變將超過(guò)小應(yīng)變范圍，發(fā)生剪切破壞，而堆載下方大部分土體仍處于小應(yīng)變范圍.HSS模型適用于地基土處于壓縮階段，即地面荷載達(dá)到地基土臨塑荷載前的隧道位移計(jì)算.

(3) 同一級(jí)荷載條件下，隧道位移與堆載寬度呈非線性關(guān)系，與埋深呈反比例函數(shù)關(guān)系，與距離呈一次函數(shù)關(guān)系.隧道位移受堆載規(guī)模和隧道位置影響顯著，工程上可以參考位移計(jì)算結(jié)果，將地面堆載設(shè)置在安全位移限值內(nèi).