一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法技术

本发明专利技术涉及一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法，该方法包括如下步骤：(1)确定软土地层中隧道上方各层土体地质参数；(2)确定软土地层中隧道上方塌落体范围；(3)根据隧道周边土体位移，确定隧道上方塌落体单元左右两侧滑移面位置，并获取滑移面范围内竖直向上摩擦力；(4)假设软土地层中隧道上方覆土压力符合高斯分布函数，根据滑移面范围内竖直向上摩擦力确定高斯积分修正系数；(5)确定隧道上方覆土压力。本发明专利技术方法确定的软土地层中隧道上方覆土压力结果更加准确，更加符合实际。

【技术实现步骤摘要】
一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法
本专利技术涉及一种隧道上方覆土压力的确定方法，尤其是涉及一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法。
技术介绍
城市地下建筑空间的利用解决了城市土地紧缺，提供了更高水平的城市功能，改善了城市生活环境。迄今为止，城市的地下空间开发利用仍主要集中在近地表浅层地下空间。在上海，众多的地下交通设施、管线等公共设施使得地下空间像地面空间一样拥挤，不利于城市的总体规划和后续开发建设。为了缓和矛盾，解决城市地面与浅层地下的拥挤，满足城市的发展需要，考虑利用地下更深处，开发大深度地下空间，分层次的使用地下空间就成为可行性措施。盾构隧道作为软土地区大深度开发过程中最常见的结构型式，盾构隧道上方覆土压力的确定有助于进行合理的结构设计，从而为盾构隧道的开发提供理论依据。众所周知，在进行盾构隧道管片结构设计时，盾构隧道上方覆土压力值的高估，导致隧道截面计算内力增大，配筋增加，工程造价增多。由此可见，合理地预测盾构隧道上方覆土压力值对于深埋盾构隧道的结构设计至关重要。目前，软土地层中隧道上方覆土压力一般采用Terzaghi松弛土压力理论来获取。Terzaghi进行了活动门试验，如图1所示为Terzaghi活动门试验示意图，通过将移动板15移动，则移动板15上方土体位移见图1所示。Terzaghi松弛土压力理论是Terzaghi根据活动门试验的结果，图1中12为隧道假想位置，基于松散介质平衡理论，利用应力传递的概念，充分考虑隧道尺寸、土体的物理力学性质(内摩擦力和土体黏聚力)以及埋深的影响，提出的一种针对隧道上方覆土压力的计算方法。实际工程表明：随着盾构隧道埋深的增加，隧道拱顶垂直土压力远小于Terzaghi计算值。因此，Terzaghi隧道上方覆土压力计算值大于实际值，导致隧道截面计算内力增大、配筋增加，浪费了资源。研究表明，Terzaghi松弛土压力理论存在以下几个问题：1、隧道周边土体位移：实际工程中，隧道周边土体位移如图2所示，隧道21下方的底部土体24往往有一定的隆起，这主要是由于隧道21开挖，土体卸载，此时隧道底部土体产生一定的隆起，这与Terzaghi活动门试验中底部土体下滑显然不一致。其次隧道21由于上部与下部受压，隧道21左侧与右侧管片向土体移动，此时隧道21的左侧土体22和右侧土体23受到隧道挤压，沿偏离隧道21方向水平移动，这与Terzaghi活动门试验中土体下滑的趋势显然也是不相符。因此，Terzaghi活动门试验中土体位移显然与实际工程中隧道周边土体位移大相径庭，将隧道简单的安放在活动门中是不合时宜的。2、竖向土压力分布情况：研究表明：隧道顶部的垂直土压力不是均布分布的，隧道中心顶部垂直土压力最小，随后土压力逐渐变大，其峰值较无穷远处来得大，随后土压力逐渐变小，并最终趋于稳定，呈曲线分布。因此，假设隧道顶部的垂直土压力为均布分布，这显然与实际情况相去甚远。3、塌落体单元宽度：Terzaghi理论认为隧道顶部塌落体单元一半宽度为B1：其中，R0为隧道半径，为土体内摩擦角。然而越来越多的学者对此提出了异议，周小文通过离心机模型试验，研究了隧洞内支护压力与地层位移的关系，试验结果显示，在砂土地层中塌落区域宽度基本等于隧洞的直径，即2R0。4、滑移面摩擦力：Terzaghi垂直土压力理论中，认为作用于单元体侧面的竖直向上摩擦力F为：其中，k0为静止土压力系数，σz为隧道上方覆土压力，为土体内摩擦角，c为土体黏聚力，z为土体深度。根据上式，对砂土地层中隧道单元体侧面的竖直向上的摩擦力进行了计算：取塌落体单元体宽度为隧道直径；全部计入塌落体单元两侧的竖直向上的摩擦力；塌落体单元两侧垂直土压力按土柱理论计算。经计算得出F值普遍偏大，当H/R0较大时，甚至出现F值大于隧道顶部塌落体单元体自重的情况，这里，H为隧道埋深，R0为隧道半径。因此，简单的认为塌落体单元体两侧都能产生摩擦力，往往偏离了实际工程情况。两个相互接触的物体，当它们要发生相对运动时，就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫活动摩擦力。因此只有当滑移面两侧土体发生相对运动的时候，才会产生摩擦力。Terzaghi垂直土压力理论中认为塌落体单元两侧全部为滑移面，并应计算其摩擦力，这是不当的。综上所述，Terzaghi理论存在着较多的问题。实际工程中，隧道周边土体位移显然与Terzaghi活动门土体移动趋势不符；隧道顶部垂直土压力分布并不是呈均布分布；隧道顶部塌落体单元宽度还有待商榷；塌落体单元体两侧并不是全是滑移面区域，不应全部计入塌落体单元体两侧竖直向上的摩擦力。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法，该方法包括如下步骤：(1)确定软土地层中隧道上方各层土体地质参数，包括第i层覆土的土体重度γi和土体厚度hi，i＝1,2……n，n为隧道上方覆土总层数；(2)确定软土地层中隧道上方塌落体范围；(3)根据隧道周边土体位移，确定滑移面位置，并获取滑移面范围内竖直向上摩擦力；(4)假设软土地层中隧道上方覆土压力符合高斯分布函数，根据滑移面范围内竖直向上摩擦力确定高斯积分修正系数α；(5)根据下式确定隧道上方覆土压力σz：其中，e为自然常数，R0为隧道外半径，x为隧道上方覆土表面待求取覆土压力点距离隧道中心线的水平距离。所述的塌落体具体为：隧道正上方位于隧道外直径范围内的从隧道顶部至地表的土体。所述的滑移面为塌落体左右两侧从隧道顶部向上至1.5倍R0高度处区域。步骤(3)中滑移面范围内竖直向上摩擦力为滑移面范围内竖直向上剪应力总和与摩擦力折减系数的乘积，具体通过下式获取：其中，F为滑移面范围内竖直向上摩擦力，λ为竖直向上摩擦力的折减系数，k0为静止土压力系数，为滑移面范围内土体深度为z处通过全覆土理论计算的覆土压力，c为滑移面范围内土体深度为z处的土体黏聚力，为滑移面范围内土体深度为z处的土体内摩擦角，积分变量z表示土体深度，H为隧道埋深。具体通过下式获取：步骤(4)中高斯积分修正系数α通过下式获取：其中，F为滑移面范围内竖直向上摩擦力，erf为误差函数。竖直向上摩擦力的折减系数λ通过下式得到：其中，D＝2R0，H为隧道埋深。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：对软土地层中隧道上方塌落体单元范围进行了界定，将塌落体单元宽度确定为隧道直径，对塌落体单元左右两侧的滑移面范围重新定义，进而确定竖直向上摩擦力计算范围，定义土地层中隧道上方覆土压力符合高斯函数分布，并引入高斯积分修正系数α，进而在上述基础上进行隧道上方覆土压力的确定，采用该方法确定的隧道上方覆土压力更加符合实际情况，结果更加准确。附图说明图1为Terzaghi活动门试验示意图；图2为隧道周边土体位移示意图；图3为本专利技术软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法的流程框图；图4为本专利技术软土地层中隧道上方覆土压力的计算简图；图5为本实施例隧道上方覆土压力分布图；图6为本实施例不同隧道埋深下隧道拱顶覆土压力各理论计算值对比图。图1中，11为移动土体，12为隧道假想位置，13为静止土体，14为固定板，15为移动板，16为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)确定软土地层中隧道上方各层土体地质参数，包括第i层覆土的土体重度γi和土体厚度hi，i＝1,2……n，n为隧道上方覆土总层数；(2)确定软土地层中隧道上方塌落体范围；(3)根据隧道周边土体位移，确定滑移面位置，并获取滑移面范围内竖直向上摩擦力；(4)假设软土地层中隧道上方覆土压力符合高斯分布函数，根据滑移面范围内竖直向上摩擦力确定高斯积分修正系数α；(5)根据下式确定隧道上方覆土压力σz：

【技术特征摘要】
1.一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)确定软土地层中隧道上方各层土体地质参数，包括第i层覆土的土体重度γi和土体厚度hi，i＝1,2……n，n为隧道上方覆土总层数；(2)确定软土地层中隧道上方塌落体范围；(3)根据隧道周边土体位移，确定滑移面位置，并获取滑移面范围内竖直向上摩擦力；(4)假设软土地层中隧道上方覆土压力符合高斯分布函数，根据滑移面范围内竖直向上摩擦力确定高斯积分修正系数α；(5)根据下式确定隧道上方覆土压力σz：其中，e为自然常数，R0为隧道外半径，x为隧道上方覆土表面待求取覆土压力点距离隧道中心线的水平距离。2.根据权利要求1所述的一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法，其特征在于，所述的塌落体具体为：隧道正上方位于隧道外直径范围内的从隧道顶部至地表的土体。3.根据权利要求1所述的一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法，其特征在于，所述的滑移面为塌落体左右两侧从隧道顶部向上至1.5倍R0高度处区域。4.根据权利要求1或3任意一项所述的一种软土地层中隧道上方覆土压力的确定方法，其特征在于，步骤(3)中滑移面范围内竖直向上摩擦力为滑移面范围内竖直向上剪应力总和与摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭芳乐，陈凯华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31