地鐵盾構(gòu)施工土力學(xué)知識(shí)

地鐵盾構(gòu)施工土力學(xué)知識(shí)1土力學(xué)研究對(duì)象土力學(xué)（Soilmechanics）是研究土的碎散特性及其受力后的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度、穩(wěn)定和滲透等規(guī)律的一門學(xué)科。它以力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)的知識(shí)為基礎(chǔ)，研究與工程建筑有關(guān)的土的變形和強(qiáng)度特性，并據(jù)此計(jì)算土體的固結(jié)與穩(wěn)定，為各項(xiàng)專門工程服務(wù)。1土力學(xué)研究問(wèn)題變形問(wèn)題：土體受力后將發(fā)生變形，如果變形超過(guò)了一定的限度，就會(huì)使建（構(gòu)）筑物損壞或不能正常使用，這類問(wèn)題在土力學(xué)中叫做變形問(wèn)題。穩(wěn)定問(wèn)題：土受力超過(guò)了它所能承受的能力，土便要被破壞，在土力學(xué)中亦稱為穩(wěn)定性喪失。研究土體是否會(huì)破壞這一類問(wèn)題稱為穩(wěn)定問(wèn)題。1土力學(xué)土的物理性質(zhì)和工程分類大自然的產(chǎn)物巖石土風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積壓密、巖化土的形成和特征土的概念

土：覆蓋在地表上的碎散礦物集合體。巖石：構(gòu)成地殼的基本物質(zhì)，是一種或多種礦物的聚合體。

1土力學(xué)土的物理性質(zhì)和工程分類碎散性三相組成自然變異性壓縮性高強(qiáng)度低透水性大特指抗剪強(qiáng)度土的物理性質(zhì)/工程特性

1土力學(xué)土的物理性質(zhì)和工程分類土中的固體顆粒：構(gòu)成土骨架，對(duì)土物理力學(xué)性質(zhì)起決定性作用。土的顆粒級(jí)配隨著顆粒大小的不同，土的性質(zhì)可以有很大的差異。因此，人們常常按照粒徑的范圍，將土粒分為若干組，粒組之間的分界尺寸稱為界限粒徑。土粒粒組的劃分：1土力學(xué)粒組名稱粒徑范圍(mm)一般特征漂石或塊石卵石或碎石>200200～60透水性很大，無(wú)粘性，無(wú)毛細(xì)水圓礫/角礫粗中細(xì)60～2020～55～2透水性大，無(wú)粘性，毛細(xì)水上升高度不超過(guò)粒徑大小砂粒粗中細(xì)極細(xì)2～0.50.5～0.250.25～0.10.1～0.075易透水，當(dāng)混入云母等雜質(zhì)時(shí)透水性減小，而壓縮性增加，無(wú)粘性，遇水不膨脹，干燥時(shí)松散；毛細(xì)水上升高度不大，但隨粒徑變小而增大粉粒粗細(xì)0.075~0.010.01~0.005透水性小，濕時(shí)稍有粘性，遇水膨脹小，干時(shí)稍有收縮；毛細(xì)水上升高度較大較快，極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象粘粒

<0.005透水性很?。粷駮r(shí)有粘性、可塑性，遇水膨脹大，干時(shí)收縮顯著；毛細(xì)水上升高度大，但速度不快1土力學(xué)土的物理性質(zhì)和工程分類顆粒級(jí)配分析方法篩分法

適用于顆粒大于0.1mm(0.075mm)的土。它是利用一組孔徑大小不同的篩子，將事先稱過(guò)的烘干土樣過(guò)篩，稱出留在各個(gè)篩子上的土重，即可求得各個(gè)粒組的相對(duì)含量。水分法

用于分析粒徑小于0.1mm（0.075mm）的土，根據(jù)粗顆粒下沉速度快，細(xì)顆粒下沉速度慢的原理，可以把顆粒按下沉速度進(jìn)行粗細(xì)分組。實(shí)驗(yàn)室常用比重計(jì)來(lái)進(jìn)行細(xì)粒土的粒徑分析，稱為比重計(jì)法。1土力學(xué)盾構(gòu)選型

1土力學(xué)土的物理性質(zhì)和工程分類盾構(gòu)選型：1土力學(xué)土的物理性質(zhì)和工程分類顆粒級(jí)配曲線的分析與應(yīng)用土的不均勻系數(shù)CuCu=d60/d10土的曲率系數(shù)Cc對(duì)粗粒土來(lái)講，通常將同時(shí)滿足Cu>5，Cc=1～3的土稱為級(jí)配良好的土。1土力學(xué)土的物理性質(zhì)和工程分類土的工程分類基本原則：劃分的土類能反映土性質(zhì)的變化規(guī)律。土的三級(jí)分類：一級(jí)分類：按成因分類二級(jí)分類：按土質(zhì)類型分類三級(jí)分類：按工程建筑類型分類土按粒度成分分類表土的名稱顆粒級(jí)配大類類粗粒土碎石土粒徑大于2mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量的50%砂類土粒徑大于0.075mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量50%細(xì)粒土粉土粒徑小于0.005mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量10%粘性土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量大于總質(zhì)量30%1土力學(xué)建設(shè)部分類碎石類土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過(guò)50%的土。1土力學(xué)土的名稱顆粒級(jí)配及形狀碎石土漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量的50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量的50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量的50%角礫棱角形為主土的名稱顆粒級(jí)配砂類土礫砂粒徑大于2mm的顆粒占總質(zhì)量的25~50%粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量50%中砂粒徑大于0.25mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量50%細(xì)砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量85%粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量50%1

土力學(xué)砂類土：粒徑大于2mm的顆粒含量不超過(guò)50%，粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過(guò)50%的土。粉土砂質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒不超過(guò)總質(zhì)量10%粘質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒超過(guò)總質(zhì)量10%粘性土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)50%，塑性指數(shù)Ip大于10的土。1土力學(xué)粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)50%，塑性指數(shù)Ip小于或等于10的土。粘性土粉質(zhì)粘土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量18-30%粘土粒徑小于0.005mm的顆粒質(zhì)量大于總質(zhì)量30%1土力學(xué)土的滲透性盾構(gòu)始發(fā)/到達(dá)端頭加固及盾構(gòu)選型滲流：水在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象；滲透性：土具有被水等液體透過(guò)的性質(zhì)；滲透系數(shù)k：?jiǎn)挝凰μ荻认碌膯挝涣髁?，表示流體通過(guò)孔隙骨架的難易程度。土的滲透問(wèn)題：滲透流量問(wèn)題滲透變形（或滲透破壞）問(wèn)題滲流控制問(wèn)題1土力學(xué)土的滲透性滲透力：每單位土體內(nèi)土顆粒所受的滲流作用力，用j表示。滲透力是一種體積力，單位為kN/m3

，其大小和水力坡降成正比，方向與滲流方向一致。滲透力方向與重力方向一致時(shí)，滲透力對(duì)土骨架起滲流壓密作用，對(duì)穩(wěn)定有利；滲透力方向與重力方向相反時(shí)，滲透力對(duì)土骨架起浮托作用，對(duì)穩(wěn)定不利。當(dāng)滲透力大到某一數(shù)值時(shí)，會(huì)使該處土體發(fā)生浮起和破壞，因此要研究滲流逸出區(qū)的滲透力和逸出坡降。發(fā)生流水土條件：1土力學(xué)土的滲透性滲透變形（滲透破壞）：基本型式為流土和管涌。流土：指在向上的滲透水流作用下，表層土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。管涌：指在滲透水流的作用下，土中的顆粒被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體坍塌的現(xiàn)象。一般粘性土只會(huì)發(fā)生流土，而不會(huì)發(fā)生管涌，屬于非管涌土；管涌的必要條件：無(wú)粘性土中粗顆粒構(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆粒的直徑。1土力學(xué)土的滲透性滲透系數(shù)的測(cè)定方法：

常水頭法—適用于粗粒土 室內(nèi) 變水頭法—適用于細(xì)粒土 壓水試驗(yàn)（端頭加固檢驗(yàn)常用）室外

抽水試驗(yàn)1土力學(xué)土的滲透性1土力學(xué)土的滲透性壓水試驗(yàn)：在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的滲透試驗(yàn)，它是栓塞把鉆孔隔離出一定長(zhǎng)度的空段，然后以一定的壓力向孔段壓水，測(cè)定相應(yīng)壓力下的壓入流量，以單位試驗(yàn)長(zhǎng)度在某以壓力下的壓入流量值來(lái)表征該空段巖土體的透水性，是評(píng)價(jià)巖體滲透性的常用方法。式中：K—土體的滲透系數(shù)（m/d）；Q—壓入流量（m3/d）；H—試驗(yàn)水頭（m）；L—試段長(zhǎng)度（m）；r0—鉆孔半徑（m）。地基中的幾種應(yīng)力狀態(tài)土體自重產(chǎn)生的自重應(yīng)力(self-weightstress)建筑物荷載引起的附加應(yīng)力(stressinaground)地震等引起的地震慣性力(seismicinertiaforce)滲流引起的滲透力(seepageforce)環(huán)境條件變化引起的重分布應(yīng)力(redistributionstress)土內(nèi)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是指土內(nèi)一點(diǎn)各個(gè)方向上應(yīng)力的大小。1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算自重應(yīng)力均勻地基1、豎直向自重應(yīng)力(kN/m2)2、水平向自重應(yīng)力1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算成層地基（以天然土層界面與地下水位為界）附加應(yīng)力是由于修建建（構(gòu)）筑物以后在地基內(nèi)新增加的應(yīng)力。附加應(yīng)力是使地基發(fā)生變形，引起建（構(gòu)）筑物沉降的主要原因。1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算地基中的附加應(yīng)力集中力作用下彈性半空間中σz的分布應(yīng)力泡：將半空間內(nèi)σz相同的點(diǎn)連接起來(lái)得到σz的等值線，其形如燈泡，故又稱應(yīng)力泡。1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算附加應(yīng)力分布規(guī)律有效應(yīng)力原理：粒間應(yīng)力：由骨架顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的應(yīng)力。有效應(yīng)力：指對(duì)土體的變形和強(qiáng)度變化有效的粒間應(yīng)力?？紫端畨毫Γ河煽紫端畟鬟f的應(yīng)力，它不能直接引起土體的變形和強(qiáng)度變化，又稱為中性壓力，不隨時(shí)間而變化。超靜孔隙水壓力：由外荷引起的超出靜水位以上的那部分孔隙水壓力。它在固結(jié)過(guò)程中不斷變化，固結(jié)終了時(shí)應(yīng)等于零。1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算飽和土的有效應(yīng)力原理表達(dá)式：土的壓縮變形和強(qiáng)度變化都只取決于有效應(yīng)力的變化。1土力學(xué)土中應(yīng)力計(jì)算有效應(yīng)力原理要點(diǎn)飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分，兩者之間的關(guān)系總滿足：土壓縮變形的本質(zhì)土的壓縮性：指土在壓力作用下體積縮小的特性。土體的壓縮變形實(shí)際上是孔隙壓縮、孔隙比變小所造成的。在土的壓縮過(guò)程中，假定土顆粒是不可壓縮的，水是不可壓縮的，只有孔隙可以壓縮。對(duì)飽和土而言，土的壓縮主要是由孔隙中的水被擠出所致，壓縮過(guò)程同排水過(guò)程一致。土的固結(jié)：孔隙水排出，土的壓縮隨時(shí)間而增長(zhǎng)的過(guò)程。1土力學(xué)土的壓縮性及沉降側(cè)限壓縮試驗(yàn)壓縮試驗(yàn)1土力學(xué)土的壓縮性及沉降1土力學(xué)壓縮曲線是室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)的成果，是土的孔隙比與所受壓力的關(guān)系曲線。壓縮性曲線的形狀與土樣的成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及受力歷史等有關(guān)。壓縮性不同的土，其e-p曲線的形狀不同。曲線愈陡，說(shuō)明壓力增加時(shí)孔隙比減小得多，土易變形，壓縮性愈高。土的壓縮性及沉降壓縮定律：在壓力范圍不大時(shí)，孔隙比的減小值與壓力的增加值成正比。壓縮系數(shù)：e-p曲線上任一點(diǎn)切點(diǎn)斜率表示了相應(yīng)壓力p作用下的壓縮系數(shù)。1土力學(xué)土的壓縮性及沉降mv與a的單位相同，a表示單位壓應(yīng)力變化引起的孔隙比變化，mv表示單位壓應(yīng)力變化引起的單位體積變化。1土力學(xué)土的壓縮性及沉降壓縮模量：土在側(cè)限壓縮條件下豎向附加壓應(yīng)力與應(yīng)變?cè)隽恐?。變形模量：土在無(wú)側(cè)限條件下附加壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)變之比。

1土力學(xué)土的壓縮性及沉降固結(jié)是指土體在建筑物荷重或自重壓力及其它應(yīng)力作用下，其變形隨時(shí)間發(fā)展至完全穩(wěn)定的全過(guò)程，固結(jié)是時(shí)間的函數(shù)。前期固結(jié)壓力(σp′)是指土層在地質(zhì)歷史上曾經(jīng)受過(guò)的最大有效固結(jié)壓力。1土力學(xué)土的壓縮性及沉降1土力學(xué)土的壓縮性及沉降盾構(gòu)施工引起地層變形的主要原因：開(kāi)挖造成地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變；地層損失引起地層位移；盾構(gòu)推進(jìn)引起的土體空隙水壓力變化，或因降水引起地下水位下降引起土體的固結(jié)沉降；管片結(jié)構(gòu)變形及土體的次固結(jié)和流變。彈性/彈塑性變形：瞬時(shí)不易捕捉破壞性隆起：北京砂卵石地層有自承拱，無(wú)大影響，但在粘土層中隆起一旦形成，將產(chǎn)生較大影響尾部空隙增加且沉陷、底土擾動(dòng)。底土蠕變而產(chǎn)生的塑性變形，包括超孔隙水壓消散引起的主固結(jié)沉降和土體骨架蠕變引起的次固結(jié)沉降。先期沉降刀盤到達(dá)時(shí)沉降盾構(gòu)機(jī)身通過(guò)時(shí)沉降盾尾通過(guò)后沉降后期延續(xù)沉降周圍土體因開(kāi)挖卸荷(應(yīng)力釋放)導(dǎo)致彈性或彈塑性變形發(fā)生。開(kāi)挖面設(shè)定壓力過(guò)大時(shí)產(chǎn)生隆起。推進(jìn)時(shí)盾殼和土層間的摩擦剪切力導(dǎo)致土體向盾尾空隙后移、仰頭或叩頭時(shí)糾偏。此時(shí)周邊土體超孔隙水壓力達(dá)到最大，推進(jìn)速度和管背注漿對(duì)其也有影響。土的壓縮性及沉降1土力學(xué)整體沉降：適用于粘性土地層，隧道上覆地層具有明顯的分組運(yùn)動(dòng)特征。各組地層運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)將產(chǎn)生地層組之間的離層現(xiàn)象(通常表現(xiàn)為地層膨脹)。地層組間離層量的大小及其存續(xù)的時(shí)間取決于上、下結(jié)構(gòu)層的位態(tài)、施工工藝以及地層加固狀況等。地層沉降的模式1土力學(xué)土的壓縮性及沉降拱式沉降：對(duì)于松散地層，尤其是含砂性土的地層，隧道開(kāi)挖后首先在其上方形成拱，隨隧道開(kāi)挖范圍增大在一定條件下可形成相對(duì)穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)。但由于隧道開(kāi)挖及支護(hù)不及時(shí)，可能造成拱范圍擴(kuò)大，當(dāng)拱波及到砂層，尤其是含水砂層時(shí)則會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，即可造成大范圍的涌水涌砂，嚴(yán)重時(shí)可能波及到地表。地層沉降的模式1土力學(xué)土的壓縮性及沉降砂層比較難于控制（土壓建立、土塞效應(yīng)）；砂礫石地層控制沉降相對(duì)較容易（拱效應(yīng)）；粘土、粉土層較易控制（變形持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)）。到達(dá)前：沉降VS隆起？通過(guò)中：沉降幅度？到達(dá)后：幾日內(nèi)穩(wěn)定？后續(xù)沉降/總沉降？盾構(gòu)穿越各種地層的沉降規(guī)律盾構(gòu)推進(jìn)各個(gè)階段沉降規(guī)律1土力學(xué)土的壓縮性及沉降土的壓縮性及沉降1土力學(xué)盾構(gòu)隧道施工對(duì)上部地表影響范圍在?米以內(nèi)，約為?倍隧道直徑/?倍隧道埋深。盾構(gòu)在刀盤到達(dá)前隆起/沉降?變形量約占?%，盾構(gòu)主機(jī)通過(guò)中沉降約占?%，盾尾脫出后沉降約占?%，盾尾脫出后約?天變形趨于收斂。土的壓縮性及沉降1土力學(xué)北京地鐵8號(hào)線二期鼓~什區(qū)間（粘土、粉質(zhì)粘土）測(cè)點(diǎn)沉降曲線：盾前刀盤到達(dá)前約發(fā)生3~5mm的沉降，刀盤到達(dá)后至盾尾脫出前發(fā)生4~5mm的沉降，盾尾脫出后發(fā)生5~8mm的沉降，盾尾脫出4~8天后測(cè)點(diǎn)沉降速率開(kāi)始減小，測(cè)點(diǎn)沉降緩慢趨于穩(wěn)定。刀盤到達(dá)盾尾脫出變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)先期隆起ⅠⅡⅢⅣⅤ(a)主動(dòng)土壓力；(b)被土土動(dòng)力；(c)靜止土壓力土壓力計(jì)算1土力學(xué)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中土壓的確定擋土墻和土壓力的概念擋土墻是防止土體坍塌保持土體穩(wěn)定的構(gòu)筑物（可將盾構(gòu)刀盤看做擋土墻）。土壓力是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對(duì)墻背產(chǎn)生的側(cè)向壓力。土壓力的分類與定義1土力學(xué)土壓力計(jì)算主動(dòng)土壓力：擋土墻沿墻趾向離開(kāi)填土方向轉(zhuǎn)動(dòng)或平行移動(dòng)，位移達(dá)到一定時(shí)，墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，填土中開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng)面的土壓力。被動(dòng)土壓力：擋土墻在外力作用下向墻背填土方向轉(zhuǎn)動(dòng)或平移時(shí)，土壓力逐漸增大，位移達(dá)到一定時(shí)，潛在滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強(qiáng)度，墻后土體達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，填土內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng)面時(shí)作用在擋土墻上的土壓力增加至最大。靜止土壓力：擋土墻不向任何方向發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)的土壓力。三種土壓力的關(guān)系：靜止土壓力對(duì)應(yīng)于圖中A點(diǎn)，墻位移為0，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)；主動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)于圖中B點(diǎn)，墻向離開(kāi)填土的方向位移，墻后土體處于主動(dòng)極限平衡狀態(tài)；被動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)于圖中C點(diǎn)，墻向填土的方向位移，墻后土體處于被動(dòng)極限平衡狀態(tài)。Pa<P0<Pp1土力學(xué)土壓力計(jì)算靜止土壓力的分布1土力學(xué)土壓力計(jì)算靜止土壓力的計(jì)算土體中一點(diǎn)的自重應(yīng)力狀態(tài)

cz=

z

cx

=

cy

=

k0

z靜止土壓力

強(qiáng)度

p0=

cx

=

cy

=k0

z

合力

E0=(1/2)k0H2（合力作用點(diǎn)在距墻底(1/3)H的位置）1土力學(xué)土壓力計(jì)算靜止土壓力系數(shù)K0的確定

（1）經(jīng)驗(yàn)值：砂土K0=0.34~0.45，粘性土K0=0.5~0.7（2）半經(jīng)驗(yàn)公式法：

K0=1-sin

(無(wú)粘性土和正常固結(jié)