【原】盾構(gòu)開(kāi)挖面平衡壓力與主被動(dòng)土壓力計(jì)算解釋

王國(guó)義 2024-09-21 發(fā)布于河北

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現(xiàn)今周邊圓弧形刀盤(pán)滾刀切削土體形成開(kāi)挖面和開(kāi)挖成型面(見(jiàn)圖1)。開(kāi)挖面和開(kāi)挖成型面分為三部分：Ⅰ區(qū)是開(kāi)挖成型后形成的圓柱體內(nèi)表面；Ⅱ區(qū)是刀盤(pán)周邊滾刀開(kāi)挖形成的漸變的圓弧體內(nèi)表面；Ⅲ區(qū)是圓形成的垂直于刀盤(pán)中心線的圓面。刀盤(pán)開(kāi)挖面主要由Ⅰ區(qū)（掘進(jìn)方向長(zhǎng)約200mm）、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)構(gòu)成。要保證刀盤(pán)開(kāi)挖面原狀土無(wú)變形，主要是研究這三個(gè)區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的平衡壓力。

圖1

具體假設(shè)與定義請(qǐng)見(jiàn)文章。

基于巖土土骨架在各個(gè)方向呈相同各向異性的前提下，分析盾構(gòu)平衡壓力值。按照理論土力學(xué)中主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力的概念，可將小于盾構(gòu)平衡壓力導(dǎo)致地層開(kāi)始沉降的臨界壓力值定義為主動(dòng)平衡壓力

，將大于盾構(gòu)平衡壓力導(dǎo)致地層開(kāi)始隆起的臨界壓力值定義為被動(dòng)平衡壓力

，盾構(gòu)平衡壓力處于

之間時(shí)，地層不會(huì)沉降也不會(huì)隆起。

分析開(kāi)挖面各個(gè)點(diǎn)的平衡壓力。

平衡壓力：

圖2

當(dāng)處于開(kāi)挖面頂部，此時(shí)平衡壓力只有處于自重應(yīng)力，拱頂不會(huì)沉降與隆起。這很好理解，力平衡原理，平衡壓力大于自重應(yīng)力將隆起，小于自重應(yīng)力會(huì)沉降。此時(shí)主動(dòng)平衡壓力與被動(dòng)平衡壓力相等。

， Ⅲ區(qū)全部和Ⅱ區(qū) 、 Ⅰ區(qū)的腰部位置。

圖3

主動(dòng)平衡壓力：

被動(dòng)平衡壓力：

，開(kāi)挖面底部時(shí)。

圖4

主動(dòng)平衡壓力：

被動(dòng)平衡壓力：

（5）

，在刀盤(pán)圓弧開(kāi)挖面3、9點(diǎn)位上半部分。

圖5

通過(guò)微小單元體的立體計(jì)算，可推導(dǎo)出

角。

然后重新優(yōu)化成如下圖6的主動(dòng)平衡壓力圖分析。

圖6

主動(dòng)平衡壓力：

優(yōu)化成如下圖7的被動(dòng)平衡壓力圖分析。

圖7

被動(dòng)平衡壓力：

請(qǐng)注意：此條件下的主動(dòng)、被動(dòng)平衡壓力計(jì)算分析很重要。主要平衡壓力是圖6上的自重應(yīng)力與側(cè)壓力的合力形成的應(yīng)力，被動(dòng)平衡壓力是圖7上的被動(dòng)平衡壓力向上的分力與向右的分力的向上側(cè)壓力的合力形成的應(yīng)力。為什么是這樣筆者還未找到真正的解釋?zhuān)挥羞@樣計(jì)算出來(lái)的值才是連續(xù)性的，也能從計(jì)算值分析出是正確的。

，在刀盤(pán)圓弧開(kāi)挖面3、9點(diǎn)位下半部分。

主動(dòng)平衡壓力：

被動(dòng)平衡壓力：

其他位置同樣道理可推導(dǎo)計(jì)算出主動(dòng)與被動(dòng)平衡壓力。

這樣盾構(gòu)開(kāi)挖面每個(gè)點(diǎn)的平衡壓力都可計(jì)算出，土艙渣土壓力也可計(jì)算出，當(dāng)土艙頂部壓力與自重應(yīng)力相等時(shí)，土艙壓力與主動(dòng)、被動(dòng)平衡壓力示意圖如下圖。因此，要想達(dá)到盾構(gòu)開(kāi)挖上部地層不變形，對(duì)于周邊有開(kāi)口的圓弧形刀盤(pán)來(lái)說(shuō)，土艙頂部壓力應(yīng)達(dá)到自重應(yīng)力。

對(duì)于側(cè)壓力來(lái)講，筆者分析出了主動(dòng)平衡壓力與被動(dòng)平衡壓力，那么按照土體極限平衡理論公式可知，主動(dòng)狀態(tài)大小主應(yīng)力應(yīng)滿足下述公式：

粘性土

主動(dòng)狀態(tài)大主應(yīng)力為：

，既可推導(dǎo)出優(yōu)化后的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式：

按此推導(dǎo)方法同樣能推導(dǎo)出優(yōu)化后的被動(dòng)土壓力計(jì)算公式：

主動(dòng)平衡壓力、被動(dòng)平衡壓力、優(yōu)化的主動(dòng)土壓力、優(yōu)化的被動(dòng)土壓力有了，依據(jù)莫爾應(yīng)力圓和莫爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則可畫(huà)出不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力圓（如下圖），其中應(yīng)力圓O1為主動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)力圓O2為靜止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)力圓O3為被動(dòng)狀態(tài)。

筆者通過(guò)土各向異性特性，提出了主動(dòng)平衡壓力與被動(dòng)平衡壓力的概念，進(jìn)而分析出周邊圓弧形刀盤(pán)開(kāi)挖面各個(gè)點(diǎn)的主動(dòng)平衡壓力與被動(dòng)平衡壓力，最終確認(rèn)開(kāi)挖面上方地層無(wú)變形的平衡壓力為自重應(yīng)力。同時(shí)，優(yōu)化了朗肯主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力計(jì)算公式，與朗肯土壓力計(jì)算值相比主動(dòng)土壓力偏小，被動(dòng)土壓力偏大。依據(jù)莫爾應(yīng)力圓理論優(yōu)化了主動(dòng)狀態(tài)與被動(dòng)狀態(tài)應(yīng)力圓，并首次提出了靜止?fàn)顟B(tài)下的應(yīng)力圓。

筆者一直在研究，重點(diǎn)是感覺(jué)其有一定道理，可能是正確的，還沒(méi)有向有效應(yīng)力計(jì)算一樣被自己否決掉。如果是正確的，那其可推動(dòng)此技術(shù)的進(jìn)步。