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作者及研究机构

本研究的主要作者包括Ge Cui（诺丁汉大学土木工程系）、Jian Cui、Yong Fang（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，通讯作者）、Zhongtian Chen和Huiwu Wang。研究发表于《International Journal of Physical Modelling in Geotechnics》，发表日期为2019年7月16日。

学术背景

本研究属于岩土工程领域，重点关注盾构隧道在富水砂卵石地层中的管片衬砌行为。盾构隧道因其自动化施工、无交通干扰和不受天气限制等优点，广泛应用于水下隧道建设中。然而，在富水高渗透性地层中，外部水压力对管片衬砌的内力分布和承载能力有显著影响。为了准确评估这些影响，研究人员进行了1g缩尺模型试验，以研究不同土压力和水压力下错缝和通缝管片衬砌的力学行为。

研究流程

研究流程主要包括以下几个步骤：
1. 模型设计与相似理论
研究采用1g缩尺模型试验，基于相似理论设计模型。模型与原型之间的相似比包括几何尺寸（cl=10）、弹性模量（ce=10）、应力（cσ=10）等。模型隧道衬砌的直径为0.62米，采用混合材料模拟C50混凝土，并通过在衬砌上切割凹槽模拟管片接头。

1. 模型土制备
   模型土由河砂、卵石、重晶石和粉煤灰按一定比例混合而成，以模拟原型砂卵石地层的高渗透性。通过三轴试验和直剪试验测试模型土的力学参数，确保其符合相似比要求。

2. 加载设备与试验步骤
   研究设计了一套加载框架，分别施加垂直和水平土压力。水压力通过密封隧道衬砌内部产生负压来模拟，避免了传统钢绞线加载方法导致的应力集中和摩擦问题。试验步骤包括：

   • 初始土压力加载（80%的设计值）；
     
   • 开挖预留空间并安装预制衬砌；
     
   • 施加设计土压力；
     
   • 逐步增加外部水压力（每步增加20 kPa）。
     

3. 监测与数据分析
   在衬砌内外表面粘贴应变片，测量应变数据，并通过公式计算轴向力和弯矩。所有内力数据均转换为原型尺度进行分析。

主要结果

1. 外部水压力的影响
   在富水砂卵石地层中，外部水压力的增加导致轴向力显著增加，但弯矩和偏心距减小。例如，当水压力从100 kPa增加到300 kPa时，最大轴向力从921 kN增加到1589 kN，而最大正弯矩从86.32 kN·m减少到74.03 kN·m。

2. 覆土压力的影响
   覆土压力越高，轴向力越大。当覆土压力从1d增加到3d时，最大轴向力的平均增长率从85 kN/m增加到93 kN/m。同时，弯矩随水压力的增加而逐渐减小。

3. 侧向土压力系数的影响
   侧向土压力系数（λ）的变化对轴向力的影响较小，但对弯矩和偏心距有显著影响。例如，当λ从0.2增加到0.5时，最大弯矩从86 kN·m减少到66 kN·m。

4. 管片拼装模式的影响
   错缝拼装模式（如s1、s2、s3）的管片衬砌比通缝模式（ns）具有更大的轴向力和弯矩。例如，当水压力为200 kPa时，s3模式的最大轴向力为1320 kN，比ns模式高出22%。此外，错缝模式的偏心距也显著大于通缝模式。

结论

本研究通过缩尺模型试验，揭示了富水砂卵石地层中盾构隧道管片衬砌在外部水压力和土压力作用下的力学行为。研究结果表明，外部水压力的增加显著提高了轴向力，但降低了弯矩和偏心距。错缝拼装模式比通缝模式更适合高水压条件下的隧道施工，因其具有更高的刚度和较小的变形。

研究亮点

1. 创新性加载方法：通过密封隧道衬砌内部产生负压来模拟外部水压力，避免了传统方法的应力集中问题。
   
2. 系统性研究：全面分析了外部水压力、覆土压力、侧向土压力系数和管片拼装模式对衬砌内力的影响。
   
3. 工程应用价值：研究结果为高水压条件下盾构隧道的设计和施工提供了重要参考。
   

其他有价值内容

研究还提供了详细的模型设计参数和试验数据，为后续研究提供了可靠的基础。此外，研究团队开发的新型水压力模拟装置可广泛应用于其他盾构隧道模型试验中。

以上是对本研究的全面报告，涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学价值和应用价值。