3.3.4 试验结果分析
1）隧道收敛变形
表3-10所示为p=28kPa时隧道管片各截面变形情况，正变形量表示监测截面向外部扩张，负变形量表示监测截面向内部收缩。由表可知，e=0mm时，隧道竖直截面向内收缩、水平截面向外扩张，收缩量与扩张量大致相当，斜截面的变形量较小，管片呈横椭圆变形。此时，砂土层隧道和软土层隧道的水平收敛外径比（ΔD/Dt）分别为6.76‰和15.98‰，大于调查报道［87］的正常值5.1‰。
根据表3-10中数据可以计算得到不同加载位置和地层条件下隧道管片水平收敛值的变化情况，如图3-34所示。随着加载偏心距的增加，隧道水平收敛先迅速降低然后趋于平缓，p=28kPa时，当e从0mm增加到200mm，砂土层和软土层隧道的水平收敛分别下降了60‰和73‰。此外，e=0mm、200mm和1 000mm时，隧道变形后的长轴方向分别为90°（水平方向）、90°和45°（斜方向），说明加载偏心距的增加还会导致隧道管片从横椭圆变形逐渐发展为斜椭圆变形，实际工程中应注意调整监测与加固措施。
图3-33 试验过程
表3-10 p=28kPa时隧道管径收敛变形值 （单位：mm）
图3-34 隧道水平收敛变化情况
对比不同土层特性可发现，软土层隧道的水平收敛普遍大于砂土层，其最大水平收敛为后者的2.5倍，原因是软土可提供的抗力较小，地面加载作用下隧道结构更容易变形［90］。此外，p=28kPa时，当e从0mm依次增加到200mm和1 000mm，砂土层隧道水平收敛相对于e=0mm时依次减小了60%和90%，而软土层隧道水平收敛则依次减小了73%和95%。说明对于贮存于软土层的地铁隧道而言，增到加载与隧道的距离能够较好地起到保护隧道的作用。
分析加—卸载过程发现，卸载后隧道管片仍然有较大的残余变形，说明局部加载对隧道的不良影响难以在卸载后消除。通常来讲，隧道截面的变形主要来自两个部分：一是管片结构自身的变形；二是管片接头的错台变形［94］。加载作用产生的附加荷载，不仅使得土层出现塑性变形，而且导致管片间的接头也发生错台变形。两种变形的耦合作用使得卸载后管片产生了不可恢复的残余变形。因此，应严格管理邻近隧道各类工程活动，避免因突发局部加载对隧道造成不可逆损伤。
2）接头张开量
通过应变式位移计测量隧道接头内、外表面的变形量，可以计算得各个接头向外张开的角度（外张开量）。图3-35所示为不同加载偏心距时砂土层隧道的接头外张开量（正值表示向外张开，负值表示向内张开）。e=0mm时，各接头张开角较为对称，隧道肩部接头向外张开，其余部位接头则向内张开，肩部接头（78.75°和281.25°）的外张开角与顶部接头（11.25°和348.75°）的内张开角大致相等，同时上半部分接头的变形量明显大于下半部接头，与王如路等［88］的数值模拟结果类似。随着加载偏心距增加，隧道接头变形量逐渐减小。此外，e的增加导致了变形的不对称性，e=0mm时变形主要发生在左右肩部接头和顶部接头，接头变形较为对称，而偏压加载时变形主要发生在荷载对侧的肩部与顶部接头，两种情况下隧道接头的变形模式差别如图3-36所示。
图3-35 砂土层隧道接头张开量
图3-36 正上方加载和偏心加载时隧道接头变形情况
图3-37为软土层隧道接头的变形情况，由于变形较大，部分应变位移计遭到破坏，因此仅测得e=0mm和e=200mm两种工况下的部分接头变形。对比图3-38可知，软土层隧道管片接头的变形特征与砂土层隧道类似，但张开量更大。同时，卸载后接头依然有一定的残余变形量，说明本试验中接头变形同样进入塑性发展阶段。王如路等［88］通过数值模拟研究了正上方加载作用下隧道的收敛变形与接头张开量间的关系。结果显示，肩部接头的张开量约为隧道收敛变形量的10%，本试验中e=0mm时砂土层和软土层隧道肩部接头张开量分别为各自管片收敛最大变形量的4.4%和1.9%，与文献［88］数值模拟结果有一定差异。
图3-37 软土层隧道接头张开量
图3-38 隧道结构外表面附加土压力
3）土压力
图3-38所示为隧道外表面的附加土压力分布情况。e=0mm时，砂土层隧道各方向附加应力分布相对均匀，而软土层隧道附加应力主要集中于水平方向。原因有二：第一，收敛变形更大的软土层隧道土拱效应发挥的程度更大，隧道顶部荷载重分布更明显，因此顶部附加应力减小而水平向应力增大。第二，试验中加载产生的局部附加应力约为27kPa，隧道上覆土层自重应力约为7kPa，对比隧道结构实测附加应力可推测，隧道水平方向的附加应力不仅来自地面局部加载，还来自水平变形时周围地层对隧道结构的反作用力，而结合图3-34可知，此时软土层隧道的水平向收敛变形大致为砂土层隧道的2.4倍，因此前者的隧道水平附加应力更大。
加载偏心距的增加会导致隧道表面的土压力逐渐减小以及土压力分布情况的改变。为了定量描述土压力向斜截面集中的情况，定义了斜截面土压力集中系数F：
式中：S0、S45、S90、S135、S225、S270、S315分别表示0°、45°、90°、135°、225°、270°和315°截面的附加土压力。
表3-11所示为加载过程中不同加载偏心距和土层条件下F 的变化情况，e相同时，p=14kPa和p=28kPa的F 比较接近，说明局部加载大小主要影响土压力的大小，而基本不影响土压力分布情况。p=28kPa时，随着e从0mm增加到1 000mm，砂土层隧道的F 从1.05增加到2.91，软土层隧道的F 从1.55增加到3.06，说明加载偏心距的增加会导致土压力向荷载对侧的隧道斜截面集中。对比不同土层类型可发现，当e=0mm和200mm时，软土层隧道的F 普遍大于砂土层隧道，而e=1 000mm时两者的F 较为接近，说明小偏心加载条件下土层性质对隧道土压力分布状况的影响同样不可忽略。
表3-11 隧道斜截面土压力集中系数
