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渗流作用下盾构隧道端头土体的稳定性研究

姜伟  
【摘要】:针对砂土和粘土两种典型地层,通过室内三轴试验分析了砂土和粘土的物理力学性质,利用PFC数值模拟试验和室内模型试验相结合,对渗流作用下盾构隧道端头土体的稳定性展开了研究。(1)基于渗流的连续方程,根据土体的各向同性和各向异性分析了二维和三维情况下渗流的微分方程,并根据实际工程给出了渗流情况下微分方程的三类边界条件。在达西定律的基础上运用python语言对CFD模块进行程序编辑,实现PFC-CFD流固耦合。(2)通过室内三轴试验,分别得出了砂土和粘土的物理力学性质,并利用PFC~(3D)建立三轴数值模型,改变墙体为柔性墙体,通过调整数值参数,完成颗粒参数标定。使数值三轴模拟试验更加贴合室内试验土体的力学性质,从而能够较好模拟实际土体。(3)利用PFC数值模型对渗流作用下端头土体稳定性进行了分析,在隧道直径、地下水位高度、地下水压力三种影响因素中,砂土与粘土地层中土体的破坏范围随着隧道直径、地下水位高度以及地下水压力的增大而增大,且由于粘土自身粘聚力的影响,砂土地层的破坏范围要大于粘土地层,且砂土地层和粘土地层端头土体的失稳破坏范围主要发生在距离洞门0.15米以内;同时在各工况下土体的沉降位移也与端头土体的破坏面变化具有相同规律,在相同工况下砂土地层的沉降量要大于粘土地层的沉降量,砂土地层沉降量平均大于粘土地层约为0.007米;在土体开挖面水压力的研究中,当隧道直径较小时,地下水无法及时排出,因而地下水会在洞门处产生集聚,形成较大的水压力,而随着隧道直径的增大,水压力会逐渐减小,在地下水位高度和地下水压力两种影响因素中,开挖面水压力都会随地下水位高度和地下水压力的升高而升高,且在相同影响因素条件下,砂土地层开挖面处的水压力要大于粘土地层开挖面处的水压力,砂土地层水压力平均大于粘土地层水压力约为180Pa;通过流失量的变化得出了砂土地层临界水力梯度为15kPa,粘土地层的临界水力梯度为20kPa,这也说明在相同的施工情况下,粘土地层要比砂土地层偏于安全。(4)利用三维数字散斑图像采集系统记录了室内试验端头土体的破坏过程,通过采集图像可以得出在砂土和粘土地层随着地下水压力的增大端头土体破坏范围逐渐向洞门后方发展,且砂土地层破坏范围要大于粘土地层;利用静态应变测试系统监测洞门处水压力变化,可以得出开挖面水压力的变化与端头土体破坏面具有相同规律,且砂土地层水压力压力平均大于粘土地层的水压力约为727Pa。(5)通过对比数值模拟试验与室内试验可以得出,在室内试验中端头土体的破坏面形式都与数值模拟具有相似性,且数值模拟试验与室内试验二者的破坏面拟合方程相似度较高,砂土地层呈现直线型破坏形式,粘土地层呈现圆曲线破坏形式;在砂土与粘土地层端头土体开挖面处水压力的变化规律也与数值中变化曲线相近。


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