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基于透明土的盾构隧道模型试验初步研究

肖文辉  
【摘要】:鉴于透明土在土体内部变形测量研究中具有巨大的优越性,提出了将透明土作为模型土材料,通过设计模型盾构机、构建模型试验槽并建立图像采集系统进行盾构模型试验。结合图像处理软件PIVview2C对采集的图片资料进行信息提取,就盾构开挖引起的周围土体内部变形规律进行了初步探讨,主要研究内容和结论如下: (1)用浓度为59.8%的溴化钙溶液,使熔融石英砂饱和,成功合成了透明土,对透明土进行常规土工试验获取了透明土的基本物理力学参数。试验结果表明:透明土具有与自然土相似的基本物理力学特性。 (2)自行设计盾构模型试验系统。模型盾构机的直径为7 cm,刀盘可拆卸,通过手动旋转螺帽来控制盾构前进和后退,可以模拟盾构掘进和开挖面支护压力偏小等工程问题。采用面状激光照亮土体内部切面,利用数码摄像连续获取土体内部变形的有关图像,结合PIV技术分析盾构施工引起土体变形的细观机理,为改进盾构施工模型试验研究提供了一种新思路。 (3)通过模型试验,对盾构周围土体的变形规律进行定性分析,结论如下: ①横断面规律:随着距盾构中心水平距离的增加,土体侧向位移先增大达到一峰值后又逐渐衰减为零,峰值点随着土层深度的增加逐渐向盾构中心线靠拢。 随着土层深度的增加,盾构中心线上土体竖向位移逐渐增大,在接近拱顶处达到最大,尔后逐渐减小直至为零。在埋深为1D的情况下,焦点接近于隧道的底端;而在埋深为1.7 D时,焦点有上升的趋势。由此说明焦点所处的位置与盾构的埋深有关,随着埋深的增大而向盾构中心点靠近。 ②纵断面规律:土体纵向位移影响范围随着土层深度的增加而逐渐减小,地表处的纵向位移影响范围最大。地表至隧道拱顶高度范围内,随着距盾构开挖面水平距离的增大,土体纵向位移先增大后逐渐减小直至为零。 盾构开挖面的破坏形态呈现为上部区域较大下部较缓的盆状,由此也表明透明土土体颗粒间存在着一定的粘聚力。 ③试验结果表明:本文设计的盾构试验系统用于研究盾构施工引起的土体内部变形机理是可靠的。


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