針對端頭土體富水砂性地層,運用流固耦合、彈塑性力學(xué)等理論知識求解N-S方程,并采用PFC-CFD耦合的顆粒流細觀模型及室內(nèi)相似模型,對盾構(gòu)隧道端頭土體砂性地層的滲透破壞過程及滲透破壞對端頭土體穩(wěn)定性的影響進行研究。(1)針對砂性土層特殊的工程力學(xué)特性,將離散性較大的土假設(shè)成多孔連續(xù)介質(zhì),在考慮土體滲透率動態(tài)變化過程的基礎(chǔ)上建立流固耦合數(shù)學(xué)模型。通過計算流體動力學(xué),求解不可壓縮流體N-S平均方程,結(jié)合PFC3D顆粒流實現(xiàn)多孔介質(zhì)中流固耦合的細觀模擬。(2)由于CFD模塊中不包含CFD解算器,所以本文基于python文件程序?qū)ζ溥M行二次開發(fā),建立python程序語句連接CFD和PFC3D,解決了流固耦合的問題。將數(shù)值試驗的結(jié)果與滲流公式、理論進行對比分析,驗證了運用顆粒流模型模擬滲透試驗的準確性。建立了顆粒流三軸剪切數(shù)值模型,分析顆粒細觀參數(shù)與土體試樣宏觀物理參數(shù)的影響曲線。(3)建立了 PFC-CFD耦合的滲透破壞顆粒流模型,分析盾構(gòu)隧道端頭土體砂性地層的滲透破壞過程以及滲透破壞對端頭土體穩(wěn)定性的影響。滲透破壞過程中流體壓力場,速度場,土體應(yīng)力場處于不斷變化中,滲流域中平均流速、孔隙率以及滲透系數(shù)在運算一定步數(shù)后逐漸趨于穩(wěn)定,滲流也趨于穩(wěn)定。(4)端頭土體遭受滲透破壞時,土體顆粒間的接觸力鏈變的稀松,土體抗剪強度、穩(wěn)定性降低,土體滑移破壞范圍、地表沉降變大,土體失穩(wěn)速度更快,滑移破壞面較之無滲透時靠后擴展。端頭土體遭受滲透破壞時會改變土體應(yīng)力場的重分布,端頭土體受到橫向滲透破壞時土體豎向應(yīng)力場整體減小,受到豎向滲透破壞時土體豎向應(yīng)力場整體增大,滲透破壞時應(yīng)力場重分布范圍較無滲透時變大,對橫向滲透影響力更大。最小主應(yīng)力受滲透影響較小,最大主應(yīng)力受滲透影響較大。滲透作用下端頭土體的大、小主應(yīng)力基本位于無滲透時端頭土體主應(yīng)力的包絡(luò)線內(nèi)。(5)滲透作用方向?qū)Χ祟^土體整體穩(wěn)定的影響:無滲透破壞豎向滲透橫向滲透。主應(yīng)力達到最值,出現(xiàn)塌落拱的位置點三者按距洞口的距離依次為:豎向滲透(0.1m處)無滲透(0.2m處)橫向滲透(0.3m處)。流體作用方向相同,不同流體壓力下,流體壓力越大,流體壓力越大、土體主應(yīng)力越小,滲透破壞越明顯,失穩(wěn)區(qū)域越大,顆粒出現(xiàn)流失的時間越早,土體顆粒的流失速度也越快。同等流體壓力、同等流體作用方向下洞口處的最大壓力梯度受洞口的大小影響,洞口越小,壓力梯度越大,滲透性越強。沉降變形量、地表最大沉降量以及土體發(fā)生擾動區(qū)域占比隨隧道埋深比的增大而逐漸減小。流體作用方向、隧道埋深比及有、無滲透的影響力大小按各結(jié)果值來看,其影響力分別為,沉降變形量:豎向滲透橫向滲透無水、埋深滲透;地表最大沉降:豎向滲透無視橫向滲透、埋深滲透;土體失穩(wěn)區(qū)域占比:橫向滲透豎向滲透無水、滲透埋深。(6)借助大型三維散斑測量系統(tǒng)獲取室內(nèi)端頭土體相似模型滲透試驗破壞的全過程,并與端頭土體無滲透的情況做對比,端頭土體存在滲透破壞時土體的破壞范圍及失穩(wěn)區(qū)域要明顯大于無水滲透下,土體失穩(wěn)滑移面也要比無水滲透時要靠后很多。分別對室內(nèi)相似模型試驗與數(shù)值試驗的滑動破壞面進行坐標提取并進行曲線公式擬合,從滑動破壞面整體來說,室內(nèi)試驗與數(shù)值試驗有、無水滲透下的端頭土體的滑動破壞面的曲線相似度還是比較接近的。
【學(xué)位單位】：魯東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U452.12
【部分圖文】：

起開挖面失去穩(wěn)定性、地面沉降嚴重甚至出現(xiàn)塌陷事故［１２］。以此為例，像北京、??上海、深圳等城市地鐵施工中出現(xiàn)的安全事故絕大多數(shù)和地下水的滲透破壞有關(guān)。??如圖１．２所示，我國央視頻道也曾多次報道隧道涌水、涌砂事件。因此提前對端??頭土體采取加固、防滲透措施保證工程施工的安全性成為了關(guān)鍵。但是加固不合??理，范圍、強度達不到工程期望值依然會存在破壞失穩(wěn)，地表下沉，滲透破壞，??涌水流砂等風(fēng)險。倘若加固強度、范圍過大，不僅會造成資源的浪費，更嚴峻的??是會加大盾構(gòu)機掘削土體的難度，進而提高了施工風(fēng)險系數(shù)。因此明確端頭土體??的失穩(wěn)破壞機理，滲透破壞機理，合理的對端頭土體進行加固處理顯的尤為迫切??［７：＂］〇??纖＿??圖１．２隧道地下涌水事件??由于盾構(gòu)多在軟弱松散土層中施工，低強度，高滲透，弱膠結(jié)，低抗剪是這??一土質(zhì)的工程特性。盾構(gòu)進出洞時鑿除連續(xù)墻，導(dǎo)致土體應(yīng)力場發(fā)生變化，隨著??土體涌出洞門，固相骨架被壓縮甚至破壞，土體的孔隙度和滲透率隨之相應(yīng)的發(fā)??生改變。反之當(dāng)土體的滲透性發(fā)生改變時會影響作用于土體應(yīng)力場上的滲透力、??孔隙水壓力等因素

端頭土體穩(wěn)定性分析及土體加固主要依據(jù)的是：??日本ＪＥＴ?ＧＲＯＵＴ協(xié)會（ＪＪＧＡ）規(guī)范中［１４販塊模型理論：核心思想是將端頭土體??視為整體彈性薄圓板來計算縱向加固厚度見圖１．３，將端頭土體部分受到的壓力簡??化成均勻分布的荷載，由加固尺寸中心處的拉應(yīng)力達到時最大得到強度驗算公式：???（，，）??ｍａｘ?８?Ｍ?ｋ??其抗剪強度的驗算公式為：??ｒｍａｘ?＝?—?＜＾??（１．２）??ｍａｘ?４ｔ?ｋ??日本的土體滑動破壞失穩(wěn)理論Ｍ認為洞門土體部分將沿某種滑移破壞面整??體滑動失穩(wěn)，但其滑移失穩(wěn)理論只適用于黏土如圖１．４所示，黏土滑移失穩(wěn)模型??假設(shè)０為加固土體與滑移面的夾角計算公式：????（，．４）??ＡｃＤ２??Ｉ?，?．?，ｆｆＴＴ??圖１．３強度理論計算簡圖?圖�。答ね粱瑒悠茐拿�?圖１．５砂土滑動破壞面??土體的極限擾動平衡理論［１６］借助土塑性力學(xué)理論來計算端頭土體的加固寬??度。此外，由于砂土無粘聚力，其物理力學(xué)性質(zhì)與黏土有一定的差異，通過室內(nèi)??室外砂土土坡的研究結(jié)果表明

失穩(wěn)的主導(dǎo)因素是粘聚力Ｃ。吳飛等［２１］分析并改進滑移破壞失穩(wěn)理論，采用正交??試驗法分析了端頭土體加固效果的主次關(guān)系。江華，江玉生［１９－２（）］在前人的基礎(chǔ)上，??針對既有加固模型的不足，考慮尺寸效應(yīng)對端頭加固的影響提出了改進的梯形荷??載等效模型（如圖１．７），并在既有模型和改進模型的基礎(chǔ)上，在滿足物理強度的??基礎(chǔ)上得到了土體縱向加固尺寸的計算方程：??，碰：腿優(yōu)，異，?（丨８）??目前一般假定粘土的滑動面為開挖面上部垂直、下部為曲線，而砂性土的滑??動面為開挖面上部垂直，下部為斜直線。基于此，宋克志，王夢恕，孫謀等［２２－２４］??針對淺埋盾構(gòu)隧道，提出了一種新的端頭土體滑動失穩(wěn)破壞模式－對數(shù)螺旋曲線，??運用顆粒流離散單元法ＰＦＣ數(shù)值模型試驗得到的破壞滑動模式與它非常接近，并??在此基礎(chǔ)上運用極限平衡法對端頭土體進行了穩(wěn)定性分析，應(yīng)用到南京地鐵工程??中結(jié)果令人滿意。新的土體滑動模式－對數(shù)和螺旋曲線組合土體滑動模式如下圖??１．７所示：??二?ｒｎｉＴｉ?ＴＴＴｒｙ’??
【參考文獻】

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本文編號：2838592