針對(duì)端頭土體富水砂性地層,運(yùn)用流固耦合、彈塑性力學(xué)等理論知識(shí)求解N-S方程,并采用PFC-CFD耦合的顆粒流細(xì)觀模型及室內(nèi)相似模型,對(duì)盾構(gòu)隧道端頭土體砂性地層的滲透破壞過(guò)程及滲透破壞對(duì)端頭土體穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。(1)針對(duì)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程的基礎(chǔ)上建立流固耦合數(shù)學(xué)模型。通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)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(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)中流固耦合的細(xì)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(jìn)行二次開發(fā),建立python程序語(yǔ)句連接CFD和PFC3D,解決了流固耦合的問(wèn)題。將數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果與滲流公式、理論進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了運(yùn)用顆粒流模型模擬滲透試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。建立了顆粒流三軸剪切數(shù)值模型,分析顆粒細(xì)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(guò)程以及滲透破壞對(duì)端頭土體穩(wěn)定性的影響。滲透破壞過(guò)程中流體壓力場(chǎng),速度場(chǎng),土體應(yīng)力場(chǎng)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(yùn)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(shí),土體顆粒間的接觸力鏈變的稀松,土體抗剪強(qiáng)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(wú)滲透時(shí)靠后擴(kuò)展。端頭土體遭受滲透破壞時(shí)會(huì)改變土體應(yīng)力場(chǎng)的重分布,端頭土體受到橫向滲透破壞時(shí)土體豎向應(yīng)力場(chǎng)整體減小,受到豎向滲透破壞時(shí)土體豎向應(yīng)力場(chǎng)整體增大,滲透破壞時(shí)應(yīng)力場(chǎng)重分布范圍較無(wú)滲透時(shí)變大,對(duì)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(wú)滲透時(shí)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(wú)滲透破壞豎向滲透橫向滲透。主應(yīng)力達(dá)到最值,出現(xiàn)塌落拱的位置點(diǎn)三者按距洞口的距離依次為:豎向滲透(0.1m處)無(wú)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(shí)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(qiáng)。沉降變形量、地表最大沉降量以及土體發(fā)生擾動(dòng)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(wú)滲透的影響力大小按各結(jié)果值來(lái)看,其影響力分別為,沉降變形量:豎向滲透橫向滲透無(wú)水、埋深滲透;地表最大沉降:豎向滲透無(wú)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(wú)水、滲透埋深。(6)借助大型三維散斑測(cè)量系統(tǒng)獲取室內(nèi)端頭土體相似模型滲透試驗(yàn)破壞的全過(guò)程,并與端頭土體無(wú)滲透的情況做對(duì)比,端頭土體存在滲透破壞時(shí)土體的破壞范圍及失穩(wěn)區(qū)域要明顯大于無(wú)水滲透下,土體失穩(wěn)滑移面也要比無(wú)水滲透時(shí)要靠后很多。分別對(duì)室內(nèi)相似模型試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)的滑動(dòng)破壞面進(jìn)行坐標(biāo)提取并進(jìn)行曲線公式擬合,從滑動(dòng)破壞面整體來(lái)說(shuō),室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)有、無(wú)水滲透下的端頭土體的滑動(dòng)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(jí)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(yán)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(guó)央視頻道也曾多次報(bào)道隧道涌水、涌砂事件。因此提前對(duì)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(qiáng)度達(dá)不到工程期望值依然會(huì)存在破壞失穩(wěn)，地表下沉，滲透破壞，??涌水流砂等風(fēng)險(xiǎn)。倘若加固強(qiáng)度、范圍過(guò)大，不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，更嚴(yán)峻的??是會(huì)加大盾構(gòu)機(jī)掘削土體的難度，進(jìn)而提高了施工風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。因此明確端頭土體??的失穩(wěn)破壞機(jī)理，滲透破壞機(jī)理，合理的對(duì)端頭土體進(jìn)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(qiáng)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(jìn)出洞時(shí)鑿除連續(xù)墻，導(dǎo)致土體應(yīng)力場(chǎng)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(shí)會(huì)影響作用于土體應(yīng)力場(chǎng)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(huì)（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(lái)計(jì)算縱向加固厚度見圖１．３，將端頭土體部分受到的壓力簡(jiǎn)??化成均勻分布的荷載，由加固尺寸中心處的拉應(yīng)力達(dá)到時(shí)最大得到強(qiáng)度驗(yàn)算公式：???（，，）??ｍａｘ?８?Ｍ?ｋ??其抗剪強(qiáng)度的驗(yàn)算公式為：??ｒｍａｘ?＝?—?＜＾??（１．２）??ｍａｘ?４ｔ?ｋ??日本的土體滑動(dòng)破壞失穩(wěn)理論Ｍ認(rèn)為洞門土體部分將沿某種滑移破壞面整??體滑動(dòng)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(jì)算公式：????（，．４）??ＡｃＤ２??Ｉ?，?．?，ｆｆＴＴ??圖１．３強(qiáng)度理論計(jì)算簡(jiǎn)圖?圖�。答ね粱瑒�(dòng)破壞面?圖１．５砂土滑動(dòng)破壞面??土體的極限擾動(dòng)平衡理論［１６］借助土塑性力學(xué)理論來(lái)計(jì)算端頭土體的加固寬??度。此外，由于砂土無(wú)粘聚力，其物理力學(xué)性質(zhì)與黏土有一定的差異，通過(guò)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(jìn)滑移破壞失穩(wěn)理論，采用正交??試驗(yàn)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(duì)既有加固模型的不足，考慮尺寸效應(yīng)對(duì)端頭加固的影響提出了改進(jìn)的梯形荷??載等效模型（如圖１．７），并在既有模型和改進(jìn)模型的基礎(chǔ)上，在滿足物理強(qiáng)度的??基礎(chǔ)上得到了土體縱向加固尺寸的計(jì)算方程：??，碰：腿優(yōu)，異，?（丨８）??目前一般假定粘土的滑動(dòng)面為開挖面上部垂直、下部為曲線，而砂性土的滑??動(dòng)面為開挖面上部垂直，下部為斜直線�；诖�，宋克志，王夢(mèng)恕，孫謀等［２２－２４］??針對(duì)淺埋盾構(gòu)隧道，提出了一種新的端頭土體滑動(dòng)失穩(wěn)破壞模式－對(duì)數(shù)螺旋曲線，??運(yùn)用顆粒流離散單元法ＰＦＣ數(shù)值模型試驗(yàn)得到的破壞滑動(dòng)模式與它非常接近，并??在此基礎(chǔ)上運(yùn)用極限平衡法對(duì)端頭土體進(jìn)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(dòng)模式－對(duì)數(shù)和螺旋曲線組合土體滑動(dòng)模式如下圖??１．７所示：??二?ｒｎｉＴｉ?ＴＴＴｒｙ’??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2838592