盾构隧道开挖面稳定性试验与颗粒流数值模拟研究

发布时间：2017-10-13 01:39

  本文关键词：盾构隧道开挖面稳定性试验与颗粒流数值模拟研究

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【摘要】：地铁盾构施工因具有自动化程度高、掘进速度快及对地面建筑物影响小等优点,而被广泛应用于城市地铁建设中。如果盾构掘进过程中对开挖面支护力控制不当,继而会引发地表建筑物不均匀沉降、市政管线损坏等不良后果。本文基于室内模型试验、数值模拟及理论计算相结合的方法,对砂土地层盾构隧道开挖面失稳破坏模式、开挖而支护力与位移关系、土拱效应等进行了研究。论文主要研究内容及成果如下：(1)通过砂土地层盾构隧道开挖面稳定性室内模型试验,采用数字图像分析技术分别研究了不同埋深比和砂土密度条件下,开挖面前方土体的位移变形发展过程、开挖面失稳破坏模式以及开挖面位移与支护力的关系。(2)利用PFC2D颗粒流模拟了砂土室内三轴试验,将数值模拟得到的砂土应力-应变曲线与室内试验获取的相关曲线进行了比较,通过调整细观参数对砂土的宏观参数和细观参数进行标定。基于宏细观参数标定的结果,验证了颗粒流模拟砂土颗粒宏观力学响应的可靠性与合理性。(3)利用PFC2D建立砂土地层盾构隧道开挖面稳定性数值模型,模拟了开挖面失稳破坏的发展过程,分析了开挖面失稳破坏过程中前方土体颗粒间接触力、区域土体孔隙率以及土体应力等细观参数的变化情况,从细观角度揭示了开挖面失稳破坏过程中土拱效应的作用机理,并且验证了开挖面位移与开挖面支护力之间的关系。(4)推导了开挖面极限支护力的简化计算公式,并将室内试验、数值模拟及公式计算的结果进行对比验证。
【关键词】：盾构隧道开挖面稳定性 失稳破坏模式 开挖面极限支护力 土拱效应 颗粒流
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.43
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 研究背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 理论研究现状10-14
• 1.2.2 模型试验研究现状14-16
• 1.2.3 数值模拟研究现状16-17
• 1.3 存在的问题17-18
• 1.4 主要研究内容18-19
• 1.5 技术路线图19-20
• 第二章 盾构隧道开挖面稳定性模型试验方案20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 试验目的20-21
• 2.3 试验装置设计21-22
• 2.3.1 模型尺寸确定21
• 2.3.2 模型结构设计及试验原理21-22
• 2.3.3 模型测量系统22
• 2.4 土压力盒标定22-23
• 2.5 试验用砂制备23-28
• 2.5.1 颗粒粒径分析试验24-25
• 2.5.2 砂土直剪试验25-28
• 2.6 模型箱试验设计28-29
• 2.6.1 砂土填筑方案28
• 2.6.2 模型试验内容28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 第三章 干砂地层盾构隧道开挖面稳定性模型试验30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 模型试验结果分析30-43
• 3.2.1 支护力不足30-39
• 3.2.1.1 开挖面前方土体位移变形发展过程30-35
• 3.2.1.2 开挖而位移和开挖面处支护力之间的关系35-37
• 3.2.1.3 开挖面前方土体失稳破坏模式37-39
• 3.2.2 支护力过大39-43
• 3.2.2.1 开挖面前方土体破坏区域分析40-42
• 3.2.2.2 开挖面支护力变化规律42-43
• 3.3 本章小结43-45
• 第四章 颗粒流理论简介及宏细观参数标定45-62
• 4.1 引言45
• 4.2 PFC颗粒流介绍45-51
• 4.2.1 颗粒流模型的基本假定46-47
• 4.2.2 颗粒流的基本求解步骤47
• 4.2.3 颗粒流的计算周期47-48
• 4.2.4 接触本构模型48
• 4.2.5 基本理论简介48-51
• 4.3 砂土颗粒二维与三维孔隙率的转换方法51-53
• 4.4 PFC2D颗粒流细观参数与材料宏观力学参数的标定53-61
• 4.4.1 宏细观参数标定原则53-54
• 4.4.2 砂土双轴试验数值模拟过程54-55
• 4.4.3 砂土双轴试验的细观参数影响55-59
• 4.4.3.1 摩擦系数的影响55-57
• 4.4.3.2 孔隙率的影响57-58
• 4.4.3.3 颗粒接触刚度的影响58-59
• 4.4.4 双轴数值模拟与常规三轴试验的比较59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 盾构隧道开挖面稳定性的颗粒流模拟62-78
• 5.1 引言62
• 5.2 数值模拟过程62-64
• 5.3 土拱效应分析64-71
• 5.4 开挖面支护力71-76
• 5.4.1 数值模拟开挖面位移-支护力关系71-72
• 5.4.2 开挖面上覆土压力计算方法72-75
• 5.4.3 开挖面最小支护力简化计算75-76
• 5.5 本章小结76-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 论文主要研究成果78-79
• 6.2 不足与展望79-80
• 参考文献80-83
• 致谢83

【参考文献】

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本文编号：1022146