非饱和砂土隧道土拱效应模型试验及颗粒流数值模拟研究

作     者：崔蓬勃 朱永全 刘勇 朱正国 潘英东 CUI Peng-bo;ZHU Yong-quan;LIU Yong;ZHU Zheng-guo;PAN Ying-dong

作者机构：石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 江苏建筑职业技术学院交通工程学院江苏徐州221116 石家庄铁道大学交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 

出 版 物：《岩土力学》 (Rock and Soil Mechanics)

年 卷 期：2021年第42卷第12期

页      面：3451-3466页

核心收录：

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0815[工学-水利工程] 0901[农学-作物学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

基　　金：国家自然科学基金(No.51778380) 江苏省建设系统科技项目(No.2020ZD28) 高速铁路轨道技术国家重点实验室开放基金项目(No.2019YJ196) 

主　　题：土拱效应 非饱和砂土 破坏模式 土压力 颗粒流 

摘      要：非饱和砂土基质吸力引起的表观黏聚力使其力学性质与干砂差异较大,为研究非饱和砂土隧道土拱效应,进行了不同含水率及埋深条件的Trapdoor试验,通过分析挡板下落过程中砂土破坏模式及土压力变化规律,揭示了不同工况土拱演化的时变特征,阐述了含水率及埋深对土拱效应的影响,同时基于大主应力迹线圆弧拱理论对挡板上方土压力分布模式进行了理论分析,并考虑粒间吸力作用基于PFC线性滚动阻力黏结模型,进行了离散元数值模拟,从细观角度对不同工况土拱效应进行了分析。结果表明:干砂工况破坏模式由三角形迅速发展为梯形,非饱和工况破坏模式为三角形且夹角与含水率相关;土压力呈三阶段变化,干砂时土压力降到极值后出现回升;非饱和工况土压力极值较干砂大幅减少,含水率较大时土压力受埋深影响较小,且松动区边缘出现裂缝,局部坍塌后形成自然拱;数值模拟表明,随挡板下落,主应力方向发生明显偏转,接触力链为由松动区向稳定区呈由弱到强结构,对模型试验及数值模拟土压力进行归一化处理,土压力分布与理论分析一致。干砂工况孔隙率与土压力规律一致,在含水工况出现裂缝处孔隙率快速增大,同时接触组构随含水率变化明显。