渗流侵蚀下粉土承压含水层中盾构隧道结构性态演化研究

作     者：王佳琳 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑刚;邓旭

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：渗流侵蚀 粉土 渗透性质 盾构隧道 变形及内力响应 

摘      要：位于富水粉土承压含水层中的盾构隧道发生渗漏时,土颗粒会在渗流力作用下液化悬浮并随着地下水涌入隧道,致使隧道外土层在高速水流侵蚀作用下快速流失,引起隧道受力模式改变,进而造成衬砌结构的破坏(损)甚至垮塌。特别地,一些已有相关试验现象表明,当隧道底部出现渗漏时,隧道下方土体可产生侵蚀空腔,从受力角度分析,对隧道结构最为不利。为了研究侵蚀空腔发展对粉土地层中隧道结构变形和内力响应的影响,本文开展了一系列室内土工试验以及数值模拟研究,具体包括:首先,对天津粉土基本构成及渗透特性开展了试验研究。采用XRD测试和电镜分析,分析了天津粉土化学组成及微观的土颗粒外形几何特征。而后,分别开展变水头试验及常水头试验,对天津粉土的渗透特性开展研究。结合试验结果,利用有效孔隙比的概念对经典的太沙基渗流理论公式进行了修正,提出了适用于天津粉土的渗透系数估算公式。最后,在明确土体渗透特性的基础上,选取侵蚀空腔沿纵向发展和横向发展两种典型的工况,采用大型通用有限元分析程序ABAQUS建立了精细化盾构隧道结构模型,考虑土体渗流场、应力场与隧道结构的耦合相互作用,开展了渗流-应力耦合的三维有限元数值模拟,分析了侵蚀空腔引起的隧道沉降、错台、张开,以及管片混凝土塑性应变等,揭示了不同侵蚀空腔发展方向引起的隧道结构变形模式的差异,并结合侵蚀空腔引起的隧道周围土压力分布解释了产生该差异的原因。数值结果表明:当侵蚀空腔的横向尺寸不变,仅沿纵向发展时,引起的隧道沉降量、错台量、张开量沿纵向分布均为渐变型,隧道结构表现出较好的变形协调性;相较之下,当侵蚀空腔沿着粘砂土层分界面向横向发展时,隧道变形在空腔纵向边缘处产生突变,相比于空腔沿纵向发展的工况,隧道环间会出现较大错台。