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隧道管片破损漏砂诱发的地层塌陷研究

隧道管片破损漏砂诱发的地层塌陷研究

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作者：曲通大连交通大学

学位级别：硕士

随着我国城区人口的不断增加,加强交通基础设施建设的要求、城市空间紧缺和布局缺陷的矛盾等原因使地下空间的开发利用成为缓解城市交通压力的有效手段,地铁隧道建设已进入前所未有的高速发展时期,管片破损漏砂诱发的地层塌陷事故已严... 详细信息

随着我国城区人口的不断增加,加强交通基础设施建设的要求、城市空间紧缺和布局缺陷的矛盾等原因使地下空间的开发利用成为缓解城市交通压力的有效手段,地铁隧道建设已进入前所未有的高速发展时期,管片破损漏砂诱发的地层塌陷事故已严重威胁到隧道的正常运营。本文使用室内设计试验与数值模拟相结合的方法,研究不同工况下(漏损口长宽比、土层性质、土体厚度、卵石地层)地层塌陷过程中漏砂与土体变形的相互作用,得出主要结论如下:(1)由室内漏砂试验发现不同土层条件下均存在土体的临界状态;确定不同地质分层条件下矩形漏损口的临界长宽比值,该值与土体颗粒大小、土层厚度值等因素有关,当长宽比小于1.6时,土层厚度值的增加不再对该值产生影响。(2)矩形漏损口诱发的塌陷影响范围在平面上呈椭圆形,在剖面上呈漏斗形,引入离心率描述塌陷影响范围的扁平程度,该值与矩形漏损口长宽比值与土层厚度有关,长宽比大于3时,离心率与长宽比值成反比,与土层厚度呈正比;长宽比值小于等于3时,该值无限趋近于1,塌陷影响范围近似于正圆形且不再受土体厚度影响。(3)PFC3D(2D)软件模拟计算结果与漏砂试验得到结果相近,矩形漏损口长宽比值与上覆土层厚度值是影响地层塌陷过程的两个重要因素,任一因素值的增加,均在一定范围内更容易形成拱效应从而阻止漏砂事故的继续发生。(4)基于双拱效应将土体破坏分为两个阶段,第一个阶段为拱形破坏阶段,土体形成塌落拱,破坏过程对应塌落拱的形成与破坏。第二个阶段为整体破坏阶段,破坏过程对应应力拱的形成与破坏。塌落拱与应力拱组合形成双拱效应对土体破坏过程起到控制发展作用。(5)监测室内漏砂试验与数值模拟中发现的不同颗粒成拱形式下漏损口上方孔隙度与底板荷载值,发现粗颗粒混合成拱孔隙度大于细颗粒成拱孔隙度,且孔隙度与底板荷载波动更为剧烈,这种波动验证了拱形破坏的过程是塌落拱不断破坏又生成的过程。

关键词：管片破损漏砂试验数值模拟接触力拱双拱效应

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