Тривимірний аналіз дискретних елементів на нестабільність грані тунелю в бруківці з використанням еліпсоїдних частинок

Чао Лю

1 Школа будівництва, Університет Гуанчжоу, Гуанчжоу 510006, Китай; nc.ude.uhzg@uiloahc (C.L.); moc.361@03826812731 (L.P.); moc.liamtoh@9002iucj (J.C.); nc.ude.uhzg@uilh (H.L.)

Люфенг Пан

Фей Ван

2 Шанхайський інститут запобігання та ліквідації наслідків катастроф, Університет Тунцзи, Шанхай 200092, Китай

Зісінь Чжан

3 Департамент геотехнічного машинобудування, Будівельний коледж, Університет Тунцзи, Шанхай 200092, Китай; nc.ude.ijgnot@gnahzxz

Jie Cui

Хай Лю

Чжен Дуань

4 SimuTech Lab, Боулдер, CO 80309, США; moc.liamg@balhcetumis

Сяньгін Цзі

5 Google Information Technology (Shanghai) Co., Ltd., Шанхай 200120, Китай; moc.liamg@gniygnaixij

Анотація

Порушення ґрунту завжди було головним фактором, що турбує щитову діяльність. У цій роботі представлено дослідження мікровідповідної реакції ґрунтів під час розкопок щитових тунелів у піщано-бруківковій товщі. Код paraEllip3d застосовується для аналізу методом дискретних елементів (DEM), при якому ґрунти імітуються як сукупність еліпсоїдів. Тріаксіальні випробування на мікромасштабних реакціях бруківки проводяться з використанням матеріалів, відібраних з торця тунелю протягом періоду будівництва, і проводяться відповідні симуляції DEM для калібрування мікропараметрів еліпсоїдів. На цій основі вивчається процес нестійкості грані під час прокладання щита в бруківці за допомогою модельного тесту 1 г, а також відповідного моделювання DEM. Мікромасштабні реакції бруківки досліджуються за допомогою тривісного тесту, а також відповідних моделей DEM. У моделюванні DEM обговорюються різні реакції матеріалу, включаючи взаємозв'язок напружень і деформацій, розподіл контактів та еволюцію силового ланцюга в елементарному та модельному тесті. Врешті-решт, на основі вищезазначених досліджень обговорюється механізм нестійкості грані тунелю в бруківці.

1. Вступ

Щитний тунель широко застосовується для підземного будівництва завдяки своєму м'якому впливу на навколишнє середовище та високій ефективності виїмок. Вигравши від урбанізації та пов'язаного з нею розвитку в Китаї, протягом останніх десятиліть з'являється все більша кількість щитових тунелів із великим діаметром. Згідно з попередніми дослідженнями [1,2], збільшення діаметра тунельного щита призводить до збільшення обсягу виїмки, отже, зменшення стійкості торця тунелю. Для тунелювання щитів у глині та піску було проведено численні дослідження з точки зору реакцій макромасштабу [2,3,4] та мікромасштабу [5,6,7] навколишніх грунтів. Однак дослідження реакцій ґрунтового матеріалу в мікромасштабі під час прокладання тунелів у бруківці є дефіцитними. На відміну від дрібнозернистого грунту, грубозернистий ґрунт при проходці тунелів характеризується своїм відстаючим ефектом в умовах нестабільності обличчя, спричиненого тунельною активністю. Більше розуміння цього відсталого колапсу, який часто зустрічається в бруківці, слід отримати з точки зору мікромасштабів.

Запропоновано кілька підходів у макромасштабі для вивчення механізму нестабільності забою під час розкопок тунелю. Для аналітичних підходів були розроблені різні моделі для визначення критичного опорного тиску на торці тунелю в рамках граничної рівноваги [8,9,10,11] та граничного аналізу [12,13,14,15,16,17,18 ], відповідно. Для чисельного моделювання на основі континуальної гіпотези матеріалів були проведені різні дослідження з використанням методу скінченних елементів (МКЕ) [2,19,20] та методу скінченних різниць (ФДМ) [1,21].

У цій роботі представлена серія чисельних досліджень нестабільності торцевої частини тунелю в брукованих матеріалах. Код DEM ParaEllip3d [30,31] був використаний для проведення чисельного моделювання з бруківкою, імітованою еліпсоїдами. Мікропараметри, використані в моделі DEM, були відкалібровані шляхом порівняння з тривісними випробуваннями бруківки, відібраної з камери виїмки щитової машини, що використовується в тунелі підземної перехресної міської залізниці (BJUCR). Потім була побудована модель DEM для імітації процесу тунелювання бруківки, а результати порівняли з тестом моделі 1 г, проведеним в Університеті Тонджі [32]. Нарешті, обговорювали механізм нестабільності торцевої частини тунелю в бруківці.

2. Аналіз дискретних елементів за допомогою еліпсоїдів

Керуючі рівняння еліпсоїдів, що використовуються в тривимірному моделюванні DEM, ідентичні сферам. Для i-ї частинки керуючими рівняннями є: