Chao Liu

1 Școală de inginerie civilă, Universitatea Guangzhou, Guangzhou 510006, China; nc.ude.uhzg@uiloahc (C.L.); moc.361@03826812731 (L.P.); moc.liamtoh@9002iucj (J.C.); nc.ude.uhzg@uilh (H.L.)

discrete

Liufeng Pan

1 Școală de inginerie civilă, Universitatea Guangzhou, Guangzhou 510006, China; nc.ude.uhzg@uiloahc (C.L.); moc.361@03826812731 (L.P.); moc.liamtoh@9002iucj (J.C.); nc.ude.uhzg@uilh (H.L.)

Fei Wang

2 Institutul de prevenire și ajutorare a dezastrelor din Shanghai, Universitatea Tongji, Shanghai 200092, China

Zixin Zhang

3 Departamentul de Inginerie Geotehnică, Colegiul de Inginerie Civilă, Universitatea Tongji, Shanghai 200092, China; nc.ude.ijgnot@gnahzxz

Jie Cui

1 Școală de inginerie civilă, Universitatea Guangzhou, Guangzhou 510006, China; nc.ude.uhzg@uiloahc (C.L.); moc.361@03826812731 (L.P.); moc.liamtoh@9002iucj (J.C.); nc.ude.uhzg@uilh (H.L.)

Hai Liu

1 Școală de inginerie civilă, Universitatea Guangzhou, Guangzhou 510006, China; nc.ude.uhzg@uiloahc (C.L.); moc.361@03826812731 (L.P.); moc.liamtoh@9002iucj (J.C.); nc.ude.uhzg@uilh (H.L.)

Zheng Duan

4 SimuTech Lab, Boulder, CO 80309, SUA; moc.liamg@balhcetumis

Xiangying Ji

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

Abstract

Perturbarea solului a fost întotdeauna preocuparea majoră în activitatea de tunelare a scutului. Această lucrare prezintă investigația cu privire la răspunsurile la scară mică ale solurilor în timpul excavării tunelului scutului în stratul de pietriș nisipos. Codul paraEllip3d este utilizat în analiza metodei elementelor discrete (DEM) în care solurile sunt imitate ca un ansamblu de elipsoizi. Testele triaxiale ale răspunsurilor la scară mică ale pietrișurilor sunt efectuate folosind materialele prelevate de pe fața tunelului în timpul perioadei de construcție, iar simulările DEM corespunzătoare sunt efectuate pentru a calibra parametrii micro pentru elipsoizi. Pe această bază, procesul de instabilitate a feței în timpul tunelării scutului în pietriș este studiat folosind testul modelului de 1 g, precum și simularea DEM corespunzătoare. Răspunsurile la scară mică ale pietricelelor sunt investigate prin test triaxial, precum și prin simulări DEM corespunzătoare. Răspunsurile materiale multiple sunt discutate în simulările DEM, incluzând relația stres - deformare, distribuția de contact și evoluția lanțului de forță în testul elementar și model. În cele din urmă, mecanismul instabilității feței tunelului în pietriș este discutat pe baza investigațiilor menționate anterior.

1. Introducere

Tunelul de scuturi este adoptat pe scară largă pentru construcțiile subterane datorită impactului său blând asupra mediului înconjurător și al eficienței ridicate a excavării. Beneficiind de urbanizare și de dezvoltarea sa asociată în China, un număr în creștere de tuneluri de scuturi cu diametre mari apar în ultimele decenii. Conform cercetărilor anterioare [1,2], creșterea diametrului tunelului de scut are ca rezultat creșterea volumului excavat, deci scăderea stabilității feței tunelului. Pentru tunelarea scuturilor în lut și nisip, au fost efectuate studii multiple din perspectiva răspunsurilor macro-scară [2,3,4] și micro-scară [5,6,7] ale solurilor înconjurătoare. Cu toate acestea, cercetările privind răspunsurile materialelor solului în micro-scară în timpul tunelării în pietriș sunt rare. Diferit de solul cu granulație fină, solul cu granulație grosieră în tunelare se caracterizează prin efectul său întârziat în instabilitatea feței indusă de activitatea de tunelare. Mai multe informații despre acest colaps întârziat întâlnit frecvent în pietrișuri trebuie obținute dintr-o perspectivă la scară mică.

S-au propus abordări multiple la scară macro pentru a explora mecanismul instabilității feței în timpul excavării tunelului. Pentru abordări analitice, au fost dezvoltate diferite modele pentru a determina presiunea critică de sprijin la fața tunelului în cadrul echilibrului limită [8,9,10,11] și analizei limită [12,13,14,15,16,17,18 ], respectiv. Pentru simulările numerice bazate pe ipoteza continuum a materialelor, s-au efectuat diverse studii folosind Metoda Elementelor Finite (FEM) [2,19,20] și Metoda Diferenței Finite (FDM) [1,21].

Această lucrare prezintă o serie de investigații numerice privind instabilitatea feței tunelului în materialele pietruite. Codul DEM ParaEllip3d [30,31] a fost folosit pentru a efectua simulări numerice cu materialele pietruite fiind imitate de elipsoizi. Parametrii micro utilizați în modelul DEM au fost calibrați prin compararea cu testele triaxiale efectuate pe pietrișele eșantionate din camera de excavare a mașinii de scut folosite în tunelul Beijing Underground Cross City Railway (BJUCR). Ulterior, a fost construit un model DEM pentru a simula procesul de tunelare în pietriș și rezultatele au fost comparate cu un test de model de 1 g efectuat la Universitatea Tongji [32]. În cele din urmă, a fost discutat mecanismul instabilității feței tunelului în pietriș.

2. Analiza elementelor discrete cu elipsoizi

Ecuațiile de guvernare ale elipsoidelor utilizate în simularea tridimensională DEM sunt identice cu sferele. Pentru particulă, ecuațiile de guvernare sunt: