砂土地层隧道衬砌漏砂(水)诱发地层塌陷的机理研究

来源 :大连交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zyq201314
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近年来,我国的交通运输事业飞速发展,地下空间得到了越来越广泛的开发和利用,隧道作为重要的交通运输媒介得到了大规模的建设。而隧道衬砌漏砂(水)诱发的地层塌陷问题出现,严重影响了隧道工程的安全运营。本文结合采用了室内试验、理论推导和数值模拟等方法,对隧道衬砌裂缝漏砂(水)诱发的砂性土地层塌陷的机理进行研究。主要的工作及研究成果如下:(1)采用自行设计的可视化地面塌陷漏砂(水)室内试验系统。通过对同一涌口下不同厚跨比的土层漏砂(水)诱发地面塌陷研究得出:在溃砂灾害发生时,衬砌空洞的直径越大,埋深越大,其对地面造成的影响越大;圆形涌口漏砂诱发的地面塌陷在平面上近似为圆形,在立面上其中心剖面可近似用二次曲面来描述;土体的自然休止角在数值上等于土体的内摩擦角,其形状破坏角与自然休止角的差值为13°。(2)通过对不同涌口漏砂(水)诱发地面塌陷研究得出:相同直径的涌口,土层厚度增加,漏砂速度基本保持不变;不同直径的涌口漏砂速度随着孔径的增大,逐渐增大。隧道衬砌漏砂(水)诱发溃砂灾害存在着临界裂粒比条件。(3)通过对溃砂灾害的发生机理的分析,得到溃砂灾害的影响因素为砂体的粒径和涌水砂通道的宽度,将水砂突涌过程看作无限大舱体在水动力和自重力下水砂从通道中排出的过程。建立了直线型、对称三角型、圆弧曲线型三种接触力拱模型,通过力学模型推导得出判别溃砂灾害是否发生的三种临界裂粒比计算公式imax,由公式得出溃砂的临界裂粒比与土体内摩擦角相关。(4)采用数值模拟的方法,建立料仓式溃砂离散元模型,模拟了溃砂状态下的砂体流动形态,通过改变裂粒比及颗粒间的摩擦系数,验证了此地质条件下溃砂灾害发生的临界裂粒比为5.1,随着土体的内摩擦角的增加其发生溃砂的临界裂粒比值越大。通过设置接触应力传感器,得到了溃砂过程中,随着裂粒比的增加,衬砌的应力峰值也在增加。
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