• ISSN 0258-2724
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基于CDEM的砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

薛亚东 张森 李兴 葛嘉诚

薛亚东, 张森, 李兴, 葛嘉诚. 基于CDEM的砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 499-506, 586. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170406
引用本文: 薛亚东, 张森, 李兴, 葛嘉诚. 基于CDEM的砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 499-506, 586. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170406
XUE Yadong, ZHANG Sen, LI Xing, GE Jiacheng. Face Stability of Shield Tunnel in Sandy Cobble Stratum with Continuum-Based Discrete Element Method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 499-506, 586. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170406
Citation: XUE Yadong, ZHANG Sen, LI Xing, GE Jiacheng. Face Stability of Shield Tunnel in Sandy Cobble Stratum with Continuum-Based Discrete Element Method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 499-506, 586. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170406

基于CDEM的砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170406
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41072206)
详细信息
    作者简介:

    薛亚东(1971—),男,副教授,博士,博士生导师,研究方向为岩石力学地下工程,E-mail:yadongxue@126.com

  • 中图分类号: TU41

Face Stability of Shield Tunnel in Sandy Cobble Stratum with Continuum-Based Discrete Element Method

  • 摘要: 为探究砂卵石地层中盾构开挖工作面失稳现象的机理,采用CDEM (continuum-based discrete element method)可变形块体离散元方法,建立准连续介质模型,对砂卵石土三轴压缩试验开展数值模拟,以分析其细观力学特性;基于“颗粒流动”、“土拱效应”、“超挖出土”等特点,通过平面三角块体离散元建立模拟砂卵石地层盾构开挖面超挖出土的二维动态离散元模型,研究土拱效应、空洞区发展等开挖面失稳的渐进演化机制. 研究结果表明:砂卵石土三轴压缩试验宏观应力应变曲线可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、理想塑性阶段;卵石作为粗粒相颗粒存在骨架增强作用,砂卵石接触界面对宏观强度具有弱化作用;通过以土拱效应为标定准则的Hopper Flow标定试验可有效得到不同尺度平面三角形离散单元摩擦角的转换关系;土拱效应显著存在于开挖面前方并随着开挖面超挖出土渐进发展,达到极限状态后逐渐破坏消散;空洞区始于螺旋输送机底部,随超挖出土逐步向上方和前方扩展,最终在击穿承载土拱后到达地表,形成“水滴状”空洞区;从不同角度提出了三类超挖量的控制标准.

     

  • 图 1  数值计算模型

    Figure 1.  Numerical model

    图 2  典型偏应力-轴应变关系曲线

    Figure 2.  Typical deviation of stress–strain curve

    图 3  不同围压下偏应力-轴应变关系曲线

    Figure 3.  Deviation curves of stress versus strain under different confining pressures

    图 4  不同含石率条件下偏应力-轴应变关系

    Figure 4.  Deviation curves of stress versus strain for different cobble content rates

    图 5  盾构开挖面超挖失稳模型

    Figure 5.  Failure model of tunnel face

    图 6  不同开挖阶段最小主应力云图

    Figure 6.  Minimum principal stress contours in different excavation stages

    图 7  不同开挖阶段单元接触状态云图

    Figure 7.  Contact condition contours in different excavation stages

    图 8  地表沉降-超挖量时程曲线

    Figure 8.  Curves of ground settlements versus over-excavation volumes

    图 9  关键超挖节点汇总

    Figure 9.  Significant over-excavation stages

    表  1  单元力学参数

    Table  1.   Mechanical parameters of elements

    位置单元模型密度/(kg•m–3弹性模量/MPa泊松比摩擦角/(°)法向刚度/GPa切向刚度/GPa
    砂土层M-C弹塑性1 950200.3535
    卵石层线弹性2 80040 0000.20
    接触界面脆断弹簧1140040
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    表  2  不同模型试验结果

    Table  2.   Results of different models

    试样弹性力/kPa极限应变/%初始切线模量/MPa峰值应力/kPa最终状态
    砂卵石(考
    虑界面接触)
    7443.024.51185理想塑性
    砂卵石(无
    界面接触)
    7372.925.41419弹塑性
    均质砂土7383.820.01035理想塑性
      注:单元尺寸为0.03 m,围压为300 kPa.
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    表  3  模型基本参数

    Table  3.   Basic parameters of the model

    项目数值
    盾构直径/m5.7
    出土口高度/m1.0
    开挖面顶部埋深/m3.0
    模型尺寸(B × H)/m12 × 12
    开挖面距左侧边界距离/m3.0
    划分单元总数(WV = 40%)33 720
    界面接触弹簧总数(WV = 40%)155 843
    最小单元尺寸/m0.080
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    表  4  材料基本参数

    Table  4.   Basic parameters of the materials

    单元密度/(kg•m–3弹性模量/MPa泊松比
    砂土1 950200.35
    卵石2 8004000.20
    挡板7 8501 0000.20
    衬砌2 5003200.20
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    表  5  界面接触单元基本参数

    Table  5.   Basic parameters of the jointed elements

    界面材料法向与切向接触刚度/MPa摩擦角/(°)
    砂土-砂土80011
    砂土-卵石8006
    砂土-挡板4 0006
    卵石-挡板4 0006
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-24
  • 修回日期:  2017-08-23
  • 网络出版日期:  2019-04-02
  • 刊出日期:  2019-06-01

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