基于透明土的隧道上浮过程结构与土相互作用模型试验

第３３卷第３期　华东交通大学学报　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．３　２０１６年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｊｕｎ．，２０１６　文章编号：１００５—０５２３（２０１６）０３—０００１—０６　基于透明土的隧道上浮过程结构与土相互作用模型试验　周俊宏，宫全美，周顺华　（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海２０１８０４）　摘要：上覆土地基弹簧系数取值是盾构隧道纵向上浮计算的关键问题之一，该值的选取取决于隧道与土的相互作用特征．但该　特征较为复杂且研究缺乏。为研究上浮过程隧道与土的相互作用特征，基于透明土设计了模拟盾构隧道上浮过程的小比尺室　内模型试验系统，可得到不同上浮量下的抗浮力，同时结合ＰＩＶ系统可实现非接触式地观测隧道上浮过程中土体内部连续位　移场。通过一模型试验对系统功能进行了详细描述，并基于该组试验分析了抗浮力随上浮量变化规律及隧道周围土体位移场　变化规律。研究结果表明：抗浮力随着上浮量增大而增大，但增大速率减小，当上浮量达０．１倍隧道外径时，抗浮力达峰值：隧　道周围局部范围土体位移场近似呈现为漩涡状　关键词：盾构隧道；上浮；透明土；可视化模型试验；隧道与土相互作用　中图分类号：Ｕ４５１　文献标志码：Ａ　软土地层盾构隧道施工期上浮问题极为普遍，监测数据显示，直径为６　ｍ左右的盾构隧道上浮量一般　在０～６０　ｍｍ之间，部分隧道局部区段上浮超过１００　ｍｍ［”，如上海翔殷路隧道施工期最大上浮量达１５０　ｍｍｔ２］。　隧道上浮过大易引发管片张开、错台、破损等问题，从而对隧道成型质量造成影响。　目前，众多学者针对隧道上浮问题展开了大量研究，肖明清【　ｆ　季昌闭、周顺华［３】、Ｋａｓｐｅｒ，ｐ４ｊ、叶飞［５１等以数　值模拟、现场试验为手段对盾构隧道上浮影响因素进行了分析；叶俊能等嗍采用有限元软件建立考虑管　环　接头错台、张开影响的施工期隧道上浮分析数值模型，对管片容许上浮量进行了分析；魏纲等　分别考虑静’　态上浮力和动态上浮力，提出了上浮阶段管片的受力模型及计算公式；叶飞等［５，８１还对施工期的盾构上浮进　行了纵向分析。分析中将隧道简化为一纵向梁，将上覆土的抗浮效应简化为地基弹簧，并通过实例分析，验　证了该方法的可行性，但上覆土厚度有限导致存在上覆土地基弹簧系数取值困难的问题。同时提出其原因　主要是隧道上浮过程结构与土相互作用复杂，且缺乏深入研究所致，因此为了能较为准确地分析隧道纵向　的上浮规律，有必要对上浮过程隧道与土的相互作用特性进行分析。　模型试验以其易于观测、参数便于控制等优点在土与结构相互作用问题研究中广为采用［９－　２１。常规试验　方法只能观测到土体表面的位移场，而土体表面常因边界效应不能完全反映真实情况，为了实现非接触式　地观测土体内部连续位移场，Ｉｓｋａｎｄｅｒ，Ｌｉｕ等【培　４］配制了可在宏观力学性质上模拟黏土的透明材料，Ｎｉ等旧　结合ＰＩＶ技术将上述透明土应用于等截面圆形桩沉桩挤土效应模型试验中，得到了观测沉桩过程土体内部　连续位移场的方法。　鉴于此，本文结合透明土及ＰＩＶ技术设计研发了模拟隧道上浮过程的室内小比尺模型试验装置．并采　用该装置进行了模型试验，基于该组试验对试验装置功能进行了详细介绍并对试验结果进行了初步分析。　收稿日期：２０１６—０２—２５　基金项目：国家自然科学基金项目（４１４７２２４７；５１４７８３５３）　作者简介：周俊宏（１９８９一），男，博士研究生，主要研究方向为岩土工程、隧道工程。　导师简介：宫全美（１９６７一），女，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为岩土工程、铁路线路动力学等。　６　华东交通大学学报　２０１６正　【１４］ＬＩＵ　Ｊ，ＩＳＫＡＮＤＥＲ　Ｍ　Ｇ，ＳＡＤＥＫ　Ｓ．Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　ｓｉｌｉｃａ［Ｊ１．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００３，２６（４）：３９０－４０１．　［１５］ＮＩ　Ｑ，ＨＩＲＤ　Ｃ　Ｃ，ＧＵＹＭＥＲ　Ｉ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｐｉｌｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｌａｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｉｍａｇｅ　ｖｅｌｏｃｉｍｅ—　ｔｒｙ［Ｊ】．Ｇｒｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００９，６０（２）：１２１－１３２．　［１６１曹兆虎，孔纲强，刘汉龙，等．基于透明土材料的沉桩过程土体三维变形模型试验研究田．岩土工程学报，２０１４，３６（２）：３９５－４００．　Ｍｏｄｅｌ　Ｔｅｓｔ　ｏｎ　Ｕｐｗａｒｄ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　Ｓｏｉｌ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　Ｕｓｉｎｇ　Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　Ｓｏｉｌ　Ｚｈｏｕ　Ｊｕｎｈｏｎｇ，Ｇｏｎｇ　Ｑｕａｎｍｅｉ，Ｚｈｏｕ　Ｓｈｕｎｈｕａ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｒｏａｄ　ａｎｄ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈｍ　２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｉｆｎｅｓｓ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｐｒｉｎｇ　ｏｆ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　ｓｏｉｌ，ａｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｒａｃｔａｂｌｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｕｐｗａｒｄ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ，ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｒｎ—　ｐｌｅｘ　ａｎｄ　ｉｎ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ．Ｔｏ　ｐｒｏｂｅ　ｉｎｔｏ　ｕｐｗａｒｄ　ｍｏｖｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｓｍａｌｌ—ｓｃａｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎｄｏｏｒ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｕｐｗａｒｄ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｇｏｔ　ａｎｔｉ—ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｄｕｒｉｎｇ　ｕｐｗａｒｄ　ｍｏｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｆｉｅｌｄ　ｗｉｔｈ　ＰＩＶ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ａ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｉｔ　ｆｉｎａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅ—　ｔｗｅｅｎ　ａｎｔｉ—－ｂｕｏｙａｎｃｙ　ａｎｄ　ｕｐｗａｒｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｆｉｅｌｄ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｕｎｎｅ１．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｕｐｗａｒｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｕｎｎｅｌ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓ—　ｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｐｅａｋ　ｖａｌｕｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｕｎｎｅｌ　ｕｐｗａｒｄｌｙ　ｍｏｖｅｓ　ｔｏ　０．１　ｔｉｍｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｅｒ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｕｎｎｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｌｓｏ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　ｓｗｉｒｌｉｎｇ　ｐａｔｔｅｒｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ；ｕｐｗａｒｄ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ；ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　ｓｏｉｌ；ｖｉｓｕａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ；ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　（责任编辑王建华）