基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究

盾构隧道施工本质上是在三维空间中利用机械实现动态掘进的过程。为了研究盾构施工对开挖面前方土体的位移影响,基于有限差分法(FDM)与离散单元法(DEM)开展了多组三维连续-离散耦合数值计算,并结合现场监测,提出相应的施工建议。首先,基于弹性力学的Mindlin解,综合考虑盾构顶推力、辐条式刀盘摩阻力和盾壳摩擦力对土体位移的共同作用;基于三维镜像法和球孔收缩问题推导了地层损失引起的三维土体位移场表达式,建立了开挖面前方土体三维位移完整解析公式;其次,为了同时满足工程分析尺度和反映土体细观力学特性需要,引入新版连续-离散耦合技术。依托工程实例,通过三维单剪模拟试验与室内直剪试验对离散域内的颗粒细观参数进行验证。最后,基于三维位移解析解和连续-离散耦合模型分析了开挖面前方土体位移特性及不同盾构顶推力、刀盘转速和推进速度下的三维土体位移特征。结果表明：三维位移解析解和连续-离散耦合的计算结果均与实测值匹配程度较好;在盾构掘进过程中,地表沉降量逐步增大,盾构开挖面通过后沉降量得到暂时控制;顶推力过大容易使开挖面前方H/4～5H/4范围内地表出现局部隆起现象;刀盘转速的提高会加大地表沉降量,使沉降槽...     

降雨工况下粗粒土高路堤边坡暂态饱和区时空演变规律模型试验

基于室内模型试验及相似理论,利用含水率测试仪、张力计、土压力盒分别监测长时间大雨、短时间暴雨2种降雨工况下粗粒土高路堤边坡体积含水率、基质吸力、坡前推力变化规律,研究这2种降雨工况下粗粒土高路堤边坡暂态饱和区时空演变规律,揭示暂态饱和区变化影响下粗粒土高路堤边坡失稳机理。结果表明：2种降雨工况下降雨初期,暂态饱和区主要分布在边坡表层,体积含水率逐层上升、基质吸力逐层消散;随降雨不断持续,长时间大雨工况下暂态饱和区主要呈S形分布,暂态饱和区扩展过程中路堤边坡各级坡脚处的体积含水率先上升、基质吸力先消散,坡前推力主要分布在路堤边坡坡脚深处,边坡土体抗剪强度削弱区域首先分布在各级路堤坡脚处并逐渐向边坡内部扩展;短时间暴雨工况下暂态饱和区呈J形分布,暂态饱和区在下路堤坡脚处分布的面积较大,暂态饱和区扩展过程中下路堤边坡下部坡脚附近体积含水率先上升、基质吸力先消散,坡前推力由表层向路堤深处逐渐增大,土体抗剪强度削弱区域主要分布在下路堤边坡坡脚处。