砂卵石土物理力学特性及盾构施工响应的数值模拟研究

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1、砂卵石土物理力学特性及盾构施工响应的数值模拟研究-->第一章绪论1.1工程背景及其研究意义城市轨道交通是城市公共交通系统的一个重要组成部分,它包括地铁、轻轨、有轨电车等多种类型。美国、德国、日本等国的城市轨道交通系统发展较早，现已形成比较完善的交通网络。而我国起步相对较晚，在2000年之前，全国拥有地下铁路的城市仅有北京、天津、上海、广州。在2000年以后，随着中国经济高速发展以及城市化进程的加快，城市轨道交通建设进入爆发式发展时期。根据已有统计数据表明，截至2013年末，已有19个城市共87条城市轨道线路

2、建成投入运营，运营总里程已达到2539公里。仅仅在2013年就新增2个运营城市、16条运营线路、395公里运营里程。在2539公里运营里程中，地铁拥有2074公里，占总里程的81.7%；剩下的还有轻轨192公里，占总里程的7.6%；单轨75公里，占总里程的3.0%；现代有轨电车100公里，占总里程的3.9%；磁浮交通30公里，占总里程的1.2%。目前一线城市仍在继续拓展地铁线路，很多二、三线城市地铁项目也不断上马，我国的城市轨道交通行业步入一个跨越式发展的新阶段，中国俨然已经成为世界最大的城市轨道交通市场。

3、对于这样大规模的城市轨道建设，需要面对的困难和待解决的问题也必将是空前的。其中，部分城市在砂卵石地层中修建地铁就是非常典型的一类工程实例，它们之中又数在建的成都地铁最为具有代表性。成都地铁1、2号线，其区间隧道几乎全部从卵石土层中穿越，部分区间隧道采用加泥式土压平衡盾构法进行施工。在盾构施工过程中，由于砂卵石土孔隙率大，盾构掘进扰动后地层逐渐变得密实，造成土体损失、地表沉降；而且局部砂卵石地层夹透镜体砂层，其自稳能力比较差、透水性强，在开挖面上极容易出现涌砂、涌水等现象，使得卵石土中细颗粒物随着涌水大量流失

4、，从而引起开挖面失去稳定性、地面沉降严重甚至出现塌陷事故；还有降水影响，大量砂卵石地层中的细颗粒随着降水被排走，卵石之间形成大量的孔洞，地层变得疏松，卵石颗粒之间形成的骨架在受到盾构施工扰动时极易垮塌[1]。除成都地铁建设施工过程中遭遇典型的砂卵石地层外，代表性的地下工程还有日本的广岛地铁，中国的北京地铁、沈阳地铁、长沙地铁等，他们面临的地质结构也有局部砂卵石地层。因此，研究砂卵石土的工程力学特性以及对盾构施工的影响具有极其重大的意义。......1.2卵石地层的地质构造成因及卵石土的工程分类广义上，砂卵石

5、土是对自然土中所有以漂石（块石）、卵石（碎石）、砾石（角砾）为主，含有少量砂土及粘性土粒的离散粗碎屑堆积物的统称，砂卵石地层则是指以砂和卵石（砾石）为主的地层，并且卵石含量比较高。砂卵石地层主要是气候和地质共同作用下（包括构造变动，冰水侵蚀，风力干燥剥蚀，冲刷沉积等），在第四纪形成的松散堆积层（图1-1成都地铁钻孔取样获得的砂卵石土样本）。自然界中，天然砂卵石土是由以漂石、卵石、砾石为主的大大小小的颗粒构成，普遍还含有砂土和少量粘性土粒，粗颗粒随机分布，如果粗颗粒含量达到60~70%，呈中密状态，粗颗粒形成

6、颗粒骨架，而砂粒则填充于粗颗粒空隙中。其中，卵石主要成分以石英石、花岗岩为主，石质坚硬，风化程度轻微，形态光滑圆润，颜色一般为深灰色；砂颗粒颜色则以灰褐、黄褐色为主，主要矿物成分为石英、长石，也有少量的为暗色矿物和云母等。砂卵石土在我国平原地区广泛分布，其厚度从数十米到几千米，如表1-1。在我国高原（青藏高原），丘陵地带（东部山区丘陵地带），甚至西北干燥地区都有其踪迹。砂卵石土颗粒的大小称为粒度，通常用颗粒直径来表示。在工程中，工程师们通常又用粒径组表示颗粒的大小相近的一类颗粒，一般的粒径组划分为：漂石（块

7、石）、卵石（碎石）、砾石（角砾）、砂粒、粉粒和粘粒，如表1-2所示，砂的定义是粒径在0.075mm到2mm之间的颗粒，卵石是60mm到200mm之间的颗粒[2]。根据土力学相关规定（如表1-3中土的分类与定名），砂卵石土一般为巨粒土、混合巨粒土或者粗粒土。不过，在国内外文献中也通常把巨粒土、混合巨粒土看着广义的粗粒土，并且对巨粒土进行三轴试验时，试料往往需要进行缩尺处理，处理后的试验样本往往相当于为粗粒土，因此，砂卵石土也可以理解为广义上的粗粒土[3]。......第二章砂卵石土粒径级配的分形描述粗粒土颗粒

8、的组成对粗粒土的工程特性影响非常大，不同颗粒组成甚至可以使粗粒土的工程特性完全不同。砂卵石土为粗粒土的一种常见形式，因而，客观描述砂卵石土的颗粒级配，是研究砂卵石土力学特性的重要前提；工程方面，目前较常采用实验方法绘制颗粒级配曲线，借助于不均匀系数、曲率系数等特征参数判断颗粒级配的分布状态。但是，砂卵石土级配曲线的获取，在一定程度上存在诸多困难；另一方面，建立级配曲线与砂卵石土之力学特征之间的联系，明显受到诸多不