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原文传递土压平衡盾构泡沫改良土宏细观力学试验与数值模拟研究

论文题名：	土压平衡盾构泡沫改良土宏细观力学试验与数值模拟研究
关键词：	渣土改良;土压平衡盾构;泡沫;宏细观力学特性;数值模拟
摘要：	盾构法施工技术凭借其机械化程度高、安全可靠、施工效率优越等特点，己成为城市轨道交通建设的主流工法。目前全世界范围内90％以上穿越软土地区的盾构隧道均采用土压平衡盾构掘进。为确保复杂地层下土压平衡盾构的顺利掘进，需要对刀盘切削下的渣土进行改良，使其满足流塑性要求。泡沫剂是应用最为广泛的渣土改良剂，泡沫改良土内存在土颗粒、泡沫颗粒与水，土颗粒与泡沫颗粒均为粒状颗粒材料，其孔隙空间变化特征与颗粒接触力传递机制直接决定泡沫改良土的流塑性特征，现有试验探测手段对于泡沫改良土颗粒间细观力学特性描述存在困难，无法从颗粒层面上揭示泡沫对渣土的改良作用机理，相关研究进展缓慢。　　本文针对泡沫剂改良机理不明、渣土改良技术方案混乱的难题，自主研制了泡沫生成与细观尺度颗粒分布采集系统，分析了泡沫改良土尺寸分布与演化规律，建立了泡沫改良土颗粒细观分布演化模型。提出了考虑泡沫变形的泡沫改良土非线性接触模型。自主研制了泡沫改良土直剪试验系统与泡沫改良土压缩渗透试验系统，开展了泡沫改良土抗剪切特性、压缩性、渗透性室内试验与数值模拟研究，分析了泡沫发泡倍率与注入比对改良土宏观流塑性与泡沫改良土孔隙率变化特征及颗粒接触力传递机制的影响规律，揭示泡沫在渣土改良中的作用机理，提出泡沫改良土流塑性宏细观评价指标。开展了渣土改良方案的地层适配性研究，提出了全地层适配性动态改良技术体系，并对其进行了工程应用，具体研究内容如下: 　　(1)研发了非离子聚合型泡沫剂，通过自主研制的泡沫生成与细观尺度颗粒分布采集系统，开展了泡沫颗粒尺寸分布与演化规律试验研究，提出了一种土压平衡盾构渣土改良泡沫半衰期细观测定方法，建立了泡沫改良土内泡沫尺寸细观分布模型，探究了改良完成后泡沫实际注入比变化规律，得到了泡沫改良土内土颗粒与泡沫颗粒体积比，构建了泡沫改良土颗粒细观分布演化模型。　　(2)基于Young-Laplace定律及“泡沫受力变形、体积恒定”原则，界定了改良土内泡沫变形的三类形式，推导了泡沫-泡沫、泡沫-边界、泡沫-土颗粒的接触变形控制方程，形成了泡沫改良土非线性弹性法向接触模型;使用传统切向接触模型描述与泡沫相关的切向变形受力特征，构建了泡沫改良土非线性接触模型，基于Fish语言二次开发，将上述接触模型引入PFC3D中，并与泡沫接触模型解析解进行了对比，验证了该模型的准确性。　　(3)针对通用直剪设备“密封性较差，无法严格控制排水条件”的不足，自主研制了泡沫改良土直剪试验系统，分析了泡沫注入比对泡沫改良土抗剪切特性的影响，使用自主编写的泡沫非线性接触模型开展了泡沫改良土直剪试验数值模拟，分析了不同压力与注入比下泡沫改良土内颗粒间力学传递特征，提出了基于相态转变的剪切扰动下细观尺度渣土流塑性评价指标，结合泡沫改良土宏观力学行为，建立了渣土改良控制标准。　　(4)针对通用压缩与渗透试验设备“无法实现试验结果的自动化精准采集”的不足，自主研制了泡沫改良土压缩与渗透特性渗透测试系统。开展了泡沫改良土压缩特性与渗透特性试验研究，揭示了泡沫发泡倍率与注入比对泡沫改良土压缩性与渗透性的影响规律，开展了泡沫改良土渗透性试验数值模拟，分析了泡沫注入比对泡沫改良土孔隙率及有效应力转化率的影响规律，提出了基于泡沫改良土压缩性控制标准与有效应力转化率的渣土流塑性评价指标。
作者：	赵世森
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李树忱
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022