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原文传递基于随机多尺度数值极限分析方法的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性研究

论文题名：	基于随机多尺度数值极限分析方法的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性研究
关键词：	砂卵石地层;层盾构隧道开挖面;稳定性;随机多尺度数值极限分析方法
摘要：	城市地铁施工常采用盾构法，盾构穿越砂卵石地层时，由于围岩粘聚力小、离散性大、易受扰动，掘进参数设置不合理导致的开挖面失稳破坏事故时有发生。开挖面稳定性取决于围岩宏观强度参数，砂卵石是一种复合材料，宏观强度与卵石形状、尺寸及倾角等细观参数有密切关系。卵石块体直径大、且随机分布，室内强度测试非常困难，结果代表性差，大大增加了砂卵石地层开挖面稳定性分析难度。针对上述问题，本文探索建立一种能够考虑砂卵石细观结构及其随机性影响高效、可靠的稳定性分析方法。基于经典上限分析理论，引入有效应力原理，建立考虑孔隙水压力影响的上限分析模型；结合砂卵石细观结构随机生成算法、极限分析模型和均匀化理论，考虑卵石倾角引起强度各向异性，提出了考虑卵石倾角影响的多尺度数值极限分析迭代算法；通过空间窗移动统计体积单元取样，基于Karhunen-Loève(K-L)级数展开，提出了随机多尺度数值极限分析方法。在此基础上，开展参数化分析，研究砂卵石地层细观结构参数及其随机性对盾构隧道开挖面稳定性的影响规律，为砂卵石地层盾构隧道施工提供借鉴。主要研究工作和结论如下：　　（1）基于经典极限分析上限理论，引入饱和土有效应力，采用有限元方法进行空间离散，结合二阶锥规划，建立了考虑孔隙水压力影响的数值极限分析方法，该方法具有较高计算效率及可靠性。　　（2）基于分形理论，推导了砂卵石地层截面粒径分布函数，以椭圆模拟卵石截面，建立了砂卵石细观结构随机生成算法；结合均匀化理论和极限分析方法，引入非线性迭代，提出了考虑卵石倾角影响的多尺度数值极限分析方法，分析了砂卵石宏观力学特性随细观结构参数的变化规律。研究结果表明，均匀化极限分析方法能够有效识别体积单元宏观强度参数，多尺度数值极限分析方法具有高效、可靠等优势，计算结果与整体细观分析较为一致。考虑卵石倾角时，只需少量迭代次数即可收敛，可以考虑任何形式强度各向异性。　　（3）通过空间窗移动进行砂卵石统计体积单元取样，均匀化得到砂卵石地层强度统计参数，基于K-L级数展开，建立了随机多尺度数值极限分析方法，分析了砂卵石细观结构参数及取样方式对介观尺度名义强度参数统计特性的影响。结果表明，对数增量名义强度参数符合正态分布，随机场自相关结构满足指数型函数关系，K-L级数展开方法提高了强度参数取样效率。　　（4）基于随机多尺度数值极限分析方法，建立了盾构隧道开挖面稳定性二维数值分析模型，针对无水和富水两种工况，开展参数化分析，研究了砂卵石地层细观结构参数及其随机性对开挖面稳定性的影响。结果表明，开挖面稳定性随卵石分形维数的增加而降低，随卵石最大直径、界面折减系数、卵石长宽比及砂土抗剪强度的增大而不断增加。卵石形状、含量及大小均对开挖面稳定性具有较大影响，砂土本身强度参数影响最为显著。当卵石长轴与隧道轴线平行时，开挖面稳定性较高。随着体积单元尺寸的减小，极限支护力离散性不断增加，随机场分析结果均值大于确定性分析，随机多尺度分析计算结果均值受取样参数影响小，结果更为可靠。
作者：	都敬娜
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	叶飞
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022