渗流条件下盾构开挖面失稳离心试验课件

渗流条件下盾构开挖面失稳离心试验渗流条件下盾构开挖面失稳离心试验20152015年年7 7月月1919日日汇报人：尹鑫晟汇报人：尹鑫晟指导老师：陈仁朋指导老师：陈仁朋渗流条件下盾构开挖面失稳离心试验渗流条件下盾构开挖面失稳离心试验2015年年7月月19日汇报人：日汇报人：汇报提纲汇报提纲p研究背景研究背景p盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制p稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验p结论结论汇报提纲研究背景汇报提纲研究背景研究背景研究背景p开挖面稳定性问题是盾构施工中的难题：开挖面稳定性问题是盾构施工中的难题：盾构盾构密封舱密封舱压力压力不足不足开挖面失稳开挖面失稳地表塌陷、危害临近建筑地表塌陷、危害临近建筑支护力支护力土压力土压力水压力水压力地表坍塌地表坍塌对邻近建筑、管线造成危害对邻近建筑、管线造成危害施工安全事故施工安全事故+主动失稳主动失稳 极限支护力极限支护力杭州地铁杭州地铁4号线穿越新塘河塌陷事故号线穿越新塘河塌陷事故研究背景开挖面稳定性问题是盾构施工中的难题：支护力土压力水压研究背景开挖面稳定性问题是盾构施工中的难题：支护力土压力水压p本文研究：工程中典型的开挖面稳定性问题本文研究：工程中典型的开挖面稳定性问题l土压平衡盾构土压平衡盾构l高水头（越江跨河）稳态渗流条件高水头（越江跨河）稳态渗流条件l高渗透性土层高渗透性土层开挖面受趋于开挖面受趋于隧道内的渗透力隧道内的渗透力开挖面失稳开挖面失稳有效支护力不足有效支护力不足研究背景研究背景本文研究：工程中典型的开挖面稳定性问题土压平衡盾构开挖面受趋本文研究：工程中典型的开挖面稳定性问题土压平衡盾构开挖面受趋l试验方法：试验方法：1g试验试验l理论方法：极限平衡法、极限分析法理论方法：极限平衡法、极限分析法l数值方法：有限元数值方法：有限元(有限差分有限差分)p高水头稳态渗流下盾构开挖面稳定性高水头稳态渗流下盾构开挖面稳定性（Leeetal.,2001,2003）Anagnostou&Kovari(1996)（Leeetal.,2003）（Strhle&Vermeer,2010）国内外研究现状国内外研究现状p存在的问题存在的问题尚未充分认识尚未充分认识渗流条件下渗流条件下开挖开挖面失稳机理和模式面失稳机理和模式试验方法：试验方法：1g试验高水头稳态渗流下盾构开挖面稳定性（试验高水头稳态渗流下盾构开挖面稳定性（Leep稳态渗流下开挖面失稳离心试验装置稳态渗流下开挖面失稳离心试验装置浙大研制的装置（国际上第一套此类试验装置）浙大研制的装置（国际上第一套此类试验装置）盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制l主要构件包括主要构件包括模型箱模型箱模型盾构模型盾构伺服加载系统伺服加载系统水位控制系统水位控制系统储水箱储水箱装置实物图装置实物图稳态渗流下开挖面失稳离心试验装置浙大研制的装置（国际上第一套稳态渗流下开挖面失稳离心试验装置浙大研制的装置（国际上第一套p稳态渗流下开挖面失稳试验装置稳态渗流下开挖面失稳试验装置l实现了整套装置高实现了整套装置高g值下的防水（最大水压力达值下的防水（最大水压力达325kPa）盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制硅胶皮硅胶皮防水密封胶防水密封胶乳胶管乳胶管铜丝铜丝内置橡胶条内置橡胶条O型圈型圈止水橡胶条止水橡胶条(a)模型箱本身防水模型箱本身防水(b)盾壳与模型箱左侧板连接处防水盾壳与模型箱左侧板连接处防水(c)盾壳与隔板之间防水盾壳与隔板之间防水(d)隔板本身防水隔板本身防水(e)轴力计防水轴力计防水稳态渗流下开挖面失稳试验装置实现了整套装置高稳态渗流下开挖面失稳试验装置实现了整套装置高g值下的防水（最值下的防水（最p稳态渗流下开挖面失稳试验装置稳态渗流下开挖面失稳试验装置l实现了试验过程水位的准确控制实现了试验过程水位的准确控制蠕动泵实现供水的有效补给蠕动泵实现供水的有效补给溢流孔保证上游水位面不变溢流孔保证上游水位面不变电磁阀实现密封舱积水的及时排出电磁阀实现密封舱积水的及时排出蠕动泵蠕动泵排水管排水管电磁阀电磁阀溢流孔溢流孔盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制稳态渗流下开挖面失稳试验装置实现了试验过程水位的准确控制蠕动稳态渗流下开挖面失稳试验装置实现了试验过程水位的准确控制蠕动pPIV测试技术测试技术互相关函数的峰值对应于土体间的相对位移互相关函数的峰值对应于土体间的相对位移简介：基于图像互相关分析的二维位移场测量技术简介：基于图像互相关分析的二维位移场测量技术关键：数码照片、互相关算法关键：数码照片、互相关算法用途：获得开挖面前方土体位移矢量场，揭示开挖面失稳模式用途：获得开挖面前方土体位移矢量场，揭示开挖面失稳模式盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制离心机中的离心机中的PIV设备设备佳能佳能G10相机相机PIV测试技术互相关函数的峰值对应于土体间的相对位移简介：基测试技术互相关函数的峰值对应于土体间的相对位移简介：基pPIV测试误差测试误差相机的电荷耦合器件图像传感器相机的电荷耦合器件图像传感器(CCD)与实际平面与实际平面非共面性非共面性镜头的曲率镜头的曲率导致的径向和切向的镜头变形导致的径向和切向的镜头变形光线通过模型箱的观察窗产生的光线通过模型箱的观察窗产生的折射折射电荷耦合器件图像传感器电荷耦合器件图像传感器(CCD)产生象素的产生象素的不规则形状不规则形状图像空间位移图像空间位移实际空间位移：需标定获得实际空间位移：需标定获得14个转换参数个转换参数盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制盾构开挖面失稳离心模型试验装置研制临时参考点临时参考点永久控制点永久控制点PIV测试误差相机的电荷耦合器件图像传感器测试误差相机的电荷耦合器件图像传感器(CCD)与实际平与实际平稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验p试验方案试验方案p试验材料试验材料钱塘江砂质粉土钱塘江砂质粉土(sat=19.2kN/m3,c=1kPa,=30,k=5.310-6m/s)稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验试验方案稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验试验方案试试p模型地基制备模型地基制备步骤步骤1：非饱和砂质粉土地基（：非饱和砂质粉土地基（=10%,=1.611103kg/m3）制备）制备(a)铺细砾石垫层铺细砾石垫层(b)垫层上表面铺设反滤土工布垫层上表面铺设反滤土工布(c)洒入制备每层地基洒入制备每层地基（厚（厚25mm）所需砂质粉土）所需砂质粉土(d)夯击每层洒入的夯击每层洒入的砂质粉土至指定密度砂质粉土至指定密度(e)每层地基上表面抛毛处理每层地基上表面抛毛处理(f)埋设相应的孔隙水压力传感器埋设相应的孔隙水压力传感器稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验模型地基制备步骤模型地基制备步骤1：非饱和砂质粉土地基（：非饱和砂质粉土地基（=10%,p模型地基制备模型地基制备步骤步骤2：非饱和砂质粉土地基饱和（抽真空饱和）：非饱和砂质粉土地基饱和（抽真空饱和）（通水速率（通水速率0.4L/h，饱和时间，饱和时间5天）天）模型箱模型箱大型大型饱和罐饱和罐储水罐储水罐真空表真空表(a)模型箱吊入大型饱和罐模型箱吊入大型饱和罐(b)抽真空、模型底部通水饱和抽真空、模型底部通水饱和稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验模型地基制备步骤模型地基制备步骤2：非饱和砂质粉土地基饱和（抽真空饱和）模型：非饱和砂质粉土地基饱和（抽真空饱和）模型佳能佳能G10相机相机网络摄像头网络摄像头p传感器及观测装置传感器及观测装置PIV测试系统硬件部分测试系统硬件部分LED灯带灯带稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验PIV1套：套：获得隧道对称面土获得隧道对称面土体位移矢量体位移矢量场场孔压计孔压计3只：测试开挖面前方孔只：测试开挖面前方孔压压LVDT1只：测试开挖面只：测试开挖面水平位移水平位移轴力轴力计计1只：测试开挖面只：测试开挖面支持力支持力佳能佳能G10相机网络摄像头传感器及观测装置相机网络摄像头传感器及观测装置PIV测试系统硬件部测试系统硬件部pp 透水面板透水面板透水面板透水面板盾壳摩擦力：盾壳摩擦力：盾壳摩擦力：盾壳摩擦力：50g下标定下标定透水面板透水面板盾壳盾壳稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验透水面板透水面板盾壳摩擦力：盾壳摩擦力：50g下标定透水面板盾壳稳态渗流下饱下标定透水面板盾壳稳态渗流下饱p主要试验过程主要试验过程l将模型装置放入离心机吊篮并固定，开将模型装置放入离心机吊篮并固定，开始传感器数据采集；始传感器数据采集；l打开流量泵和电磁阀供排水，离心加速打开流量泵和电磁阀供排水，离心加速度逐渐提高到度逐渐提高到50g并稳定并稳定20min30min；l当开挖面前方形成稳态渗流时（开挖面当开挖面前方形成稳态渗流时（开挖面前方孔压计读数基本稳定），逐渐后撤开前方孔压计读数基本稳定），逐渐后撤开挖面。当开挖面水平位移挖面。当开挖面水平位移s6mm时，开时，开挖面后撤速度挖面后撤速度=0.2mm/min；当；当6mms10mm时，时，=0.4mm/min；当；当s=10mm时，时，v=0;l离心加速度由离心加速度由50g逐渐减少至逐渐减少至0，将模型，将模型装置吊出离心机吊篮。装置吊出离心机吊篮。p失稳过程失稳过程(C/D=1,Hw/D=2)高水头下盾构开挖面稳定性研究高水头下盾构开挖面稳定性研究模型侧面模型侧面模型顶面模型顶面主要试验过程主要试验过程将模型装置放入离心机吊篮并固定，开始传感器数将模型装置放入离心机吊篮并固定，开始传感器数l第一阶段：第一阶段：s,初始支护力初始支护力极限支护力极限支护力（此时（此时s1.5%Dm）l第二阶段：第二阶段：s继续继续,支护力近似线性缓慢增大支护力近似线性缓慢增大Hw/D=1Hw/D=2Hw/D=3极限有效支护力比较极限有效支护力比较试验结果：开挖面有效支护力变化规律试验结果：开挖面有效支护力变化规律(a)(b)(c)(a)(b)(c)(a)(b)(a)(c)(b)(a)第一阶段：第一阶段：s,初始支护力初始支护力极限支护力极限支护力 稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验p试验结果：开挖面渐进失稳模式试验结果：开挖面渐进失稳模式棱柱体棱柱体l极限状态极限状态(Plim)：“楔形体楔形体+棱柱体棱柱体”破坏模式，破坏区扩展到地表破坏模式，破坏区扩展到地表l极限状态以后：逐渐呈现极限状态以后：逐渐呈现“楔形体楔形体+棱台体棱台体”破坏模式破坏模式楔形体楔形体棱台体棱台体楔形体楔形体Hw/D=1Hw/D=3(c)(b)(a)(a)(c)(b)(a)(c)稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验试验结果：稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验试验结果：Hw/D=1Hw/D=1 试验过程中开挖面前方孔压变化试验过程中开挖面前方孔压变化极限状态时开挖面前方孔压极限状态时开挖面前方孔压l失稳过程中开挖面前方孔压变化较小，表明整个试验过程中开挖面前方为失稳过程中开挖面前方孔压变化较小，表明整个试验过程中开挖面前方为稳态渗流稳态渗流l渗流主要发生在开挖面前方渗流主要发生在开挖面前方0.75Dm范围内范围内稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验稳态渗流下饱和砂质粉土地层开挖面失稳离心模型试验p试验结果：开挖面前方孔压分布试验结果：开挖面前方孔压分布Hw/D=1Hw/D=1试验过程中开挖面前方孔压变化极限状试验过程中开挖面前方孔压变化极限状结论结论稳态稳态渗流渗流下，开挖下，开挖面有效面有效支护压力随着支护压力随着开挖面位移的逐渐增大开挖面位移的逐渐增大，迅速，迅速减小至极限值减小至极限值，当位移的，当位移的继续继续增大时，增大时，有效有效支护压力缓慢支护压力缓慢线性增线性增大。大。相同隧道埋深比，开挖面极限有效支护压力相同隧道埋深比，开挖面极限有效支护压力随远场水头与盾构密随远场水头与盾构密封舱水头差封舱水头差增大而线性增大。增大而线性增大。极限极限状态时开挖面前方呈现状态时开挖面前方呈现“楔形体楔形体+棱柱体棱柱体”的失稳的失稳区，此后失区，此后失稳稳区的区的“棱柱体棱柱体”逐渐发展到逐渐发展到“棱台体棱台体”。稳态渗流下，孔压沿开挖面向远场逐渐增大，当距开挖面水平距离大稳态渗流下，孔压沿开挖面向远场逐渐增大，当距开挖面水平距离大于于0.75Dm后后，孔压几乎保持不变且接近远场静水压力，孔压几乎保持不变且接近远场静水压力。结论稳态渗流下，开挖面有效支护压力随着开挖面位移的逐渐增大，结论稳态渗流下，开挖面有效支护压力随着开挖面位移的逐渐增大，汇报结束，谢谢各位专家！汇报结束，谢谢各位专家！Thanksforyourattention！汇报结束，谢谢各位专家！汇报结束，谢谢各位专家！