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离心机和计算模型：地面结构和地下掘进的相互作用

摘要

在城市地区的地下掘进，需要对有建筑物的土壤沉降进行认真评估。在本文中对地下隧道挖掘和地面结构之间的相互作用进行了研究。两维有限元模型可以用来对有无地面结构进行离心试验结果及比较验证。该模型可以灵敏的反应，在地面建筑物对土壤下沉和结构变形的研究中。验证的结果表明，假定土壤和结构之间的无张力界面是必不可少的，以捕获通过实验观察到的土壤与地面结构的相互作用。参量分析表明，该建筑物的刚度和隧道变形之间的关系取决于建筑物的重量。

关键词

离心机的测试 数值模拟 沉降 土壤与地面结构相互作用 隧道

1.简介

城市发展不断增加，预计在2030年达到60％，2050年达到70％，（世界城市化展望，2014年）。一个扩大城市的主要挑战是有效的，可持续交通的发展。铁路和地铁隧道是一个广泛采用的解决方案，以解决道路拥堵，同时减少污染。然而，地下工程导致的土地沉降，这可能会影响表面结构。因此，隧道设计要求广泛的评估潜在的土壤沉降损害现有建筑。

为预测隧道诱导的对表面砌体结构的损伤的标准方法已被开发和应用。这些过程的核心阶段是假定地下掘进引起的可预测的土壤表面绿地住区可以直接应用到典型建筑物模型中的失重和弹性梁。等效梁的总拉伸应变被解析推导和与临界值比较来确定预期的损害的水平。该方法已被最近扩展到第三维。

最初表述的关键拉伸应变的方法忽略土层与地面结构的相互作用。由于这个原因，一种初步进阶的方法包含了结构和土壤之间的相对刚性。其他方面也表明受土层与地面结构相互作用，包括：建筑材料的非线性行为，开始就有的结构性损伤，大开口的存在，建筑的扭曲变形和建筑物的重量。这些方面已经通过使用物理和数字模型的评价。

然而，很少数值模拟研究已经证实实验结果; 特别是，埋有隧道的居民点的土壤—地面结构的相互作用的计算模型从来没有过的离心试验相比，其中它可以重现真实的在加速应用的缩放模型条件下的应力原型。最近离心机实验在不同的重量和刚度主体建筑模型（金属板）的隧道上进行。结果表明，土层-地面结构相互作用也许包括的结构和土壤之间的间隙发展。间隙的发生和大小取决于结构的类型（特别是它的刚度和重量）和隧穿引起的地面沉降的量。这些试验表明，对建筑物精确模拟的响应取决于建筑物的重量和无张力土结构的界面。

建筑物自重的作用已经数值分析在假设实际的重量和地面的损失的情况下，没有缝隙可在土壤和建筑物之间的条件下发展。建筑物的重量的作用被认为相对于相对刚性的效果可以忽略不计。地面结构和土壤之间的无张力界面之前也被考虑去减少地面结构在土壤中的沉降; 土壤和结构之间的非线性界面元素，在随后的数值研究被用于不同沉降条件下的建筑物状态。

本研究的目的是探讨在地下隧道和表面结构之间的相互作用的关键方面，并评价建筑物自重对这种相互作用重量的效果。非线性界面元素二维有限元模型，用于识别的重要模型方面，像模拟实验观察到的土壤与地面结构的缝隙。该模型是通过与法雷尔离心机实验对比评估。然后该模型被用来对建筑刚度和重量之间的相互作用进行灵敏度的研究，其中后者通常被忽略在当前损伤评估过程中。

2.数学模型

图。1a表示了由法雷尔（2010）所述的实验设置以及在本文提到的重现的数值模型（图1的B）。在离心机试验中，采用高抗干砂的高阻钢箱平面应变条件下的隧道开挖。模型进行为75g的加速度，因此，再现的原型会有75倍大的响应。通过从隧道周围安装一个橡胶膜逐渐排出水获得由隧道和土壤表面上随之住区引起的体积损失; 膜压力在离心机旋转加速期间稳步增加，使得它总是等于在隧道轴线总垂直压力。在达到75倍重力后，水逐渐从膜取出，模拟隧道体积损失。在绿地条件下进行初步测试后，不同的刚度和重量四个铝束被添加到模型表面（图2），来调查隧道通过引起的土壤与地面结构的相互作用。

图。1。

格林菲尔德模型（单位mm）。

图。2。

数值模型与结构（单位mm）。

为了再现由强力边框所施加的边界条件，根据数值模型的垂直自由边缘在水平方向上被约束，而底侧固定在垂直和水平方向（图1的B）。离心机旋转起来被逐渐增加重力荷载可达至75倍模拟重力。在此阶段，隧道被忽视。施加75倍的重力负载后，对应于该隧道部土元素是无效的。为了维持内部和外部的力之间的平衡，径向向外压力同时在隧道边界施加。通过逐渐降低压力至零获得的表面稳定信息，然后通过逐渐施加向内的径向压力。压力的变化是正比于初始平衡值。

图。2示出了有限元模型的网格。二次平面应变单元被用于土壤，隧道和地面结构。铝束用于各向同性线性弹性材料的模型。没有抗张强度，高刚度的压缩和剪切低刚度二次界面元素被插入土壤和地面结构之间。假定接口的压缩和剪切行为是线性的弹性。所有材料参数列于表1中。

表格1。

材料参数的数值模型。

表选项

土壤可考虑两种供选择的本构关系。首先，杨氏模量之间的线性关系E和深度z假设：

方程式（ 1 ）

打开MathJax上ensp;

其中，E0是土壤表面的杨氏模量，z 是土壤的垂直坐标，z0 是距土壤表面的垂直坐标和 是杨氏在垂直方向模量的梯度。其次，各向同性不变应变ε _v和剪切应变不变量ε_小 假定为依赖于总的平均正应力p和偏应力q根据下面不排水条件下指数关系：

方程（ 2 ）

打开MathJax上ensp;

K1是参考压缩模量，G1是参考剪切模量，n 是一常系数，p ₀ 是基准压力，等于-1千帕，并 。ķ ₁，G ₁和n 的值通过实验校准，如下所述。杨氏模量推导E = 2（1 nu;）G ₁，其中 是泊松比。所采用的土壤模型是根据他们的重现实验观察到隧道引起在表面水平的沉降的能力进行评估。

图。3a 展示出了在测量隧道中心线上方的表面的土的沉降（z = 0的），并在表面下60毫米（Z = 60）离心机模型的加速旋转从0至75g中。这些结果用于校准线性弹性土模型中杨氏模量的梯度值和N，K ₁和非线性弹性土体模型中的G₁的值。用数值计算结果（比较图3 B）表示该非线性弹性提供了相当好的拟合实验曲线，能够捕捉土壤刚度随着一定范围内应力的增加而增加。

图。3。

在离心旋转式隧道上方最大沉降。

图选项

3.离心模型试验模拟（2016.4.2）

在本节中，法雷尔（2010）的实验结果被用来评估数值模型。特别是，实验和数值结果之间的比较，来选择更适当的土壤模型，估计使用在土壤和地面结构之间的无张力水平面的需求和评估模型的模拟结构响应的能力

3.1。格林菲尔德测试

图。4示出了分析增加体积损失的值对土壤沉降影响的结果V _大号; 假定“绿地”的条件，即没有建筑模型。为了比较实验和数值结果，对于每个值最大垂直沉降V假定作为参考。非线性弹性模型提供了更好的拟合实验曲线，产生沉降槽比通过线性弹性模型预测窄。由于建筑物的损坏是正比于由沉降槽施加而产生的角变形，槽形状和宽度的精确建模是用于土壤于地面结构相互作用影响评价重要。非线性弹性土模型已经因此选择进行后续分析。

图。4。

土壤表面的绿地垂直位移。

粒子图像测速仪（PIV）对于土壤绿地垂直和水平位移的测量（图5一个）也用于评估所选土壤模型的性能。虽然假设忽略了土壤失效准则的简化不允许模型捕获大体积损失下隧道拱顶失效机理（资料编号：[146862]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word