考虑卵石倾角及形状特征卵石地层几何迂曲度计算模型

迂曲度是反应土体渗流特性的一个重要参数,对于研究流体在土体内部的流动特性至关重要,但目前的研究大多针对通用模型的研究,较难适用于特征性较强的卵石地层。为探究适用于卵石地层的迂曲度计算模型,将卵石颗粒简化为椭圆形,引入阻碍系数和各向异性系数来描述卵石颗粒的排列方式,引入特征粒径和卵石的长短轴之比来描述卵石的颗粒级配与形状特征,通过阻碍将卵石简化为椭圆形颗粒,基于牛顿流体在卵石地层中的层流流动,建立了考虑卵石排列方式、颗粒级配及形状特征的卵石地层迂曲度几何计算单元,推导了迂曲度的计算公式。并基于编程建立了卵石地层的模型,采用COMSOL Multiphysics的蠕动流模块进行了数值求解,将理论计算结果与数值模拟结果进行了相互验证;基于数值模拟进一步探究了卵石倾角对迂曲度的影响,并对卵石地层迂曲度的影响因素进行了参数分析。研究结果表明所建立的理论模型与数值模拟吻合良好,适用于卵石地层;卵石为等粒径时其迂曲度最小,随着卵石颗粒逐渐扁平化和卵石地层阻碍角的增大,迂曲度增大;同时迂曲度随各向异性系数的增大而增大,表明流体从不同方向流入卵石地层,其迂曲度不同。

卵石倾角对砂卵石地层隧道开挖影响的细观力学研究

在实际工程中,椭圆形或亚圆形的卵石以不同角度在地层中层状分布。针对卵石倾角对砂卵石地层施工力学行为的影响,将地层材料视为由卵石和土体基质组成的混合材料,建立砂卵石地层二维细观有限元模型,开展不同卵石倾角下的隧道开挖数值计算。通过围岩应力模拟值和理论值的对比,对细观分析模型的适用性进行了验证。在此基础上,从围岩应力和围岩变形两个角度,对不同倾角下的隧道开挖围岩反应进行了分析。结果表明:当卵石倾角从0°增大至90°时,围岩塑性区的形态和范围均发生变化,且拱腰处的围岩竖向应力不断增大。在给定的计算条件下,地表沉降最大值以每10°相对增幅5.17%的速度线性增加,地表沉降槽宽度系数呈现出先增加后减小的趋势,在卵石倾角为30°时取得最大值;地中沉降最大值和地中沉降槽宽度系数随深度的变化关系均可以采用幂函数形式的公式进行描述。