基于人工合成透明土盾构隧道壁后同步注浆模型试验研究

摘要

基于人工合成透明土能够直观观测土体内部变形的优势，将透明土作为盾构壁后注浆模型试验的模型土材料，借助PIV技术用激光器照射透明土层成像、CCD工业相机捕捉图像，并利用PIVview2C软件对图像进行信息提取分析，本文采用理论与物理模型试验相结合的研究方法开展盾构隧道壁后注浆模型试验，对盾构隧道壁后注浆控制地层沉降的效果及注浆浆液的填充情况和扩散范围进行了初步的探究性研究。
　　本文主要工作内容和研究结论如下:
　　1)首先，综合分析了了人工合成透明土的理论基础、所用材料及组分、具体配制方法;然后，利用透明熔融石英砂作为颗粒材料和溶质溶于溶剂的方法配制溴化钙溶液为间隙流体材料合成了本模型试验中的透明土。透明土的透明效果随着熔融石英砂粒径的减小而变差，透明土放置过程中会出现干化现象。
　　2)对透明土进行了筛分试验、压缩试验、直剪试验、三轴试验等一系列常规土性实验，研究了透明土的基本物理力学性质，并与相应级配的标准砂进行了比较;各级配透明土与标准砂土摩擦角、压缩性具有相同的变化趋势，但黏聚力有差异，黏聚力三轴试验值较直剪试验结果偏大;各级配透明土的压缩性较相应级配标准砂土要小。总体而言，透明土材料能够较好的满足实际工程中土层变形模拟的要求。
　　3)对物理模型试验相似理论和PIV技术原理进行了简要介绍，依托上述理论研究并设计了盾构隧道壁后注浆模型试验系统，具体包括:试验箱主体、推进系统、注浆系统、激光器照射和CCD相机成像信息采集系统、PIVview2C软件信息提取和Origin软件后处理分析等分析系统。该试验的系统的研发为开展相关模型试验提供了技术可行的试验基础，并积累了相关经验供后续研究借鉴。
　　4)基于透明土先后开展了盾构法隧道未注浆段与注浆段对比试验、注浆压力对比试验，分析了透明土地层的沉降情况和注浆浆液的填充和扩散情况等。结果表明:注浆段地层沉降位移较未注浆段明显减小;提高注浆压力会减小地层的沉降，但过大的注浆压力会导致地层隆起;注浆压力越大浆液的填充性越好、扩散范围也越大;但是，在同种注浆压力下浆液的扩散范围基本不随隧道埋深的变化而改变。试验结果和结论可为盾构隧道壁后注浆地层变形控制和工艺改进等提供有益参考。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 人工合成透明土技术研究现状

1．3 基于数字照相变形量测技术的模型试验研究现状

1．4 盾构隧道模型试验的研究现状

1．5 本文研究的内容和意义

1．5．1 盾构施工引起地层变形机理分析

1．5．2 本文主要研究内容

1．5．3 本文研究内容的可行性论证

2 人工合成透明土的配制

2．1 合成透明土基于光学的基本原理

2．1．1 物质透明的光学分析

2．2 透明土体固体颗粒材料

2．2．1 透明土颗粒材料的要求

2．2．2 模拟自然土体的颗粒材料

2．2．3 透明土颗粒材料的选择

2．2．4 透明土颗粒材料的折射率

2．3 透明土体空隙流体材料的选择

2．3．1 模拟孔隙流体材料的要求

2．3．2 模拟天然土体孔隙流体的液体

2．3．3 透明土孔隙流体的折射率

2．3．4 透明土孔隙流体的选择

2．4 人工合成透明土体的配制

2．4．1 透明土颗粒材料

2．4．2 透明土间隙流体配制

2．4．3 透明土试样的具体制备

2．4．4 透明土试样配制过程应注意的问题

2．5 本章小结

3 人工合成透明土的土性试验

3．1 人工合成透明砂土的基本物理实验

3．1．1 筛分试验

3．1．2 粗颗粒土相对密度试验

3．1．3 比重试验

3．1．4 含水率

3．2 人工合成透明砂土的压缩试验

3．2．1 试验过程

3．2．2 试验结果及分析

3．3 人工合成透明砂土的直剪试验

3．3．1 试验过程

3．3．2 计算及试验结果分析

3．4 人工合成透明砂土的三轴试验

3．4．1 三轴压缩试验仪

3．4．2 试样制备及试验参数设置

3．4．4 三轴试验结果及分析

3．5 人工合成透明砂土与常规砂土差异分析

3．6 本章小结

4 盾构壁后同步注浆浆液

4．1 注浆浆液

4．1．1 单液型浆液

4．1．2 双液型浆液(水玻璃类)

4．1．3 浆液注浆方式

4．1．4 注浆浆液的选择

4．2 浆液流型及浆液变形

4．2．1 浆液流型

4．2．1 浆体变形

4．3 浆液的扩散阶段

4．3．1 填充注浆阶段

4．3．2 渗透注浆阶段

4．3．3 压密注浆阶段

4．3．4 劈裂注浆阶段

4．4 注浆压力

4．4．1 注浆压力与上覆土的关系

4．4．2 注浆压力对地层的劈裂

4．4．3 注浆压力与盾构前方泥水压力关系

4．4．5 注浆压力的分布形式

4．4．4 注浆压力对管片衬砌的影响

4．4．4 模型试验中注浆压力的测定方法

4．5 注浆量

4．5．1 注浆量计算

4．5．2 注浆率和间隙填充率

4．5．3 注浆速率

4．5．4 本模型试验注浆量计算

4．6 本章小结

5 物理模型试验相似理论

5．1 模型试验概述

5．2 物理模型试验的基本理论分析

5．2．1 物理模型试验相似理论基本概念

5．2．2 相似三定律

5．2．3 模型试验需解决的三个问题

5．2．4 相似判据导出

5．3 本盾构壁后注浆模型试验平台总相似度计算方法

5．3．1 相似元及权重分析

5．3．1 模型总体相似度的判定方法

5．4 本模型试验选取试验材料及参数说明

5．5 本章小节

6 基于透明土盾构壁后注浆模型试验系统设计

6．1 试验系统概述

6．2 试验箱及推进系统设计

6．2．1 模型箱设计

6．3 注浆系统

6．3．1 注浆压力数据采集说明

6．4 数据采集系统

6．4．1 图像数据采集原理

6．4．1 激光器

6．4．2 CCD工业数字相机

6．5 数据分析系统

6．5．1 数字图像处理理论

6．5．2 数字图像技术在PIV中应用

6．5．2 PIV软件简介

6．6 本章小结

7 盾构壁后同步注浆模型试验初步研究

7．1 参数标定确认

7．1．1 浆液特性试验确定

7．1．2 注浆压力的标定

7．1．3 CCD相机标定

7．2 盾构掘进及壁后注浆试验方案设计

7．2．1 试验方案设计

7．3 盾构掘进及壁后注浆模型试验结果分析

7．3．1 纵向地层沉降位移分析

7．3．2 横向地层沉降位移分析

7．4 注浆浆液填充扩散情况分析

7．4．1 不同注浆压力下纵向地层沉降位移分析

7．4．2 浆液扩散情况分析

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．1 展望

参考文献

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