盾构竖井垂直顶管顶升力模型试验及离散元分析

摘要

研制室内试验装置,开展盾构竖井垂直顶升施工的模型试验,分析顶管上覆土层的破坏机制、形态,揭示顶升力计算的土层合理破坏范围.借助离散元模拟顶管顶升过程,与试验结果进行对比分析,并探讨顶升力主要的影响因素,提出顶升力的估算方法.研究结果表明:在顶管顶升阶段,上覆土经历挤压剪切—局部破坏开裂与延伸—破坏面贯通—裂隙发展—形成土柱—土层重分布—填充裂隙的过程.上覆土破坏面具有典型的非线性特征,呈三次函数分布,现有研究假定破坏面沿特定倾角线性分布不合理.破坏面贯通前,顶升力显著增大,顶升至h/16(h为顶升高度)时出现最大值,随后土层剪切破坏,顶升力迅速减小并逐渐趋于稳定.实际上覆土层破坏范围比经验取值的大,试验顶升力较经验计算值大46.23％～83.05％,可见按经验法计算顶升力明显偏小.离散元分析结果表征了顶管上覆土层的破坏形态,破坏范围、顶升力与试验结果相吻合,说明利用离散元模拟顶管垂直顶升可行.不同因素对顶升力的影响程度由大到小依次为上覆土层深度、黏聚力、摩擦角,顶升力与上覆土层深度近似满足二次抛物线关系,与黏聚力及摩擦角则呈同向线性关系.基于上覆土层的破坏形态和顶升力主要因素的影响特征,提出顶升力2种估算思路,并由实例验证其可行性.