Αριθμητική Διερεύνηση της Ευστάθειας Μετώπου Εκσκαφής Σήραγγας με Χρήση του Καταστατικού Προσομοιώματος Modified Cam - Clay

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της ευστάθειας και της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς ανυποστήρικτου μετώπου σήραγγας και της επίδρασης σε αυτές διαφόρων γεωτεχνικών και γεωμετρικών παραμέτρων του προβλήματος. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν τρισδιάστατες παραμετρικές αναλύσεις με τον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Abaqus, κατά τις οποίες προσομοιώθηκε η διάνοιξη κυκλικής σήραγγας εντός γεωυλικού του οποίου η μηχανική συμπεριφορά μπορεί να προσομοιωθεί με το καταστατικό προσομοίωμα Modified Cam - Clay. Στις αναλύσεις αυτές εξετάστηκε η επίδραση αφενός των γεωτεχνικών παραμέτρων του περιβάλλοντος γεωυλικού, όπως η αντοχή του και η παραμορφωσιμότητά του, και αφετέρου γεωμετρικών χαρακτηριστικών, όπως το ύψος των υπερκειμένων, στην εξέλιξη της έκθλιψης του μετώπου, με σκοπό την αποτίμηση της ευστάθειάς του σε όρους παραμορφωσιακούς. Ακολούθως, έγινε σύνδεση της μέσης κανονικοποιημένης έκθλιψης σε όλη την επιφάνεια του μετώπου ΩF,Area με τον συντελεστή ευστάθειας ΛF, για τον οποίο προτάθηκε νέος τρόπος έκφρασης και με βάση αυτόν προτάθηκε μια μεθοδολογία εκτίμησης του συντελεστή ασφαλείας FS. Με βάση την ανωτέρω διερεύνηση προέκυψε ότι κατά την εκσκαφή η διαδρομή των κυρίων τάσεων αντιστοιχεί σε αποφόρτιση, καθώς η τελική έκθλιψή του εξαρτάται σε πολύ σημαντικό βαθμό από την παράμετρο κ, η οποία εκφράζει την κλίση της καμπύλης αποφόρτισης στο επίπεδο v - lnp'. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι σε κανονικά στερεοποιημένο έδαφος, η πλαστικοποίηση του μετώπου είναι έντονη και η τελική του έκθλιψη εξαρτάται έντονα από την κλίση της γραμμής κρίσιμης κατάστασης Μ, η οποία συνδέεται με τη γωνία τριβής φ, και μάλιστα, όπως αναμενόταν, όσο καλύτερες είναι οι γεωτεχνικές συνθήκες, τόσο μικρότερη είναι η έκθλιψη. Σε ότι αφορά την επιρροή του ύψους των υπερκειμένων προέκυψε ότι για ίδιες παραμέτρους διατμητικής αντοχής η τελική τιμή της έκθλιψης του μετώπου αυξάνεται όσο μειώνεται το βάθος της σήραγγας. Αντίθετα, σε έντονα υπερστερεοποιημένα εδάφη με μεγάλο δείκτη προφόρτισης OCR, το μέτωπο συμπεριφέρεται ελαστικά, με την έκθλιψη να επηρεάζεται κυρίως από την παραμορφωσιμότητα του εδάφους, όντας τόσο μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερο το ύψος των υπερκειμένων. Όσον αφορά την ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής παρατηρήθηκε ότι σε κανονικά στερεοποιημένα ή ελαφρώς υπερστερεοποιημένα εδάφη (OCR<2) οι τιμές του συντελεστή ασφαλείας είναι μικρότερες της μονάδας, δηλαδή το μέτωπο εκσκαφής βρίσκεται στην ασταθή περιοχή. Αντίθετα, για έντονα υπερστερεοποιημένα εδάφη (OCR>2) ο συντελεστής ασφαλείας είναι μεγαλύτερος της μονάδας, μιλάμε, δηλαδή, για ευσταθές μέτωπο εκσκαφής.

The purpose of this diploma thesis is to investigate the stability conditions and deformational behavior of an unsupported tunnel face and to quantify the influence of various geotechnical and geometrical parameters of the problem. In doing so, three-dimensional numerical analyses were conducted using the finite element code Abaqus. The excavation of a circular tunnel is simulated while the mechanical behavior of the surrounding geomaterial is given by the Modified Cam-Clay. Through these analyses the effect of the geotechnical parameters of the surrounding geomaterial, such as its strength and deformability, and also the effect of tunnel overburden, in the extrusion of the excavation face, was examined. The outcome of the aforementioned analyses was used in quantifying the stability of the tunnel face in terms of face extrusion. In that respect, the average normalized extrusion ΩF,Area was related to the unsupported tunnel face stability factor ΛF. Finally, a methodology of assessing the factor of safety FS of an unsupported tunnel face is proposed. It can be concluded that during excavation the face area is unloaded with the final extrusion depending mainly on the value of parameter κ, the slope of the swelling curve on the v-lnp’ plane. Additionally, it was observed that in normally consolidated soils, excessive plastic deformation are accumulated in the face area and thus the face extrusion depends mainly on the slope of the critical state line M. As expected, the better the geotechnical conditions are, the smaller the extrusion is, while, as far as the depth of overburden is concerned, it was observed that under the same shear strength conditions, the calculated extrusion increases with decreasing tunnel depth. On the other hand, for heavily over-consolidated soils, the face area remains mainly within the elastic region, and thus its extrusion is primarily affected by the compressibility parameters and at the same time it increases with increasing tunnel depth. Regarding the stability of the excavation face, it was observed that in normally or slightly over-consolidated soils (OCR<2) the calculated factor of safety is in most of the cases below unity, corresponding to an unstable tunnel face, while the opposite trend is observed for heavily over-consolidated soils (OCR>2) that were found to mainly correspond to stable conditions.