دانلود رایگان مقاله مدل سازی فیزیکی تونل ها در زمین نرم: نقد و بررسی

چکیده
مدل سازی فیزیکی در مطالعات مربوط به حفاری تونل ها در خاک نرم نقش مهمی ایفا کرده است. تکنیک های متنوعی از مدل سازی توسط محققان در سراسر جهان به منظور مطالعه ی زمین جهت تونل زنی ایجاد گشته اند. این تکنیک ها از بررسی های زمین توسط دریچه های دوبٌعدی تا دستگاه های کوچک حفاری تونل متغیر هستند که روند حفاری تونل و تاسیسات خطی در داخل یک سانتریفیوژ را شبیه سازی می کنند. این مقاله یک بررسی از مدل های فیزیکی منتخب ارائه می دهد که در تحقیقات تونل زنی در خاک نرم توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته اند. علاوه بر این، مقاله ی حاضر در مورد برخی از روش های مختلف بحث خواهد کرد که برای ثبت تغییر شکل خاک و شکست مکانیسم های ناشی از تونل زنی استفاده می شوند. مقدمات تجربی و نتایج نمونه برای هر کدام از تکنیک ها همانند اصل آنها عرضه می-گردند. خلاصه ای از مزایا و معایب هر یک از روش ها نیز ارائه می شود.
5. خلاصه و نتیجه گیری
مدل سازی فیزیکی تونل ها در خاک نرم یک بخش ضروری از تجزیه و تحلیل و طراحی آنهاست. مدل های فیزیکی اطلاعاتی را فراهم می کنند که می توانند مدل های عددی را اعتبار بخشیده و آنها را کالیبره کنند. در طول چند دهه، محققان زیادی در سراسر جهان تکنیک های گوناگونی را برای شبیه سازی روند حفاری تونل توسعه داده و اجرا کرده اند. آزمون هایی در مقیاسِ کوچک تر تحت شرایط 1g، کنترل کاملی بر روی روش حفاری فراهم می کنند. با این حال، آنها به دقت شرایط فشار واقع در محل را شبیه سازی نمی کنند. آزمایش سانتریفیوژ، شبیه-سازی واقع گرایانه تری از فشار در محل را ممکن می سازد ولی روند ساخت تونل (برای فهم بهتر) می بایست ساده تر ارائه گردد. روش های مختلفی برای شبیه سازی فرایند ساخت تونل در خاک نرم توسعه یافته اند. خاک قوسی شکل اطراف تونل های حفاری شده با موفقیت توسط روش استفاده از دریچه، شبیه سازی شده است. فشار عمودی همانند جابجایی های سطحی می تواند توسط دریچه های کاهنده در شرایط 2D و 3D بررسی شود. ثبات نمای تونل را می توان به وسیله ی استفاده از یک لوله ی سفت و سخت با غشای انعطاف پذیر بر روی نما بررسی کرد. بررسی حفاری تونل به اتمام می رسد؛ که در نمونه ی حاضر این امر با کاهش فشار هوا در داخل تونل و نظارت بر حرکات خاک محقق گردید. روش های دیگری از جمله هسته ی پلی استایرنِ قابل حل توفیقاتی به دنبال داشت، با این حال، نشست سطح تونل یکسان نبود. اضافه بر این، نتایج آزمایش زمانی که حفاری در زیر آب صورت می گرفت راضی کننده نبود. تکنیک های مبتنی بر دست یا چال زنیِ مکانیکی برای نشان دادن چگونگی حفاری تونل و پیشبرد عملیات، واقع-بینانه تر به نظر می رسد اما مکانیزه کردن این کار در سانتریفیوژ بسیار گران تمام می شود. بنابراین، تحقیقات تجربی بیشتری برای افزایش تکنیک های موجود و توسعه ی روش های جدید مورد نیاز است که شبیه سازی ساختمان واقعی تونل را ممکن می سازد. جدول 1 خلاصه ای از مزایا و معایب تکنیک های مدل سازی فوق الذکر را عرضه می نماید.

Abstract

Physical modeling has played an important role in studies related to excavation of tunnels in soft ground. A variety of modeling techniques have been developed by researchers all over the world to study ground response to tunneling. These techniques range from the two-dimensional trap door tests to the miniature tunnel boring machines that simulate the process of tunnel excavation and lining installation in a centrifuge. This paper presents a review of selected physical models that have been developed and used in soft ground tunneling research. Furthermore, this paper discusses some of the various approaches used to record soil deformation and failure mechanisms induced by tunneling. Experimental setups and sample results are presented for each technique as described by original authors. A summary of the advantages and disadvantages of each method is also presented.

5. Summary and conclusions

Physical modeling of soft ground tunnels is an essential part of the analysis and design of tunnels. Physical models can provide data that can validate and calibrate numerical models. For several decades, numerous researchers around the world have developed and implemented a variety of techniques to simulate the tunnel excavation process. Reduced scale tests under 1g conditions provide full control over the excavation method. However, they do not accurately simulate the in situ stress conditions. Centrifuge testing makes a more realistic simulation of in situ stresses possible but the tunnel construction process has to be simplified. Different methods have been developed to simulate the process of tunnel construction in soft ground. Soil arching around excavated tunnels has been successfully simulated using the trap door method. Vertical stresses as well as surface displacements can be investigated by lowering a trap door under 2D or 3D conditions. Stability of the tunnel face can be investigated using a rigid tube with flexible membrane at the face. Tunnel excavation is simulated, in this case, by reducing the air pressure inside the tunnel and monitoring the soil movements. Other methods include the dissolvable polystyrene core showed some success; however, the tunneling induced surface settlement was not uniform. In addition test results were less satisfactory when the excavation was made under water. Techniques based on hand or mechanical augering to represent tunnel excavation and progressive face advance seem more realis- tic, however, mechanizing the test in the centrifuge is very expensive. Further experimental research is, therefore, needed to enhance the existing techniques and to develop new methods that allow one to simulate actual tunnel construction. Table 1 summarizes the advantages and disadvantages of the modeling techniques discussed above.