Limit Support Pressure and Critical Cover-to-Diameter Ratio of Shallow-Buried Tunnel Faces in Sand-over- Clay Composite Ground

ملخص تقني: ضغط الدعم الحدي ونسبة الغطاء إلى القطر الحرجة لواجهات الأنفاق ضحلة الدفن في التربة المركبة من الرمل فوق الطين

بيان المشكلة
تواجه الأنفاق ضحلة الدفن في البيئات الحضرية بشكل متزايد ظروف تربة مركبة معقدة، وتحديداً طبقات الرمل فوق الطين. وخلافاً للتربة المتجانسة، تظهر هذه الأنظمة الطبقية خصائص متباينة في المقاومة والتشوه تؤثر بشكل كبير على استقرار وجه النفق. وبينما تناولت الأبحاث الحالية استقرار وجه النفق في التربة الرملية أو الطينية المتجانسة، وفحصت بعض الدراسات التربة الطبقية، لا يزال هناك فجوة في فهم آليات الفشل المحددة، وأنماط تحرر ضغط التربة، والانتقال من أنماط الفشل العالمي إلى الفشل المحلي في التربة المركبة من الرمل فوق الطين. وبشكل أكثر تحديداً، تفتقر الدراسات إلى مقارنات منهجية لاختلافات التشوه بين طبقتي الرمل والطين، وعملية الفشل التدريجي بالنسبة لموقع واجهة الطبقة (المركز مقابل التاج)، ومعيار كمي لنسبة الغطاء إلى القطر الحرجة ($C/D$) تحت تأثير قوى قص متفاوتة.

المنهجية
استخدمت هذه الدراسة نهجاً متعدد الأوجه يجمع بين النمذجة الفيزيائية والمحاكاة العددية:

1. اختبارات النماذج المركزية (Centrifuge Model Tests): أُجريت عند قوة 60g باستخدام جهاز الطرد المركزي الجيوتقني TLJ-3. تم تصميم أربع حالات اختبار لقطر نموذج نفق يبلغ 6 أمتار. تم وضع واجهة طبقة التربة إما عند مركز وجه النفق أو عند تاج النفق، مع نسب غطاء إلى قطر ($C/D$) بلغت 0.8 و1.2.
2. تقنيات المراقبة: استُخدمت تقنية قياس سرعة الصور الجسيمية (PIV) لتحليل مجالات إزاحة التربة وتطور منطقة الفشل. وقامت مستشعرات الإزاحة بالليزر بقياس تراجع الوجه، بينما راقبت خلايا ضغط التربة تحرر الإجهاد عند وجه النفق وداخل التربة أمام الوجه.
3. التحليل الحدّي للعناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد من الحد الأدنى: تم تطوير نموذج عددي لتحديد الحد الأدنى لضغط الدعم المطلوب للاستقرار. استخدمت هذه الطريقة مجالات إجهاد مقبولة استاتيكياً تحقق التوازن، والشروط الحدودية، ومعيار موهر-كولوم للانهيار. وقد استُخدمت للتحقق من النتائج التجريبية وإجراء تحليل بارامتري لزاوية الاحتكاك الداخلي ($\phi$) لطبقة الرمل العلوية.

المساهمات والنتائج الرئيسية

• آليات الفشل وموقع الواجهة:

  • عندما تقاطعت واجهة طبقة التربة مع مركز وجه النفق، كان عدم الاستقرار محكوماً بشكل أساسي بطبقة الرمل العلوية. انتشرت منطقة الفشل نحو الأعلى والخارج، لتصل في النهاية إلى سطح الأرض (فشل عالمي).
  • عندما كان الموقع عند تاج النفق، عملت طبقة الطين السفلية بفعالية على تقييد الانتشار الصاعد لمنطقة الفشل. وفي هذه الحالات، ظلت منطقة الفشل محصورة ضمن حوالي 1.5 من أقطار النفق أمام الوجه، ولم يتشكل سطح فشل مستمر حتى عند تراجع الوجه بمقدار 30 مم.

• مراحل الفشل التدريجي:
  تم تحديد عملية تراجع الوجه بأنها تحدث في ثلاث مراحل متميزة:

  1. التشوه المحلي: يتركز بالقرب من الوجه.
  2. الفشل التدريجي: انتشار منطقة الإزاحة نحو الأعلى والخارج مع تحرر مستمر لضغط التربة.
  3. الاستقرار المتبقي: استقرار ضغط الدعم وتكون حزمة إزاحة مستمرة.
     وصلت الحالتان D1 وD2 إلى الحالة الحدية عند تراجع الوجه بمقدار 10 مم تقريباً.

• تحرر ضغط التربة وضغط الدعم:

  • كان تحرر ضغط التربة في طبقة الرمل أكبر بكثير منه في طبقة الطين. فعلى سبيل المثال، في الحالة D1، وصلت نسبة تحرر الإجهاد إلى 66% في طبقة الرمل مقابل 56% في طبقة الطين.
  • بلغت ضغوط الدعم الحدية لحالات الفشل 12.7 كيلو باسكال (D1, $C/D=0.8$) و13.4 كيلو باسكال (D2, $C/D=1.2$). أدت زيادة $C/D$ من 0.8 إلى 1.2 إلى زيادة بنسبة 5.5% فقط في ضغط الدعم الحدي، مما يشير إلى حساسية محدودة لعمق الغطاء ضمن هذا النطاق المحدد لهذا التكوين من الواجهة.
  • لم تصل الحالتان D3 وD4 (الواجهة عند التاج) إلى حالة حدية ضمن نطاق الاختبار، حيث ظلت نسب ضغط الدعم فوق 0.85.

• التحقق العددي:
  أظهر التحليل الحدّي للحد الأدنى ثلاثي الأبعاد انحرافات تقل عن 10% في ضغوط دعم الحد مقارنة بنتائج اختبار الطرد المركزي (−9.4% لـ D1 و−4.5% لـ D2). نجح النموذج العددي في إعادة إنتاج خصائص الفشل وأكد أن طبقة الطين توفر تأثيراً استقرارياً عندما تقع أسفل وجه النفق.

• نسبة الغطاء إلى القطر الحرجة:
  كشف التحليل البارامتري عن علاقة قوية بين زاوية الاحتكاك الداخلي ($\phi$) لطبقة الرمل العلوية ونسبة $C/D$ الحرجة المطلوبة للانتقال من الفشل العالمي إلى الفشل المحلي.

  • مع زيادة $\phi$ من 15° إلى 35°، انخفضت $C/D$ الحرجة من 2.20 إلى 1.10.
  • أنشأ الانحدار الخطي علاقة: $(C/D)_{crit} = 3.02 - 0.056\phi$، مع معامل تحديد $R^2 = 0.995$.
  • تعزز قوة القص الأعلى في طبقة الرمل تأثير تقوس التربة (soil-arching effect)، مما يسمح لمنطقة الفشل بالانغلاق أمام الوجه عند أعماق غطاء أصغر.

الأهمية
يذكر المؤلفون أن هذه النتائج توفر مرجعاً لتحديد معاملات دعم وجه النفق وتقييم مخاطر الفشل العالمي في الأنفاق ضحلة الدفن المنفذة في التربة المركبة من الرمل فوق الطين. تسلط الدراسة الضوء على أن موقع واجهة طبقة التربة هو عامل متحكم في أنماط الفشل، وأن الانتقال من الفشل العالمي إلى الفشل المحلي يمكن التنبؤ به كمياً بناءً على زاوية الاحتكاك الداخلي وعمق الغطاء. كما توفر طريقة التحليل الحدّي للحد الأدنى التي تم التحقق منها أداة موثوقة لتحديد المناطق المحتملة للانهيار وأنماط الفشل في ظروف التربة المعقدة المماثلة.