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

तकनीकी सारांश: सैंड-ओवर-क्ले (रेत-ऊपर-मिट्टी) मिश्रित भू-भाग में उथले दबे हुए टनल चेहरों के लिए सीमा समर्थन दबाव और महत्वपूर्ण कवर-टू-डायमीटर अनुपात

समस्या विवरण
शहरी वातावरण में उथले दबे हुए टनल तेजी से जटिल मिश्रित भू-भाग स्थितियों का सामना कर रहे हैं, विशेष रूप से सैंड-ओवर-क्ले (रेत-ऊपर-मिट्टी) स्तर विन्यास में। सजातीय (homogeneous) भू-भाग के विपरीत, ये स्तरित प्रणालियाँ विरोधाभासी शक्ति और विरूपण विशेषताओं को प्रदर्शित करती हैं जो टनल फेस की स्थिरता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती हैं। जबकि मौजूदा शोध ने सजातीय रेतीली या मिट्टी वाली मिट्टी में टनल फेस स्थिरता को संबोधित किया है, और कुछ अध्ययनों ने स्तरित भू-भाग का परीक्षण किया है, सैंड-ओवर-क्ले मिश्रित भू-भाग में विशिष्ट विफलता तंत्र (failure mechanisms), अर्थ-प्रेशर रिलीज पैटर्न, और वैश्विक से स्थानीय विफलता मोड के बीच संक्रमण को समझने में एक अंतराल बना हुआ है। विशेष रूप से, रेत और मिट्टी की परतों के बीच विरूपण अंतर का व्यवस्थित तुलनात्मक अध्ययन, मृदा-परत इंटरफेस स्थिति (केंद्र बनाम क्राउन) के सापेक्ष प्रगतिशील विफलता प्रक्रिया, और विभिन्न कतरनी शक्ति (shear strength) के तहत महत्वपूर्ण कवर-टू-डायमीटर अनुपात ($C/D$) के लिए एक मात्रात्मक मानदंड का अभाव है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन ने भौतिक मॉडलिंग और संख्यात्मक सिमुलेशन को संयोजित करते हुए एक बहुआयामी दृष्टिकोण अपनाया:

1. सेंट्रीफ्यूज मॉडल परीक्षण: TLJ-3 जियोटेक्निकल सेंट्रीफ्यूज का उपयोग करके 60g पर आयोजित किए गए। चार परीक्षण मामले 6 मीटर प्रोटोटाइप व्यास वाले टनल के लिए डिजाइन किए गए थे। मृदा-परत इंटरफेस को या तो टनल फेस के केंद्र में या टनल क्राउन पर स्थित किया गया था, जिसमें कवर-टू-डायमीटर अनुपात ($C/D$) 0.8 और 1.2 रखे गए थे।
2. निगरानी तकनीकें: मृदा विस्थापन क्षेत्रों और विफलता क्षेत्र के विकास का विश्लेषण करने के लिए पार्टिकल इमेज वेलोसिटीमेट्री (PIV) का उपयोग किया गया। फेस रिट्रैक्शन (चेहरा पीछे हटना) को मापने के लिए लेजर विस्थापन सेंसर का उपयोग किया गया, और टनल फेस तथा फेस के आगे की मिट्टी के भीतर स्ट्रेस रिलीज की निगरानी के लिए अर्थ प्रेशर सेल्स का उपयोग किया गया।
3. थ्री-डायमेंशनल लोअर-बाउंड फाइनाइट-एलिमेंट लिमिट एनालिसिस: स्थिरता के लिए आवश्यक न्यूनतम समर्थन दबाव निर्धारित करने के लिए एक संख्यात्मक मॉडल विकसित किया गया। इस पद्धति ने संतुलन, सीमा स्थितियों और मोहर-कूलम्ब यील्ड मानदंड को संतुष्ट करने वाले सांख्यिकीय रूप से स्वीकार्य स्ट्रेस फील्ड का उपयोग किया। इसका उपयोग प्रयोगात्मक परिणामों को मान्य करने और ऊपरी रेत परत के आंतरिक घर्षण कोण ($\phi$) पर पैरामीट्रिक विश्लेषण करने के लिए किया गया था।

प्रमुख योगदान और परिणाम

• विफलता तंत्र और इंटरफेस स्थिति:

  • जब मृदा-परत इंटरफेस टनल फेस के केंद्र को काटता था, तो अस्थिरता मुख्य रूप से ऊपरी रेत की परत द्वारा नियंत्रित होती थी। विफलता क्षेत्र ऊपर और बाहर की ओर फैलता था, जो अंततः जमीनी सतह तक पहुँच जाता था (वैश्विक विफलता)।
  • जब इंटरफेस टनल क्राउन पर स्थित था, तो निचली मिट्टी की परत विफलता क्षेत्र के ऊपर की ओर प्रसार को प्रभावी ढंग से प्रतिबंधित करती थी। इन मामलों में, विफलता क्षेत्र फेस के आगे लगभग 1.5 टनल व्यास के भीतर सीमित रहा, और 30 मिमी के फेस रिट्रैक्शन पर भी कोई निरंतर विफलता सतह नहीं बनी।

• प्रगतिशील विफलता चरण:
  फेस रिट्रैक्शन प्रक्रिया को तीन अलग-अलग चरणों में पहचाना गया:

  1. स्थानीय विरूपण (Local Deformation): फेस के पास केंद्रित।
  2. प्रगतिशील विफलता (Progressive Failure): निरंतर अर्थ-प्रेशर रिलीज के साथ विस्थापन क्षेत्र का ऊपर और बाहर की ओर प्रसार।
  3. अवशिष्ट स्थिरता (Residual Stability): समर्थन दबाव का स्थिरीकरण और एक निरंतर विस्थापन बैंड का निर्माण।
     मामले D1 और D2 लगभग 10 मिमी के फेस रिट्रैक्शन पर सीमा अवस्था (limit state) तक पहुँच गए।

• अर्थ-प्रेशर रिलीज और समर्थन दबाव:

  • रेत की परत में अर्थ-प्रेशर रिलीज मिट्टी की परत की तुलना में काफी अधिक था। उदाहरण के लिए, केस D1 में, स्ट्रेस रिलीज अनुपात रेत की परत में 66% और मिट्टी की परत में 56% तक पहुँच गया।
  • विफलता मामलों के लिए सीमा समर्थन दबाव क्रमशः 12.7 kPa (D1, $C/D=0.8$) और 13.4 kPa (D2, $C/D=1.2$) थे। $C/D$ को 0.8 से बढ़ाकर 1.2 करने से केवल 5.5% की वृद्धि हुई, जो इस विशिष्ट इंटरफेस कॉन्फ़िगरेशन के लिए कवर गहराई के प्रति सीमित संवेदनशीलता का सुझाव देता है।
  • मामले D3 और D4 (क्राउन पर इंटरफेस) परीक्षण सीमा के भीतर सीमा अवस्था तक नहीं पहुँचे, जहाँ समर्थन दबाव अनुपात 0.85 से ऊपर रहा।

• संख्यात्मक सत्यापन:
  थ्री-डायमेंशनल लोअर-बाउंड लिमिट एनालिसिस ने सेंट्रीफ्यूज टेस्ट परिणामों के साथ 10% से कम के विचलन के साथ सीमा समर्थन दबाव दिए (D1 के लिए −9.4% और D2 के लिए −4.5%)। संख्यात्मक मॉडल ने विफलता विशेषताओं को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया और पुष्टि की कि जब मिट्टी की परत टनल फेस के नीचे स्थित होती है, तो वह एक स्थिर प्रभाव प्रदान करती है।

• महत्वपूर्ण कवर-टू-डायमीटर अनुपात:
  पैरामीट्रिक विश्लेषण ने ऊपरी रेत परत के आंतरिक घर्षण कोण ($\phi$) और वैश्विक से स्थानीय विफलता में संक्रमण के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण $C/D$ अनुपात के बीच एक मजबूत संबंध प्रकट किया।

  • जैसे-जैसे $\phi$ 15° से बढ़कर 35° हुआ, महत्वपूर्ण $C/D$ घटकर 2.20 से 1.10 हो गया।
  • एक लीनियर रिग्रेशन ने संबंध स्थापित किया: $(C/D)_{crit} = 3.02 - 0.056\phi$, जिसका निर्धारण गुणांक $R^2 = 0.995$ है।
  • रेत की परत में उच्च कतरनी शक्ति (shear strength) मृदा-आर्चिंग प्रभाव को बढ़ाती है, जिससे विफलता क्षेत्र कम कवर गहराई पर फेस के सामने बंद हो जाता है।

महत्व
लेखक कहते हैं कि ये निष्कर्ष सैंड-ओवर-क्ले कंपोजिट ग्राउंड में निर्मित उथले दबे हुए टनल में टनल-फेस सपोर्ट मापदंडों को निर्धारित करने और वैश्विक विफलता के जोखिम का आकलन करने के लिए एक संदर्भ प्रदान करते हैं। यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि मृदा-परत इंटरफेस की स्थिति विफलता मोड के लिए एक नियंत्रक कारक है और वैश्विक से स्थानीय विफलता में संक्रमण को आंतरिक घर्षण कोण और कवर गहराई के आधार पर मात्रात्मक रूप से अनुमानित किया जा सकता है। सत्यापित लोअर-बाउंड लिमिट एनालिसिस विधि समान जटिल भू-भाग स्थितियों में संभावित यील्ड ज़ोन और विफलता मोड की पहचान करने के लिए एक विश्वसनीय उपकरण प्रदान करती है।