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

Technische Samenvatting: Limietondersteuningsdruk en Kritische Dekking-Diameterverhouding van Ondiep Gelegen Tunnelfronten in Zand-op-Klei Composietgrond

Probleemstelling
Ondiep gelegen tunnels in stedelijke omgevingen stuiten steeds vaker op complexe composietgrondcondities, specifiek zand-op-klei stratigrafie. In tegenstelling tot homogene grond, vertonen deze gelaagde systemen contrasterende sterkte- en vervormingskenmerken die de stabiliteit van het tunnelfront aanzienlijk beïnvloeden. Terwijl bestaand onderzoek de stabiliteit van het tunnelfront in homogene zand- of kleigrond heeft behandeld, en sommige studies gelaagde grond hebben onderzocht, blijft er een hiaat in het begrip van de specifieke faalmechanismen, patronen van aarddrukontlasting en de overgang van globale naar lokale faalmodi in zand-op-klei composietgrond. Met name systematische vergelijkingen van vervormingsverschillen tussen zand- en kleilagen, het progressieve faalproces relatief aan de positie van de bodemlaaginterface (centrum versus kruin) en een kwantitatief criterium voor de kritische dekking-diameterverhouding ($C/D$) onder variërende afschuifsterktes, ontbreken.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een veelzijdige aanpak waarbij fysieke modellering en numerieke simulatie werden gecombineerd:

1. Centrifuge-modeltests: Uitgevoerd bij 60g met een TLJ-3 geotechnische centrifuge. Vier testgevallen werden ontworpen met een prototype tunneldiameter van 6 m. De bodemlaaginterface werd gepositioneerd ofwel in het centrum van het tunnelfront, ofwel bij de tunnelkruin, met dekking-diameterverhoudingen ($C/D$) van 0,8 en 1,2.
2. Monitoringstechnieken: Particle Image Velocimetry (PIV) werd gebruikt om de bodemverplaatsingsvelden en de evolutie van de faalzone te analyseren. Laserverplaatsingssensoren maten de frontretractie, terwijl aarddrukcellen de spanningsontlasting bij het tunnelfront en binnen de grond vóór het front monitorden.
3. Driedimensionale Lower-Bound Eindige-Elementen Limietanalyse: Een numeriek model werd ontwikkend om de minimale ondersteuningsdruk te bepalen die vereist is voor stabiliteit. Deze methode maakte gebruik van statisch toelaatbare spanningsvelden die voldoen aan evenwicht, randvoorwaarden en het Mohr-Coulomb vloeicriterium. Het werd gebruikt om experimentele resultaten te valideren en een parametrische analyse uit te voeren op de interne wrijvingshoek ($\phi$) van de bovenste zandlaag.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Faalmechanismen en Interfacepositie:

  • Wanneer de bodemlaaginterface het centrum van het tunnelfront kruiste, werd de instabiliteit primair bepaald door de bovenste zandlaag. De faalzone plantte zich naar boven en buiten voort, en bereikte uiteindelijk het grondoppervlak (globale faal).
  • Wanneer de interface zich bij de tunnelkruin bevond, beperkte de onderliggende kleilaag de opwaartse voortplanting van de faalzone effectief. In deze gevallen bleef de faalzone geconcentreerd binnen ongeveer 1,5 tunneldiameters vóór het front, en vormde zich zelfs bij een frontretractie van 30 mm geen continue faalvlak.

• Progressieve Faalstadia:
  Het proces van frontretractie werd geïdentificeerd in drie afzonderlijke stadia:

  1. Lokale Vervorming: Geconcentreerd nabij het front.
  2. Progressieve Faal: Opwaartse en zijwaartse voortplanting van de verplaatsingszone met continue aarddrukontlasting.
  3. Residuele Stabiliteit: Stabilisatie van de ondersteuningsdruk en vorming van een continue verplaatsingsband.
     Gevallen D1 en D2 bereikten de limiettoestand bij een frontretractie van ongeveer 10 mm.

• Aarddrukontlasting en Ondersteuningsdruk:

  • De aarddrukontlasting in de zandlaag was aanzienlijk groter dan in de kleilaag. Bijvoorbeeld, in geval D1 bereikte de spanningsontlastingsratio 66% in de zandlaag versus 56% in de kleilaag.
  • De limietondersteuningsdrukken voor de faalgevallen waren 12,7 kPa (D1, $C/D=0,8$) en 13,4 kPa (D2, $C/D=1,2$). Het verhogen van $C/D$ van 0,8 naar 1,2 resulteerde in slechts een toename van 5,5% in de limietondersteuningsdruk, wat wijst op een beperkte gevoeligheid voor de dekking diep binnen dit specifieke bereik voor deze interfaceconfiguratie.
  • Gevallen D3 en D4 (interface bij de kruin) bereikten geen limiettoestand binnen het testbereik, waarbij de ondersteuningsdrukratio's boven 0,85 bleven.

• Numerieke Validatie:
  De driedimensionale lower-bound limietanalyse leverde limietondersteuningsdrukken op met afwijkingen van minder dan 10% vergeleken met de centrifuge-testresultaten (−9,4% voor D1 en −4,5% voor D2). Het numerieke model reproduceerde succesvol de faalkarakteristieken en bevestigde dat de kleilaag een stabiliserend effect biedt wanneer deze onder het tunnelfront is gelegen.

• Kritische Dekking-Diameterverhouding:
  Parametrische analyse onthulde een sterke relatie tussen de interne wrijvingshoek ($\phi$) van de bovenste zandlaag en de kritische $C/D$-verhouding die nodig is voor de overgang van globale naar lokale faal.

  • Naarmate $\phi$ toenam van 15° naar 35°, nam de kritische $C/D$ af van 2,20 naar 1,10.
  • Een lineaire regressie stelde een relatie vast: $(C/D)_{crit} = 3,02 - 0,056\phi$, met een determinatiecoëfficiënt $R^2 = 0,995$.
  • Een hogere afschuifsterkte in de zandlaag versterkt het bodemboogeffect, waardoor de faalzone bij kleinere dekdieptes vóór het front kan sluiten.

Significantie
De auteurs stellen dat deze bevindingen een referentie bieden voor het bepalen van de ondersteuningsparameters van het tunnelfront en het beoordelen van het risico op globale faal bij ondiep gelegen tunnels die worden gebouwd in zand-op-klei composietgrond. De studie benadrukt dat de positie van de bodemlaaginterface een bepalende factor is voor de faalmodi en dat de overgang van globale naar lokale faal kwantitatief kan worden voorspeld op basis van de interne wrijvingshoek en de dekking. De gevalideerde lower-bound limietanalyse methode biedt een betrouwbaar instrument voor het identificeren van potentiële bezette zones en faalmodi in soortgelijke complexe grondomstandigheden.