盾構渣土經過土艙，由螺旋輸送機排出，是建立土壓平衡盾構土艙壓力的介質，其力學特性影響著盾構能否安全高效低碳地掘進。本書是專門研究盾構渣土力學及工程應用的著作，共24章內容，在第1章對盾構渣土力學基本問題陳述的基礎上，分三大篇介紹研究團隊針對盾構渣土力學及其在盾構隧道工程施工中應用的研究成果。第一篇盾構渣土力學，包含14章內容，從改良劑對黏土界限含水率的影響規律入手，分別介紹了盾構渣土塑流性、滲透性、壓縮性、剪切強度和黏附性，給出了相應的細觀力學機理，建立了滲透性、壓縮性、強度等力學理論模型。第二篇盾構掘進力學行為，包含4章內容，介紹了渣土改良下盾構掘進參數演化規律、盾構渣土滲透性及噴涌風險評估、掘進力學行為、地層響應特征。第三篇盾構渣土改良技術及其智能化，包括5章內容，介紹了盾構渣土塑流性調控技術及應用、富水砂性地層盾構渣土噴涌防控技術及應用、黏性地層盾構渣土結泥餅防控技術及應用、盾構渣土改良狀態評價方法及應用、盾構渣土改良參數機器學習及應用等研究成果。本書論述深入淺出，提供了必備的預備知識、圖片和案例，以利于讀者理解與掌握本書內容。
國期刊Journal of Testing and Evaluation（SCI檢索）編委、中國土木工程學會隧道及地下工程分會建設管理與青年工作專業委員會秘書長、地下鐵道專業委員會委員、土力學及巖土工程分會青委會委員
目錄
前言
符號表
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 渣土改良劑 3
1.3 盾構渣土力學的提出 7
1.3.1 盾構渣土的物理組成 7
1.3.2 盾構掘進對渣土特性的需求 8
1.3.3 盾構渣土力學問題 9
1.4 本書內容組織 10
參考文獻 13
第一篇 盾構渣土力學
第2章 改良劑作用下黏土界限含水率變化 19
2.1 引言 19
2.2 液塑限試驗 20
2.2.1 試驗材料 20
2.2.2 試驗方案 23
2.3 改良劑作用下黏土液塑限變化特征 27
2.3.1 改良劑與黏土相互作用的時間效應 27
2.3.2 改良劑作用下黏土液塑限變化 30
2.4 分散劑作用下黏土液塑限變化特征 31
2.4.1 不同分散劑作用下黏土液塑限變化 31
2.4.2 分散劑作用下不同黏土液塑限變化 32
2.4.3 分散劑與泡沫耦合作用下黏土液塑限變化 36
2.4.4 分散劑作用下結泥餅防控機理 36
2.5 改良劑作用機理 38
2.5.1 分散劑電化學作用機理 38
2.5.2 泡沫細觀作用機理 42
2.6 本章小結 43
參考文獻 44
第3章 盾構泡沫改良土塑流性 46
3.1 引言 46
3.2 試驗方案 47
3.2.1 試驗土樣 47
3.2.2 改良劑 48
3.2.3 塑流性測試 49
3.3 改良參數對渣土塑流性特征影響 51
3.3.1 泡沫注入比對渣土塑流性影響 51
3.3.2 泡沫改良土塑流狀態分類 52
3.4 盾構改良粗粒土塑流性特征 54
3.4.1 坍落度隨改良參數變化 55
3.4.2 延展度隨改良參數變化 56
3.4.3 坍落體平臺隨改良參數變化 57
3.5 盾構改良細粒土塑流性特征 58
3.5.1 坍落度隨改良參數變化 60
3.5.2 延展度隨改良參數變化 60
3.5.3 坍落體平臺隨改良參數變化 61
3.6 泡沫改良土塑流性變化機理 62
3.7 本章小結 64
參考文獻 65
第4章 盾構泡沫改良土塑流性細觀機理 68
4.1 引言 68
4.2 塑流性試驗 68
4.2.1 試驗材料 68
4.2.2 試驗裝置 70
4.3 泡沫改良土離散元數值模擬 71
4.3.1 模型建立 72
4.3.2 模型參數 74
4.4 泡沫改良土坍落體運動規律 74
4.4.1 縮尺坍落度試驗模型驗證 74
4.4.2 泡沫改良土坍落形態 75
4.5 泡沫對改良土顆粒接觸的影響 78
4.5.1 泡沫對改良土接觸數量的影響 78
4.5.2 泡沫對改良土配位數的影響 79
4.5.3 泡沫對改良土力鏈演化的影響 79
4.6 泡沫對改良土細觀力學特性的影響 82
4.6.1 泡沫對顆粒間接觸力方向的影響 82
4.6.2 泡沫對顆粒間接觸力量值的影響 83
4.7 本章小結 84
參考文獻 85
第5章 盾構泡沫改良土滲透性.86
5.1 引言 86
5.2 滲透試驗 87
5.2.1 試驗材料 87
5.2.2 試驗裝置 89
5.2.3 試驗步驟 90
5.3 泡沫改良土滲流規律及泡沫變化 91
5.3.1 泡沫改良土滲流規律 91
5.3.2 滲流中泡沫變化特征 94
5.4 改良參數對滲流性的影響 96
5.5 級配對滲流性的影響 98
5.5.1 泡沫改良土滲流特征.98
5.5.2 泡沫改良土滲流安全性評估 104
5.6 泡沫改良土滲透機理 108
5.7 本章小結 109
參考文獻 110
第6章 水壓力影響下盾構泡沫改良土滲透性 113
6.1 引言 113
6.2 水壓影響下滲透試驗 113
6.3 水壓影響下渣土滲流特征 115
6.3.1 水壓影響 115
6.3.2 水力梯度影響 117
6.4 多因素影響下泡沫改良土滲流特征 119
6.4.1 泡沫改良土滲流特征 119
6.4.2 水壓變化下不同級配泡沫改良土滲流特征 121
6.4.3 水壓變化下不同注入比泡沫改良土滲流特征 122
6.5 泡沫改良土抗滲機理 124
6.5.1 泡沫改良土中消泡規律 124
6.5.2 泡沫改良土抗滲機理 125
6.6 盾構泡沫改良土滲流簡化模型 126
6.6.1 簡化計算模型 126
6.6.2 泡沫改良土過流斷面分析 127
6.7 盾構渣土改良參數合適范圍討論.130
6.8 本章小結 132
參考文獻 133
第7章 盾構多添加劑組合改良土滲透性 134
7.1 引言 134
7.2 泡沫–泥漿組合改良粗粒土滲透試驗 135
7.2.1 試驗材料 135
7.2.2 試驗方法 136
7.3 泡沫–泥漿組合改良粗粒土滲流特征 137
7.3.1 滲透時變規律 137
7.3.2 水力梯度對滲流特征的影響規律 139
7.4 泡沫–泥漿組合改良適用性分析 141
7.5 高水壓條件下泡沫–泥漿組合改良土滲流特征 144
7.5.1 滲透時變規律 144
7.5.2 細粒遷移規律 147
7.5.3 水壓力影響 148
7.6 泡沫–泥漿–聚合物組合改良土試驗 150
7.7 泡沫–泥漿–聚合物組合改良土塑流性 151
7.8 泡沫–泥漿–聚合物組合改良土滲透性 152
7.9 泡沫–泥漿–聚合物合適組合改良探討 155
7.10 討論 156
7.10.1 膨潤土顆粒對泡沫改良增效分析 156
7.10.2 泡沫--泥漿--聚合物組合改良機理 157
7.11 本章小結 159
參考文獻 160
第8章 盾構泡沫改良土滲透性理論模型 164
8.1 引言 164
8.2 純泡沫滲流理論 165
8.2.1 單通道流速 166
8.2.2 單通道橫截面積 166
8.3 泡沫改良土有效滲流通道理論 168
8.4 常水頭下泡沫改良土初始滲透系數計算171
8.5 考慮水頭影響的初始滲透系數計算 171
8.5.1 水頭對泡沫改良土初始滲透系數的影響 172
8.5.2 水頭影響下初始滲透系數計算 172
8.6 初始滲透系數計算方法驗證 176
8.6.1 泡沫粒徑分布 176
8.6.2 方法計算效果驗證 177
8.7 泡沫改良土抗滲機理詮釋 178
8.7.1 土與泡沫相互作用 178
8.7.2 土顆粒對泡沫改良土抗滲影響 178
8.8 泡沫改良土初始穩定期計算 179
8.8.1 滲透性常量推導 179
8.8.2 滲透性常量求解 182
8.8.3 初始穩定期時長求解 182
8.9 初始穩定期計算方法驗證 183
8.10 初始穩定期計算方法應用 183
8.10.1 初始穩定期時長參考曲線 183
8.10.2 最佳細度與最佳孔隙率 184
8.10.3 臨界粒徑 185
8.11 本章小結 186
參考文獻 186
第9章 盾構泡沫改良土壓縮性 189
9.1 引言 189
9.2 壓縮性試驗 190
9.2.1 試驗裝置 190
9.2.2 試驗步驟 191
9.3 盾構改良粗粒土壓縮性.194
9.3.1 泡沫注入比對粗粒土壓縮性的影響 194
9.3.2 泡沫消散時間對粗粒土壓縮性的影響 199
9.4 盾構改良細粒土壓縮性 202
9.4.1 泡沫注入比對細粒土壓縮性的影響 202
9.4.2 泡沫消散時間對細粒土壓縮性的影響 205
9.5 級配影響下泡沫改良土壓縮性 207
9.5.1 控制粒徑的影響 207
9.5.2 曲率系數的影響 208
9.5.3 不均勻系數的影響 209
9.6 級配影響下泡沫改良土壓力變化 210
9.6.1 控制粒徑的影響 210
9.6.2 曲率系數的影響 211
9.6.3 不均勻系數的影響 212
9.7 泡沫改良土側向土壓力系數 214
9.8 有效應力–氣體控制過渡探究 216
9.9 泡沫改良土壓縮機理 219
9.10 合理壓縮性探討 223
9.11 本章小結 224
參考文獻 225
第10章 盾構泡沫改良土壓縮性理論模型 228
10.1 引言 228
10.2 泡沫改良土孔隙壓力計算模型.229
10.3 級配影響下孔隙壓力及壓縮性計算模型 231
10.3.1 孔隙壓力計算模型 231
10.3.2 壓縮性計算模型 232
10.3.3 孔隙壓力簡化計算模型 234
10.4 計算模型驗證 235
10.4.1 壓縮性計算模型驗證 235
10.4.2 孔隙壓力計算模型驗證 237
10.5 本章小結 239
參考文獻 240
第11章 盾構泡沫改良土強度特性 241
11.1 引言 241
11.2 不排水帶壓十字板剪切試驗 243
11.2.1 試驗材料 243
11.2.2 試驗裝置 245
11.2.3 試驗方案 246
11.3 泡沫改良粗粒土帶壓剪切大變形特征 249
11.4 泡沫注入比影響下改良粗粒土帶壓剪切強度變化 252
11.4.1 泡沫注入比對峰值剪切強度的影響 252
11.4.2 泡沫注入比對殘余剪切強度的影響 253
11.4.3 帶壓環境下泡沫對粗粒土的改良機理 254
11.5 土類型影響下改良土剪切強度變化 255
11.5.1 土類型對剪切滯滑的影響 255
11.5.2 土類型對峰值剪切強度的影響 256
11.5.3 土類型對殘余剪切強度的影響 257
11.6 泥漿注入比影響下組合改良粗粒土剪切強度變化 258
11.6.1 泥漿注入比對峰值與殘余剪切強度的影響 259
11.6.2 帶壓環境下膨潤土的增強改良機理 260
11.7 塑流性相同下不同改良土剪切強度差異性 261
11.8 剪切率影響下泡沫改良土超孔隙壓力和孔隙比變化 262
11.8.1 剪切率對超孔隙壓力的影響 262
11.8.2 剪切率對孔隙比的影響 263
11.8.3 剪切率的影響機理 264
11.9 剪切率影響下泡沫改良土剪切強度變化 265
11.9.1 剪切率對峰值剪切強度的影響 265
11.9.2 剪切率對殘余剪切強度的影響 266
11.9.3 剪切率的影響機理 267
11.9.4 剪切率對有效內摩擦角的影響.268
11.10 剪切大變形后泡沫改良土流體流變行為 269
11.10.1 豎向壓力與 FIR 影響下流變參數變化 269
11.10.2 有效應力影響下流變參數變化.271
11.11 本章小結 271
參考文獻 273
第12章 泡沫改良土強度理論模型 277
12.1 引言 277
12.2 常壓下泡沫改良土初始孔隙狀態參數求解 277
12.2.1 初始孔隙比求解 278
12.2.2 初始飽和度求解 279
12.3 不排水一維壓縮下孔隙比與孔隙壓力求解 279
12.3.1 基本假設 279
12.3.2 封閉氣相對泡沫改良土的細觀作用機理 280
12.3.3 e≧eth加載階段 282
12.3.4 e12.4 壓縮模型驗證與敏感性分析 284
12.4.1 模型參數校準 284
12.4.2 模型驗證 285
12.4.3 影響因素敏感性分析 287
12.5 有效應力與殘余剪切強度求解 290
12.5.1 剪切前有效應力狀態求解 290
12.5.2 不排水剪切引起的超孔隙壓力求解 291
12.5.3 剪切率相關殘余強度計算 292
12.6 殘余剪切強度模型驗證與敏感性分析 293
12.6.1 模型參數校準 294
12.6.2 模型驗證 295
12.6.3 影響因素敏感性分析 296
12.7 本章小結 298
參考文獻 299
第13章 盾構改良土黏附性 301
13.1 引言 301
13.2 旋轉剪切試驗 302
13.2.1 試驗材料與儀器 302
13.2.2 試驗步驟 305
13.3 黏土旋轉剪切特征 307
13.4 不同因素影響下黏附強度變化 307
13.4.1 軟硬狀態對黏附強度的影響 307
13.4.2 法向壓力對黏附強度的影響 308
13.4.3 塑性指數對黏附強度的影響 309
13.4.4 接觸角對黏附強度的影響 309
13.4.5 粗糙度對黏附強度的影響 310
13.5 黏附強度計算模型 311
13.5.1 影響因素關聯性分析 311
13.5.2 黏附強度計算模型 314
13.6 分散劑作用下黏附強度變化 315
13.6.1 不同含水率土樣黏附強度 315
13.6.2 不同黏稠指數土樣黏附強度 317
13.6.3 分散劑對黏附強度影響 318
13.7 黏附機理探討 320
13.8 本章小結 322
參考文獻 323
第14章 黏土---金屬界面剪切破壞模式 325
14.1 引言.325
14.2 黏土抗剪強度變化 325
14.2.1 試驗方案 325
14.2.2 不同法向壓力下黏土抗剪強度變化 326
14.2.3 不同含水率下黏土抗剪強度變化 328
14.2.4 不同黏稠指數下黏土抗剪強度變化 328
14.3 分散劑作用下抗剪強度變化 330
14.3.1 不同含水率下抗剪強度變化 330
14.3.2 不同黏稠指數下抗剪強度變化 331
14.4 旋轉剪切數值模擬 333
14.4.1 數值模型 333
14.4.2 模型驗證 335
14.5 數值模擬結果分析 336
14.5.1 旋轉剪切破壞模式 336
14.5.2 界面剪切應力變化 339
14.6 黏土地層盾構渣土合適改良狀態判定 340
14.7 本章小結 341
參考文獻 341
第15章 粗---細顆粒混合土黏附性 343
15.1 引言.343
15.2 大型旋轉剪切試驗 343
15.2.1 試驗材料 343
15.2.2 試驗裝置與步驟 345
15.3 結泥餅渣土臨界粒徑 348
15.3.1 不同粒徑土樣黏附強度與法向壓力關系 348
15.3.2 渣土結泥餅判據及臨界粒徑確定 350
15.3.3 界面參數變化機理 353
15.4 粗–細顆粒混合土結泥餅判定依據 354
15.4.1 不同表面積比土樣黏附強度與法向壓力關系 355
15.4.2 界面黏聚力隨表面積比變化及結泥餅判定依據 357
15.5 分散劑作用下界面黏聚力變化 358
15.6 本章小結 359
參考文獻 360
第二篇 盾構掘進力學行為
第16章 渣土改良下盾構掘進參數演化 363
16.1 引言 363
16.2 DEM–FEM耦合數值模擬 364
16.2.1 盾構機模型 364
16.2.2 地層模型 365
16.2.3 模型參數 366
16.3 渣土改良狀態對盾構掘進參數的影響 368
16.3.1 渣土改良對總推力的影響 368
16.3.2 渣土改良對刀盤扭矩的影響 369
16.3.3 渣土改良對螺機扭矩的影響 370
16.3.4 渣土改良對土艙壓力的影響 370
16.4 渣土改良狀態對渣土流動特征的影響 371
16.5 本章小結 374
參考文獻 375
第17章 富水礫砂地層盾構渣土滲透性及噴涌風險評估 377
17.1 引言 377
17.2 工程概況 377
17.3 數值模擬 380
17.3.1 模型建立 380
17.3.2 計算方法 382
17.4 數值結果分析 382
17.4.1 渣土滲流特征 382
17.4.2 渣土滲透系數對螺機口孔壓和流速的影響 384
17.4.3 地下水位對螺機口孔壓和流速的影響 385
17.5 渣土噴涌風險評估 386
17.5.1 評估方法 386
17.5.2 案例分析 387
17.6 本章小結 388
參考文獻 388
第18章 富水礫砂地層盾構掘進力學行為與渣土狀態關聯性 390
18.1 引言 390
18.2 現場測試 391
18.3 地層響應規律分析 394
18.3.1 孔壓變化規律 394
18.3.2 孔壓與掘進參數的關系 397
18.3.3 地表沉降變化規律 398
18.4 渣土改良效果評價 399
18.4.1 顆粒級配 399
18.4.2 坍落度 399
18.4.3 滲透性 401
18.5 渣土狀態對盾構掘進參數的影響 402
18.5.1 渣土狀態對掘進力學參數的影響 402
18.5.2 渣土狀態對地層響應的影響 405
18.5.3 渣土合理坍落度討論 406
18.6 本章小結 406
參考文獻 407
第19章 渣土改良下盾構掘進富水礫砂地層響應特征研究 408
19.1 引言 408
19.2 數值模擬 409
19.2.1 模型建立 409
19.2.2 施工模擬方案 410
19.3 渣土改良效應表征 412
19.4 地層擾動分析 414
19.4.1 地層變形 414
19.4.2 孔壓變化 417
19.4.3 地下水位對地層響應的影響 418
19.4.4 渣土改良對地層響應的影響 420
19.5 開挖面穩定性分析 421
19.5.1 開挖面失穩特征 422
19.5.2 地下水位對開挖面穩定性的影響 422
19.5.3 渣土改良對開挖面穩定性的影響 423
19.6 本章小結 424
參考文獻 424
第三篇 盾構渣土改良技術及其智能化
第20章 盾構渣土塑流性調控技術及應用 429
20.1 引言 429
20.2 盾構渣土塑流性改良流程 430
20.3 工程概況 432
20.3.1 工程簡介 432
20.3.2 地層條件 432
20.3.3 施工及設備概況 434
20.4 盾構渣土塑流性改良技術方案 435
20.4.1 塑流性試驗 435
20.4.2 現場渣土塑流性改良方案 437
20.5 現場盾構渣土改良效果驗證 437
20.5.1 現場渣土塑流性狀態跟蹤 437
20.5.2 掘進參數分析 438
20.6 盾構渣土塑流性狀態評價優化及應用 442
20.6.1 塑流性狀態評價優化 442
20.6.2 綜合評價指標應用流程 445
20.6.3 應用案例 445
20.6.4 討論 449
20.7 本章小結 450
參考文獻 250
第21章 盾構渣土噴涌防控技術及應用 452
21.1 引言 452
21.2 盾構渣土抗滲改良流程 453
21.3 富水圓礫地層盾構渣土改良應用案例 455
21.3.1 渣土噴涌可能性評價 455
21.3.2 改良劑性能試驗 455
21.3.3 渣土改良參數確定 456
21.3.4 現場應用 457
21.4 多指標盾構砂性渣土改良工藝 460
21.4.1 砂性渣土改良流程 460
21.4.2 改良劑性能優選 461
21.4.3 渣土改良參數確定 462
21.4.4 盾構改良技術參數確定 462
21.5 多參數協調的排渣調控技術 462
21.5.1 排渣調控技術流程 462
21.5.2 控制目標 463
21.5.3 逐級循環調控 463
21.6 砂性地層盾構渣土改良與排渣調控應用案例 464
21.6.1 工程概況 464
21.6.2 盾構掘進風險識別 468
21.6.3 改良劑技術參數優選 468
21.6.4 渣土改良參數確定 468
21.6.5 現場應用情況 472
21.6.6 應用效果評價 473
21.7 本章小結 477
參考文獻 478
第22章 盾構渣土結泥餅防控技術及應用 480
22.1 引言 480
22.2 盾構渣土結泥餅防控改良流程.481
22.3 黏土地層盾構渣土改良應用案例 483
22.3.1 工程概況 483
22.3.2 結泥餅可能性評價 485
22.3.3 分散型改良劑選型 486
22.3.4 渣土改良參數確定 488
22.3.5 現場應用 491
22.4 上軟下硬地層黏性盾構渣土改良應用案例 494
22.4.1 工程概況 494
22.4.2 盾構結泥餅可能性評價 496
22.4.3 分散型改良劑選型 496
22.4.4 渣土改良參數確定 497
22.4.5 現場應用 499
22.5 本章小結 503
參考文獻 503
第23章 盾構渣土改良狀態評價方法及應用 505
23.1 引言 505
23.2 基于機器學習的渣土表觀密度預測方法 506
23.2.1 表觀密度計算 506
23.2.2 渣土側向土壓力系數預測方法 506
23.3 渣土類密度評價方法 508
23.3.1 土艙內渣土類密度計算方法 508
23.3.2 土艙壓力求解 509
23.3.3 基于類密度的渣土分類 510
23.3.4 基于類密度評價的盾構渣土改良流程 511
23.4 工程應用與驗證 512
23.4.1 工程概況 512
23.4.2 渣土類密度合理范圍 512
23.4.3 現場驗證 514
23.5 本章小結 516
參考文獻 516
第24章 盾構渣土改良參數機器學習及應用 518
24.1 引言 518
24.2 背景介紹 519
24.2.1 問題陳述 519
24.2.2 工程背景 519
24.3 盾構掘進數據特征工程 520
24.3.1 數據預處理 520
24.3.2 特征選擇 523
24.3.3 特征工程流程 526
24.4 盾構渣土改良機器學習模型 526
24.4.1 適合渣土改良的機器學習模型 526
24.4.2 數據分布對機器學習的影響 528
24.4.3 高維掘進數據可視化 531
24.5 模型預測不確定性評價 533
24.5.1 基于委員會的不確定性評價原理 534
24.5.2 不確定性評價驗證 534
24.5.3 不確定性量化數據可視化 538
24.6 討論 539
24.6.1 特征工程 539
24.6.2 不確定性評估的意義 540
24.6.3 優點及局限性 540
24.7 本章小結 540
參考文獻 541
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