Avaliação aleatória difusa do modelo de fluência de solo mole congelado na construção de túneis metropolitanos usando técnica de congelamento artificial do solo

Aug 12, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9468 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Dominar as características de fluência do solo congelado artificial e avaliar cientificamente o modelo de fluência é uma garantia importante para a segurança da construção de congelamento de túneis subterrâneos. Com base na construção do túnel do metrô de Nantong, os testes de resistência à compressão uniaxial do solo macio congelado artificialmente foram realizados para obter a lei de influência da temperatura na resistência à compressão uniaxial, e os testes de fluência uniaxial foram realizados para obter a lei de influência de temperatura e grau de tensão na fluência, em − 5, − 10 e − 15 °C. Os resultados experimentais mostram que as características de fluência de amostras de solo macio congelado têm uma aleatoriedade difusa óbvia. O algoritmo tradicional de colônia de formigas é aprimorado pela otimização do coeficiente de fuzzificação de feromônios, o que melhora a eficiência da busca e evita efetivamente o ótimo local. Posteriormente, o algoritmo de colônia de formigas fuzzy aprimorado é usado para inverter os parâmetros de flexibilidade dos modelos de fluência do permafrost comumente usados. O índice de avaliação do peso difuso e a matriz de avaliação aleatória difusa foram determinados para avaliar o modelo de fluência ideal sob três diferentes níveis de tensão de solo macio congelado. Finalmente, a confiabilidade do método de avaliação aleatória difusa foi verificada por dados medidos de engenharia.

A taxa de urbanização da China aumentou continuamente nos últimos anos. A migração da população para as cidades causou um rápido aumento da população urbana, resultando em maior pressão do tráfego. Portanto, o desenvolvimento do transporte ferroviário urbano tem sido um meio eficaz de melhorar as viagens urbanas. Nos últimos 20 anos, o trânsito ferroviário urbano da China tornou-se um dos mais longos do mundo. A construção do trânsito ferroviário tornou-se a principal prioridade de desenvolvimento do transporte nacional, particularmente nas cidades costeiras abertas com rápido desenvolvimento económico. No entanto, os materiais do solo nas zonas costeiras são macios e apresentam características que variam no tempo devido à influência das condições geológicas marinhas costeiras . Na escavação do metrô, o solo ao redor do túnel é normalmente reforçado usando o método de congelamento artificial durante a construção para isolar eficazmente as águas subterrâneas e servir como suporte temporário3.

O solo congelado por congelamento artificial é um material de construção poroso altamente complexo que compreende água descongelada, gelo, partículas minerais e gelo cimentado, entre outros. Esses componentes anisotrópicos interagem entre si. Influenciado por campos de temperatura irregulares e migração de umidade, a fluência do solo congelado na engenharia subterrânea mostra aparente aleatoriedade e imprecisão. Portanto, é necessário compreender as características de fluência do solo congelado artificialmente, um material de construção único, para a segurança da construção do túnel do metrô pelo método de congelamento4,5. Além disso, de acordo com as características geológicas do solo costeiro macio, diferenciar e avaliar cientificamente vários modelos de fluência para representar o processo de fluência é significativo para a análise de estabilidade de paredes congeladas de túneis. Além disso, é um tópico da mecânica dos solos congelados que tem recebido atenção substancial da pesquisa6,7.

Pesquisadores de todo o mundo conduziram estudos sobre o modelo de fluência em solo congelado. Através de investigação de campo e análise microestrutural, Cong et al.8 discutiram preliminarmente o mecanismo de falha por fluência da encosta expansiva do solo após o ciclo de congelamento-degelo (F – T) e estabeleceram o modelo de fluência do solo expansivo usado para prever a quantidade de fluência de cada estágio. Ele et al.9 realizaram um teste de fluência de carregamento graduado de longo prazo em amostras de rochas salinas. O método tensão-deformação isócrono aprimorado e o método da taxa de fluência em estado estacionário foram usados ​​​​para determinar a resistência a longo prazo da rocha salgada, descrevendo com precisão o comportamento de fluência da rocha salgada. Zhou et al.10 realizaram microscópio eletrônico de varredura e testes de fluência de carga graduada na rocha mole profunda com diferentes ampliações e estabeleceram um modelo de fluência não linear de três elementos. Os testes mostraram que o modelo de fluência era consistente com os dados do teste de fluência. Zhu et al.11 realizaram o teste de fluência em descarga, analisaram o desenvolvimento de deformação com o tempo sob diferentes pressões de confinamento e estabeleceram um modelo de Merchant relacionado à tensão para descrever a fluência em descarga de argila mole. Guo et al.12 modificaram o modelo de fluência de Singh-Mitchell por função logarítmica com base no teste de compressão de dois tipos de ganga de carvão. A análise mostra que este modelo pode descrever as características de fluência da ganga de carvão. Liu et al.13 usaram elementos diferenciais fracionários em vez do elemento viscoso no modelo tradicional de Xiyuan para obter os parâmetros de fluência não linear e o modelo da rocha. Experimentos mostram que o novo modelo pode descrever de forma abrangente as características não lineares de fluência acelerada da rocha. Yao et al.14 inverteram os parâmetros do modelo de fluência através de ensaios de compressão e cisalhamento triaxial para descrever o processo de fluência do primário para o terceiro estágio.