В гражданском строительстве и управлении стихийными бедствиями активно исследуются методы предотвращения таких рисков. Учёные ищут более эффективные способы защиты от масштабных деформаций.

Компьютерное моделирование, в частности метод моделирования движущихся частиц (MPS), помогает анализировать деформации даже на больших территориях. Эти методы становятся всё популярнее, но их ещё не применяли для прогнозирования поведения грунта при проектировании или строительстве.

Группа исследователей из Технологического института Шибаура под руководством профессора Шинья Иназуми изучила загадки, связанные со щитовым проходчеством под давлением грунта (EPB). В этом методе создания туннелей выкопанным грунтом укрепляют забой. Чтобы грунт не пропускал воду и был транспортабельным, его смешивают с пеной или суспензией.

Исследование опубликовано в журнале Tunnelling and Underground Space Technology.

Команда признала, что, несмотря на популярность техники, мало известно о влиянии пластичности илистого грунта на давление внутри проходческой камеры.

Если мы изучим эти факторы, то сможем избежать деформаций грунта и эффективно управлять осадками при прокладке тоннеля.

Городские центры всё больше зависят от подземной инфраструктуры. Поэтому мы хотели создать инструмент прогнозирования, который повысит устойчивость городской инфраструктуры и снизит затраты из-за нестабильной работы тоннелей. Это поможет эффективно управлять пластичностью грунта, — говорит профессор Иназуми.

Поскольку исследовательская лаборатория придерживается целей ООН в области устойчивого развития, они также изучили влияние выемки материала и использования химических добавок на экологию. Цель исследования — найти способы сделать строительные проекты более устойчивыми.

Экспериментальная установка включала в себя герметичный резервуар с грунтом, имитирующий камеру. В щитовой проходческой машине был установлен перемешивающий отвал, который состоял из нисходящей и восходящей ступеней. Давление на грунт измерялось с помощью двухпарного датчика.

Эта система вместе с компьютерным моделированием процесса проходки тоннеля (MPS) позволила точно измерить изменения давления на грунт при перемешивании илистого грунта.

Исследователи выяснили, что давление на грунт помогает анализировать пластичность грунта и связанные с ней факторы: прочность на сдвиг и величину просадки. Они влияют на стабильность тоннеля и работу оборудования.

Система CAE-анализа, предложенная командой, отражает экспериментальные данные. Это подтверждает её пригодность для оценки и визуализации пластичности илистого грунта при прокладке тоннеля.

Оценить давление на грунт в полевых условиях сложно и дорого.

Мелкомасштабный модельный эксперимент, дополненный компьютерными расчётами, поможет оптимизировать проходческие операции щита EPB и улучшить стратегии управления осадками. Это откроет новые возможности для повышения безопасности и эффективности подземных строительных работ, особенно в городах.

Это исследование поможет строить метро, подземные коммуникации и дороги, не сильно повреждая грунт.

Наша стратегия также позволит сделать более безопасными районы, где есть угроза землетрясений или других геотехнических проблем, и минимизировать вред от прокладки тоннелей, — заключает профессор Иназуми.