Исследование методом дискретных элементов механических свойств слоястых песчано-валунных пород при разгрузочном пути напряжений в процессе щитового проходческого щита

Почему подземные работы влияют на жизнь города

По мере расширения сетей метро и инженерных коммуникаций всё больше тоннелей прокладывают под улицами и зданиями. Когда огромная щитовая машина бурит тоннель, это изменяет распределение сжимающих и разгружающих напряжений в окружающем грунте. В слоистых грунтах из рыхлого песка и крупного галечника такие изменения могут вызывать осадку или смещения почвы в неожиданных направлениях, угрожая близлежащим сооружениям. В этом исследовании формулируется практический вопрос: как разные варианты снятия подземного давления при проходке влияют на прочность и устойчивость такого смешанного грунта и насколько важен состав слоёв?

Слои песка и камней под нашими ногами

Многие китайские города — как и города в других частях мира — построены на «композитном» основании, состоящем из чередующихся слоёв мелкого песка и крупных галечников или щебня. Эти материалы ведут себя по‑разному при сжатии: песок способен перетекать и перестраиваться, тогда как валуны образуют более жёсткий каркас. Во время щитовой проходки грунт перед лицом щита переживает сложную последовательность уплотнения, сдвигов и затем разгрузки по мере удаления пород. Традиционные лабораторные испытания, в которых обычно сжимают однородный образец при постоянном боковом давлении, не воспроизводят этот реальный путь напряжений, особенно важную стадию разгрузки, когда лицевая часть тоннеля движется и условия поддержания меняются.

Отслеживание хода сжатия и разгрузки грунта

Чтобы более достоверно смоделировать проходку, исследователи применили численный подход — метод дискретных элементов, который представляет грунт как множество отдельных частиц, способных перемещаться, вращаться и взаимодействовать. Сначала они построили виртуальную модель тоннеля, продвигающегося через плотный песок, и проследили эволюцию напряжений в нескольких точках перед лицом тоннеля. Это выявило два основных сценария: в одних зонах вертикальные и горизонтальные напряжения падают одновременно по мере проходки; в других вертикальное напряжение снижается, тогда как горизонтальное остаётся почти неизменным. Эти траектории напряжений стали основой для трёх схем испытаний — от быстрого синхронного снятия давления до более медленной или односторонней разгрузки — которые охватывают реалистичные условия проходки.

Виртуальные образцы грунта в контролируемых испытаниях

Команда затем сконструировала цифровые «триаксиальные» образцы, состоящие из верхнего песчаного слоя и нижнего слоя из валунов, уложенных подобно двухслойному пирогу. Они тщательно откалибровали свойства частиц так, чтобы образцы только из песка и только из валунов соответствовали крупномасштабным лабораторным данным. Изменяя соотношение высот песка и валунов, они получили разные составные образцы и подвергли их трём схемам разгрузки при различных начальных отношениях напряжений (насколько сильно образец сжат вертикально по отношению к боковому сжатию). Наблюдение за тем, как эти образцы укорачиваются, размягчаются или остаются связанными при контролируемой разгрузке, позволило связать путь напряжений, состав слоёв и общую прочность — то, что трудно получить в физических испытаниях.

Что происходит при изменении способа и скорости разгрузки

Моделирование показывает, что способ снятия давления решающим образом определяет реакцию грунта. При быстром уменьшении как вертикального, так и бокового давления внутренние силы между частицами резко падают, и образец размягчается и разрушается быстрее. Если боковое давление снижается медленнее, грунт успевает перестроиться; кривая «напряжение—деформация» спадает более плавно, и образец ведёт себя более «жёстко», разрушаясь позже. Когда боковое давление остаётся почти постоянным, а снижается только вертикальное, деформация остаётся более ограниченной, и образец сравнительно стабилен. Во всех случаях увеличение толщины валунного слоя повышает прочность образца и делает постпиковое ослабление более постепенным, поскольку валуны воспринимают большие контактные силы и формируют более прочный каркас. Более высокие начальные отношения напряжений также усиливают сцепление между частицами, помогая материалу противостоять размягчению при разгрузке.

Почему эти выводы важны для городских тоннелей

Проще говоря, исследование показывает, что и «рецепт» соотношения песка и валунов в грунте, и конкретный способ изменения давления при проходке определяют, смягчится ли грунт вокруг нового тоннеля или сохранит жёсткость. Грунты с большим содержанием валунов и при более высоком начальном сжатии лучше сохраняют форму при разгрузке, тогда как быстрое, синхронное снятие вертикальных и горизонтальных напряжений вблизи лицевой части тоннеля скорее приведёт к потере прочности. Для инженеров это означает, что тщательный контроль опорного давления, скорости проходки и сроков установки ограждения в сочетании с учётом локальной слоистости песка и валунов может снизить риск чрезмерной осадки или неустойчивости при городском тоннелестроении.

Цитирование: Liang, L., Shi, Y., Wei, G. et al. Discrete element study on mechanical properties of layered sand-cobble strata under unloading stress path of shield construction. Sci Rep 16, 11502 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41291-y

Ключевые слова: щитовое проходческое рыхление, песчано-валунный грунт, путь напряжений, подземные выработки, моделирование методом дискретных элементов