Valutazione casuale fuzzy del modello di creep del terreno soffice ghiacciato nella costruzione di un tunnel metropolitano utilizzando la tecnica di congelamento del terreno artificiale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9468 (2023) Citare questo articolo

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Padroneggiare le caratteristiche di scorrimento del terreno artificiale ghiacciato e valutare scientificamente il modello di scorrimento è un'importante garanzia per la sicurezza della costruzione del tunnel della metropolitana antigelo. Sulla base della costruzione del tunnel metropolitano di Nantong, sono state effettuate prove di resistenza alla compressione uniassiale del terreno soffice ghiacciato artificialmente per ottenere la legge di influenza della temperatura sulla resistenza a compressione uniassiale e sono state eseguite prove di creep uniassiale per ottenere la legge di influenza di temperatura e grado di sollecitazione al creep, a − 5, − 10 e − 15 °C. I risultati sperimentali mostrano che le caratteristiche di scorrimento dei campioni di terreno soffice ghiacciato presentano un'evidente casualità confusa. L'algoritmo tradizionale della colonia di formiche viene migliorato ottimizzando il coefficiente di fuzzificazione dei feromoni, che migliora l'efficienza della ricerca ed evita efficacemente l'ottimo locale. Successivamente, l’algoritmo migliorato delle colonie di formiche fuzzy viene utilizzato per invertire i parametri di flessibilità dei modelli di scorrimento del permafrost comunemente utilizzati. Il peso fuzzy dell'indice di valutazione e la matrice di valutazione casuale fuzzy sono stati determinati per valutare il modello di scorrimento ottimale sotto tre diversi livelli di stress di terreno soffice ghiacciato. Infine, l'affidabilità del metodo di valutazione casuale fuzzy è stata verificata ingegnerizzando i dati misurati.

Il tasso di urbanizzazione della Cina è aumentato costantemente negli ultimi anni. La migrazione della popolazione verso le città ha causato un rapido aumento della popolazione urbana, con conseguente maggiore pressione del traffico. Pertanto, lo sviluppo del trasporto ferroviario urbano è stato un mezzo efficace per migliorare i viaggi urbani. Negli ultimi 20 anni, il trasporto ferroviario urbano cinese è diventato uno dei più lunghi al mondo. La costruzione del trasporto ferroviario è diventata la massima priorità di sviluppo del trasporto nazionale, in particolare nelle città costiere aperte con un rapido sviluppo economico. Tuttavia, i materiali del suolo nelle zone costiere sono soffici e presentano caratteristiche variabili nel tempo a causa dell'influenza delle condizioni geologiche marine costiere1,2. Negli scavi della metropolitana, il terreno attorno al tunnel viene generalmente rinforzato utilizzando il metodo del congelamento artificiale durante la costruzione per isolare efficacemente le acque sotterranee e fungere da supporto temporaneo3.

Il suolo congelato dal congelamento artificiale è un materiale da costruzione poroso altamente complesso che comprende, tra gli altri, acqua non congelata, ghiaccio, particelle minerali e ghiaccio cementato. Questi componenti anisotropi interagiscono tra loro. Influenzato da campi di temperatura irregolari e dalla migrazione dell'umidità, lo scorrimento del terreno ghiacciato nell'ingegneria sotterranea mostra apparente casualità e confusione. Pertanto, è necessario comprendere le caratteristiche di scorrimento del terreno ghiacciato artificialmente, un materiale da costruzione unico, per la sicurezza della costruzione del tunnel della metropolitana mediante il metodo del congelamento4,5. Inoltre, in base alle caratteristiche geologiche del terreno soffice costiero, differenziare e valutare scientificamente vari modelli di creep per rappresentare il processo di creep è significativo per l'analisi di stabilità delle pareti congelate dei tunnel. Inoltre, si tratta di un argomento della meccanica dei terreni ghiacciati che ha guadagnato notevole attenzione da parte della ricerca6,7.

Ricercatori di tutto il mondo hanno condotto studi sul modello di creep del terreno ghiacciato. Attraverso indagini sul campo e analisi della microstruttura, Cong et al.8 hanno discusso preliminarmente il meccanismo di cedimento da scorrimento viscoso della pendenza espansiva del terreno dopo il ciclo di gelo-disgelo (F–T) e stabilito il modello di scorrimento viscoso del terreno espansivo utilizzato per prevedere la quantità di scorrimento viscoso di ciascuna fase. He et al.9 hanno eseguito una prova di creep con carico graduale a lungo termine su campioni di roccia salina. Il metodo sforzo-deformazione isocrono migliorato e il metodo della velocità di scorrimento allo stato stazionario sono stati utilizzati per determinare la resistenza a lungo termine della roccia salina, descrivendo accuratamente il comportamento di scorrimento della roccia salina. Zhou et al.10 hanno eseguito prove al microscopio elettronico a scansione e prove di creep con carico graduale sulla roccia morbida e profonda con diversi ingrandimenti e hanno stabilito un modello di creep non lineare a tre elementi. I test hanno dimostrato che il modello di creep era coerente con i dati del test di creep. Zhu et al.11 hanno eseguito il test di creep di scarico, hanno analizzato lo sviluppo della deformazione nel tempo sotto diverse pressioni di confinamento e hanno stabilito un modello di Merchant correlato allo stress per descrivere il creep di scarico dell'argilla morbida. Guo et al.12 hanno modificato il modello di creep Singh-Mitchell mediante una funzione logaritmica basata sul test di compressione di due tipi di ganga di carbone. L'analisi mostra che questo modello può descrivere le caratteristiche di scorrimento della ganga di carbone. Liu et al.13 hanno utilizzato elementi differenziali frazionari anziché l'elemento viscoso nel tradizionale modello Xiyuan per ottenere i parametri di scorrimento non lineare e il modello della roccia. Gli esperimenti mostrano che il nuovo modello può descrivere in modo completo le caratteristiche di scorrimento accelerato non lineare della roccia. Yao et al.14 hanno invertito i parametri del modello di creep attraverso prove di compressione e taglio triassiale per descrivere il processo di creep dallo stadio primario al terzo.