盾构渣土经过土舱，由螺旋输送机排出，是建立土压平衡盾构土舱压力的介质，其力学特性影响着盾构能否安全高效低碳地掘进。本书是专门研究盾构渣土力学及工程应用的著作，共24章内容，在第1章对盾构渣土力学基本问题陈述的基础上，分三大篇介绍研究团队针对盾构渣土力学及其在盾构隧道工程施工中应用的研究成果。第一篇盾构渣土力学，包含14章内容，从改良剂对黏土界限含水率的影响规律入手，分别介绍了盾构渣土塑流性、渗透性、压缩性、剪切强度和黏附性，给出了相应的细观力学机理，建立了渗透性、压缩性、强度等力学理论模型。第二篇盾构掘进力学行为，包含4章内容，介绍了渣土改良下盾构掘进参数演化规律、盾构渣土渗透性及喷涌风险评估、掘进力学行为、地层响应特征。第三篇盾构渣土改良技术及其智能化，包括5章内容，介绍了盾构渣土塑流性调控技术及应用、富水砂性地层盾构渣土喷涌防控技术及应用、黏性地层盾构渣土结泥饼防控技术及应用、盾构渣土改良状态评价方法及应用、盾构渣土改良参数机器学习及应用等研究成果。本书论述深入浅出，提供了必备的预备知识、图片和案例，以利于读者理解与掌握本书内容。
样章试读
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前言
符号表
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 渣土改良剂 3
1.3 盾构渣土力学的提出 7
1.3.1 盾构渣土的物理组成 7
1.3.2 盾构掘进对渣土特性的需求 8
1.3.3 盾构渣土力学问题 9
1.4 本书内容组织 10
参考文献 13
第一篇 盾构渣土力学
第2章 改良剂作用下黏土界限含水率变化 19
2.1 引言 19
2.2 液塑限试验 20
2.2.1 试验材料 20
2.2.2 试验方案 23
2.3 改良剂作用下黏土液塑限变化特征 27
2.3.1 改良剂与黏土相互作用的时间效应 27
2.3.2 改良剂作用下黏土液塑限变化 30
2.4 分散剂作用下黏土液塑限变化特征 31
2.4.1 不同分散剂作用下黏土液塑限变化 31
2.4.2 分散剂作用下不同黏土液塑限变化 32
2.4.3 分散剂与泡沫耦合作用下黏土液塑限变化 36
2.4.4 分散剂作用下结泥饼防控机理 36
2.5 改良剂作用机理 38
2.5.1 分散剂电化学作用机理 38
2.5.2 泡沫细观作用机理 42
2.6 本章小结 43
参考文献 44
第3章 盾构泡沫改良土塑流性 46
3.1 引言 46
3.2 试验方案 47
3.2.1 试验土样 47
3.2.2 改良剂 48
3.2.3 塑流性测试 49
3.3 改良参数对渣土塑流性特征影响 51
3.3.1 泡沫注入比对渣土塑流性影响 51
3.3.2 泡沫改良土塑流状态分类 52
3.4 盾构改良粗粒土塑流性特征 54
3.4.1 坍落度随改良参数变化 55
3.4.2 延展度随改良参数变化 56
3.4.3 坍落体平台随改良参数变化 57
3.5 盾构改良细粒土塑流性特征 58
3.5.1 坍落度随改良参数变化 60
3.5.2 延展度随改良参数变化 60
3.5.3 坍落体平台随改良参数变化 61
3.6 泡沫改良土塑流性变化机理 62
3.7 本章小结 64
参考文献 65
第4章 盾构泡沫改良土塑流性细观机理 68
4.1 引言 68
4.2 塑流性试验 68
4.2.1 试验材料 68
4.2.2 试验装置 70
4.3 泡沫改良土离散元数值模拟 71
4.3.1 模型建立 72
4.3.2 模型参数 74
4.4 泡沫改良土坍落体运动规律 74
4.4.1 缩尺坍落度试验模型验证 74
4.4.2 泡沫改良土坍落形态 75
4.5 泡沫对改良土颗粒接触的影响 78
4.5.1 泡沫对改良土接触数量的影响 78
4.5.2 泡沫对改良土配位数的影响 79
4.5.3 泡沫对改良土力链演化的影响 79
4.6 泡沫对改良土细观力学特性的影响 82
4.6.1 泡沫对颗粒间接触力方向的影响 82
4.6.2 泡沫对颗粒间接触力量值的影响 83
4.7 本章小结 84
参考文献 85
第5章 盾构泡沫改良土渗透性.86
5.1 引言 86
5.2 渗透试验 87
5.2.1 试验材料 87
5.2.2 试验装置 89
5.2.3 试验步骤 90
5.3 泡沫改良土渗流规律及泡沫变化 91
5.3.1 泡沫改良土渗流规律 91
5.3.2 渗流中泡沫变化特征 94
5.4 改良参数对渗流性的影响 96
5.5 级配对渗流性的影响 98
5.5.1 泡沫改良土渗流特征.98
5.5.2 泡沫改良土渗流安全性评估 104
5.6 泡沫改良土渗透机理 108
5.7 本章小结 109
参考文献 110
第6章 水压力影响下盾构泡沫改良土渗透性 113
6.1 引言 113
6.2 水压影响下渗透试验 113
6.3 水压影响下渣土渗流特征 115
6.3.1 水压影响 115
6.3.2 水力梯度影响 117
6.4 多因素影响下泡沫改良土渗流特征 119
6.4.1 泡沫改良土渗流特征 119
6.4.2 水压变化下不同级配泡沫改良土渗流特征 121
6.4.3 水压变化下不同注入比泡沫改良土渗流特征 122
6.5 泡沫改良土抗渗机理 124
6.5.1 泡沫改良土中消泡规律 124
6.5.2 泡沫改良土抗渗机理 125
6.6 盾构泡沫改良土渗流简化模型 126
6.6.1 简化计算模型 126
6.6.2 泡沫改良土过流断面分析 127
6.7 盾构渣土改良参数合适范围讨论.130
6.8 本章小结 132
参考文献 133
第7章 盾构多添加剂组合改良土渗透性 134
7.1 引言 134
7.2 泡沫–泥浆组合改良粗粒土渗透试验 135
7.2.1 试验材料 135
7.2.2 试验方法 136
7.3 泡沫–泥浆组合改良粗粒土渗流特征 137
7.3.1 渗透时变规律 137
7.3.2 水力梯度对渗流特征的影响规律 139
7.4 泡沫–泥浆组合改良适用性分析 141
7.5 高水压条件下泡沫–泥浆组合改良土渗流特征 144
7.5.1 渗透时变规律 144
7.5.2 细粒迁移规律 147
7.5.3 水压力影响 148
7.6 泡沫–泥浆–聚合物组合改良土试验 150
7.7 泡沫–泥浆–聚合物组合改良土塑流性 151
7.8 泡沫–泥浆–聚合物组合改良土渗透性 152
7.9 泡沫–泥浆–聚合物合适组合改良探讨 155
7.10 讨论 156
7.10.1 膨润土颗粒对泡沫改良增效分析 156
7.10.2 泡沫--泥浆--聚合物组合改良机理 157
7.11 本章小结 159
参考文献 160
第8章 盾构泡沫改良土渗透性理论模型 164
8.1 引言 164
8.2 纯泡沫渗流理论 165
8.2.1 单通道流速 166
8.2.2 单通道横截面积 166
8.3 泡沫改良土有效渗流通道理论 168
8.4 常水头下泡沫改良土初始渗透系数计算171
8.5 考虑水头影响的初始渗透系数计算 171
8.5.1 水头对泡沫改良土初始渗透系数的影响 172
8.5.2 水头影响下初始渗透系数计算 172
8.6 初始渗透系数计算方法验证 176
8.6.1 泡沫粒径分布 176
8.6.2 方法计算效果验证 177
8.7 泡沫改良土抗渗机理诠释 178
8.7.1 土与泡沫相互作用 178
8.7.2 土颗粒对泡沫改良土抗渗影响 178
8.8 泡沫改良土初始稳定期计算 179
8.8.1 渗透性常量推导 179
8.8.2 渗透性常量求解 182
8.8.3 初始稳定期时长求解 182
8.9 初始稳定期计算方法验证 183
8.10 初始稳定期计算方法应用 183
8.10.1 初始稳定期时长参考曲线 183
8.10.2 最佳细度与最佳孔隙率 184
8.10.3 临界粒径 185
8.11 本章小结 186
参考文献 186
第9章 盾构泡沫改良土压缩性 189
9.1 引言 189
9.2 压缩性试验 190
9.2.1 试验装置 190
9.2.2 试验步骤 191
9.3 盾构改良粗粒土压缩性.194
9.3.1 泡沫注入比对粗粒土压缩性的影响 194
9.3.2 泡沫消散时间对粗粒土压缩性的影响 199
9.4 盾构改良细粒土压缩性 202
9.4.1 泡沫注入比对细粒土压缩性的影响 202
9.4.2 泡沫消散时间对细粒土压缩性的影响 205
9.5 级配影响下泡沫改良土压缩性 207
9.5.1 控制粒径的影响 207
9.5.2 曲率系数的影响 208
9.5.3 不均匀系数的影响 209
9.6 级配影响下泡沫改良土压力变化 210
9.6.1 控制粒径的影响 210
9.6.2 曲率系数的影响 211
9.6.3 不均匀系数的影响 212
9.7 泡沫改良土侧向土压力系数 214
9.8 有效应力–气体控制过渡探究 216
9.9 泡沫改良土压缩机理 219
9.10 合理压缩性探讨 223
9.11 本章小结 224
参考文献 225
第10章 盾构泡沫改良土压缩性理论模型 228
10.1 引言 228
10.2 泡沫改良土孔隙压力计算模型.229
10.3 级配影响下孔隙压力及压缩性计算模型 231
10.3.1 孔隙压力计算模型 231
10.3.2 压缩性计算模型 232
10.3.3 孔隙压力简化计算模型 234
10.4 计算模型验证 235
10.4.1 压缩性计算模型验证 235
10.4.2 孔隙压力计算模型验证 237
10.5 本章小结 239
参考文献 240
第11章 盾构泡沫改良土强度特性 241
11.1 引言 241
11.2 不排水带压十字板剪切试验 243
11.2.1 试验材料 243
11.2.2 试验装置 245
11.2.3 试验方案 246
11.3 泡沫改良粗粒土带压剪切大变形特征 249
11.4 泡沫注入比影响下改良粗粒土带压剪切强度变化 252
11.4.1 泡沫注入比对峰值剪切强度的影响 252
11.4.2 泡沫注入比对残余剪切强度的影响 253
11.4.3 带压环境下泡沫对粗粒土的改良机理 254
11.5 土类型影响下改良土剪切强度变化 255
11.5.1 土类型对剪切滞滑的影响 255
11.5.2 土类型对峰值剪切强度的影响 256
11.5.3 土类型对残余剪切强度的影响 257
11.6 泥浆注入比影响下组合改良粗粒土剪切强度变化 258
11.6.1 泥浆注入比对峰值与残余剪切强度的影响 259
11.6.2 带压环境下膨润土的增强改良机理 260
11.7 塑流性相同下不同改良土剪切强度差异性 261
11.8 剪切率影响下泡沫改良土超孔隙压力和孔隙比变化 262
11.8.1 剪切率对超孔隙压力的影响 262
11.8.2 剪切率对孔隙比的影响 263
11.8.3 剪切率的影响机理 264
11.9 剪切率影响下泡沫改良土剪切强度变化 265
11.9.1 剪切率对峰值剪切强度的影响 265
11.9.2 剪切率对残余剪切强度的影响 266
11.9.3 剪切率的影响机理 267
11.9.4 剪切率对有效内摩擦角的影响.268
11.10 剪切大变形后泡沫改良土流体流变行为 269
11.10.1 竖向压力与 FIR 影响下流变参数变化 269
11.10.2 有效应力影响下流变参数变化.271
11.11 本章小结 271
参考文献 273
第12章 泡沫改良土强度理论模型 277
12.1 引言 277
12.2 常压下泡沫改良土初始孔隙状态参数求解 277
12.2.1 初始孔隙比求解 278
12.2.2 初始饱和度求解 279
12.3 不排水一维压缩下孔隙比与孔隙压力求解 279
12.3.1 基本假设 279
12.3.2 封闭气相对泡沫改良土的细观作用机理 280
12.3.3 e≧eth加载阶段 282
12.3.4 e12.4 压缩模型验证与敏感性分析 284
12.4.1 模型参数校准 284
12.4.2 模型验证 285
12.4.3 影响因素敏感性分析 287
12.5 有效应力与残余剪切强度求解 290
12.5.1 剪切前有效应力状态求解 290
12.5.2 不排水剪切引起的超孔隙压力求解 291
12.5.3 剪切率相关残余强度计算 292
12.6 残余剪切强度模型验证与敏感性分析 293
12.6.1 模型参数校准 294
12.6.2 模型验证 295
12.6.3 影响因素敏感性分析 296
12.7 本章小结 298
参考文献 299
第13章 盾构改良土黏附性 301
13.1 引言 301
13.2 旋转剪切试验 302
13.2.1 试验材料与仪器 302
13.2.2 试验步骤 305
13.3 黏土旋转剪切特征 307
13.4 不同因素影响下黏附强度变化 307
13.4.1 软硬状态对黏附强度的影响 307
13.4.2 法向压力对黏附强度的影响 308
13.4.3 塑性指数对黏附强度的影响 309
13.4.4 接触角对黏附强度的影响 309
13.4.5 粗糙度对黏附强度的影响 310
13.5 黏附强度计算模型 311
13.5.1 影响因素关联性分析 311
13.5.2 黏附强度计算模型 314
13.6 分散剂作用下黏附强度变化 315
13.6.1 不同含水率土样黏附强度 315
13.6.2 不同黏稠指数土样黏附强度 317
13.6.3 分散剂对黏附强度影响 318
13.7 黏附机理探讨 320
13.8 本章小结 322
参考文献 323
第14章 黏土---金属界面剪切破坏模式 325
14.1 引言.325
14.2 黏土抗剪强度变化 325
14.2.1 试验方案 325
14.2.2 不同法向压力下黏土抗剪强度变化 326
14.2.3 不同含水率下黏土抗剪强度变化 328
14.2.4 不同黏稠指数下黏土抗剪强度变化 328
14.3 分散剂作用下抗剪强度变化 330
14.3.1 不同含水率下抗剪强度变化 330
14.3.2 不同黏稠指数下抗剪强度变化 331
14.4 旋转剪切数值模拟 333
14.4.1 数值模型 333
14.4.2 模型验证 335
14.5 数值模拟结果分析 336
14.5.1 旋转剪切破坏模式 336
14.5.2 界面剪切应力变化 339
14.6 黏土地层盾构渣土合适改良状态判定 340
14.7 本章小结 341
参考文献 341
第15章 粗---细颗粒混合土黏附性 343
15.1 引言.343
15.2 大型旋转剪切试验 343
15.2.1 试验材料 343
15.2.2 试验装置与步骤 345
15.3 结泥饼渣土临界粒径 348
15.3.1 不同粒径土样黏附强度与法向压力关系 348
15.3.2 渣土结泥饼判据及临界粒径确定 350
15.3.3 界面参数变化机理 353
15.4 粗–细颗粒混合土结泥饼判定依据 354
15.4.1 不同表面积比土样黏附强度与法向压力关系 355
15.4.2 界面黏聚力随表面积比变化及结泥饼判定依据 357
15.5 分散剂作用下界面黏聚力变化 358
15.6 本章小结 359
参考文献 360
第二篇 盾构掘进力学行为
第16章 渣土改良下盾构掘进参数演化 363
16.1 引言 363
16.2 DEM–FEM耦合数值模拟 364
16.2.1 盾构机模型 364
16.2.2 地层模型 365
16.2.3 模型参数 366
16.3 渣土改良状态对盾构掘进参数的影响 368
16.3.1 渣土改良对总推力的影响 368
16.3.2 渣土改良对刀盘扭矩的影响 369
16.3.3 渣土改良对螺机扭矩的影响 370
16.3.4 渣土改良对土舱压力的影响 370
16.4 渣土改良状态对渣土流动特征的影响 371
16.5 本章小结 374
参考文献 375
第17章 富水砾砂地层盾构渣土渗透性及喷涌风险评估 377
17.1 引言 377
17.2 工程概况 377
17.3 数值模拟 380
17.3.1 模型建立 380
17.3.2 计算方法 382
17.4 数值结果分析 382
17.4.1 渣土渗流特征 382
17.4.2 渣土渗透系数对螺机口孔压和流速的影响 384
17.4.3 地下水位对螺机口孔压和流速的影响 385
17.5 渣土喷涌风险评估 386
17.5.1 评估方法 386
17.5.2 案例分析 387
17.6 本章小结 388
参考文献 388
第18章 富水砾砂地层盾构掘进力学行为与渣土状态关联性 390
18.1 引言 390
18.2 现场测试 391
18.3 地层响应规律分析 394
18.3.1 孔压变化规律 394
18.3.2 孔压与掘进参数的关系 397
18.3.3 地表沉降变化规律 398
18.4 渣土改良效果评价 399
18.4.1 颗粒级配 399
18.4.2 坍落度 399
18.4.3 渗透性 401
18.5 渣土状态对盾构掘进参数的影响 402
18.5.1 渣土状态对掘进力学参数的影响 402
18.5.2 渣土状态对地层响应的影响 405
18.5.3 渣土合理坍落度讨论 406
18.6 本章小结 406
参考文献 407
第19章 渣土改良下盾构掘进富水砾砂地层响应特征研究 408
19.1 引言 408
19.2 数值模拟 409
19.2.1 模型建立 409
19.2.2 施工模拟方案 410
19.3 渣土改良效应表征 412
19.4 地层扰动分析 414
19.4.1 地层变形 414
19.4.2 孔压变化 417
19.4.3 地下水位对地层响应的影响 418
19.4.4 渣土改良对地层响应的影响 420
19.5 开挖面稳定性分析 421
19.5.1 开挖面失稳特征 422
19.5.2 地下水位对开挖面稳定性的影响 422
19.5.3 渣土改良对开挖面稳定性的影响 423
19.6 本章小结 424
参考文献 424
第三篇 盾构渣土改良技术及其智能化
第20章 盾构渣土塑流性调控技术及应用 429
20.1 引言 429
20.2 盾构渣土塑流性改良流程 430
20.3 工程概况 432
20.3.1 工程简介 432
20.3.2 地层条件 432
20.3.3 施工及设备概况 434
20.4 盾构渣土塑流性改良技术方案 435
20.4.1 塑流性试验 435
20.4.2 现场渣土塑流性改良方案 437
20.5 现场盾构渣土改良效果验证 437
20.5.1 现场渣土塑流性状态跟踪 437
20.5.2 掘进参数分析 438
20.6 盾构渣土塑流性状态评价优化及应用 442
20.6.1 塑流性状态评价优化 442
20.6.2 综合评价指标应用流程 445
20.6.3 应用案例 445
20.6.4 讨论 449
20.7 本章小结 450
参考文献 250
第21章 盾构渣土喷涌防控技术及应用 452
21.1 引言 452
21.2 盾构渣土抗渗改良流程 453
21.3 富水圆砾地层盾构渣土改良应用案例 455
21.3.1 渣土喷涌可能性评价 455
21.3.2 改良剂性能试验 455
21.3.3 渣土改良参数确定 456
21.3.4 现场应用 457
21.4 多指标盾构砂性渣土改良工艺 460
21.4.1 砂性渣土改良流程 460
21.4.2 改良剂性能优选 461
21.4.3 渣土改良参数确定 462
21.4.4 盾构改良技术参数确定 462
21.5 多参数协调的排渣调控技术 462
21.5.1 排渣调控技术流程 462
21.5.2 控制目标 463
21.5.3 逐级循环调控 463
21.6 砂性地层盾构渣土改良与排渣调控应用案例 464
21.6.1 工程概况 464
21.6.2 盾构掘进风险识别 468
21.6.3 改良剂技术参数优选 468
21.6.4 渣土改良参数确定 468
21.6.5 现场应用情况 472
21.6.6 应用效果评价 473
21.7 本章小结 477
参考文献 478
第22章 盾构渣土结泥饼防控技术及应用 480
22.1 引言 480
22.2 盾构渣土结泥饼防控改良流程.481
22.3 黏土地层盾构渣土改良应用案例 483
22.3.1 工程概况 483
22.3.2 结泥饼可能性评价 485
22.3.3 分散型改良剂选型 486
22.3.4 渣土改良参数确定 488
22.3.5 现场应用 491
22.4 上软下硬地层黏性盾构渣土改良应用案例 494
22.4.1 工程概况 494
22.4.2 盾构结泥饼可能性评价 496
22.4.3 分散型改良剂选型 496
22.4.4 渣土改良参数确定 497
22.4.5 现场应用 499
22.5 本章小结 503
参考文献 503
第23章 盾构渣土改良状态评价方法及应用 505
23.1 引言 505
23.2 基于机器学习的渣土表观密度预测方法 506
23.2.1 表观密度计算 506
23.2.2 渣土侧向土压力系数预测方法 506
23.3 渣土类密度评价方法 508
23.3.1 土舱内渣土类密度计算方法 508
23.3.2 土舱压力求解 509
23.3.3 基于类密度的渣土分类 510
23.3.4 基于类密度评价的盾构渣土改良流程 511
23.4 工程应用与验证 512
23.4.1 工程概况 512
23.4.2 渣土类密度合理范围 512
23.4.3 现场验证 514
23.5 本章小结 516
参考文献 516
第24章 盾构渣土改良参数机器学习及应用 518
24.1 引言 518
24.2 背景介绍 519
24.2.1 问题陈述 519
24.2.2 工程背景 519
24.3 盾构掘进数据特征工程 520
24.3.1 数据预处理 520
24.3.2 特征选择 523
24.3.3 特征工程流程 526
24.4 盾构渣土改良机器学习模型 526
24.4.1 适合渣土改良的机器学习模型 526
24.4.2 数据分布对机器学习的影响 528
24.4.3 高维掘进数据可视化 531
24.5 模型预测不确定性评价 533
24.5.1 基于委员会的不确定性评价原理 534
24.5.2 不确定性评价验证 534
24.5.3 不确定性量化数据可视化 538
24.6 讨论 539
24.6.1 特征工程 539
24.6.2 不确定性评估的意义 540
24.6.3 优点及局限性 540
24.7 本章小结 540
参考文献 541
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