Avaliação aleatória fuzzy do modelo de fluência de solo mole congelado na construção de túneis de metrô usando a técnica de congelamento artificial do solo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9468 (2023) Citar este artigo

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

A taxa de urbanização da China aumentou continuamente nos últimos anos. A migração da população para as cidades tem causado um rápido aumento da população urbana, resultando em maior pressão de tráfego. Portanto, desenvolver o transporte ferroviário urbano tem sido um meio eficaz de melhorar as viagens urbanas. Nos últimos 20 anos, o transporte ferroviário urbano da China tornou-se um dos mais longos do mundo. A construção do transporte ferroviário tornou-se a principal prioridade de desenvolvimento do transporte nacional, particularmente nas cidades costeiras abertas com rápido desenvolvimento econômico. No entanto, os materiais do solo nas áreas costeiras são macios e têm características que variam no tempo devido à influência das condições geológicas marinhas costeiras1,2. Na escavação do metrô, o solo ao redor do túnel é normalmente reforçado usando o método de congelamento artificial durante a construção para isolar as águas subterrâneas de forma eficaz e servir como suporte temporário3.

O solo congelado por congelamento artificial é um material de construção poroso altamente complexo, composto por água não congelada, 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 entender 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 cientificamente e avaliar vários modelos de fluência para representar o processo de fluência é significativo para a análise de estabilidade das paredes congeladas do túnel. Além disso, é um tópico da mecânica dos solos congelados que ganhou atenção substancial da pesquisa6,7.

Pesquisadores em todo o mundo realizaram estudos sobre o modelo de fluência do solo congelado. Por meio de investigação de campo e análise de microestrutura, Cong et al.8 discutiram preliminarmente o mecanismo de falha por fluência do talude do solo expansivo após o ciclo congelamento-degelo (F-T) e estabeleceu o modelo de fluência do solo expansivo usado para prever a quantidade de fluência de cada estágio. He et al.9 realizaram um teste de fluência de carga graduada de longo prazo em amostras de rochas salinas. O método de tensão-deformação isocronal aprimorado e o método de taxa de fluência em estado estacionário foram usados ​​para determinar a resistência a longo prazo da rocha de sal, descrevendo com precisão o comportamento de fluência da rocha de sal. Zhou et al.10 realizaram um 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 de descarga, analisaram o desenvolvimento da deformação com o tempo sob diferentes pressões de confinamento e estabeleceram um modelo de Merchant relacionado à tensão para descrever a fluência de 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 de rocha. As experiências 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 por meio de ensaios de compressão e cisalhamento triaxial para descrever o processo de fluência do estágio primário ao terceiro.