ستون سنگفرش شنی، نوعی مجموعه ناهمگن زمین شناسی است. مطالعات بیشتر در مورد ایمنی سنگ های دیواره و ساختار زیرزمینی، نیاز به توسعه روش تجزیه و تحلیل مناسب برای شبیه سازی حفاریهای تونل در چنین شکل گیری دارد. شبیه سازیهای در مقیاس ماکرو فرض می کنند که خاک سنگفرش شنی در مدلهای عددی همگن باشد. آنها محاسبات کارآمدتری را دریافت می کنند، اما در دستیابی به اطلاعات کافی در مورد زمینه های مزوسکوپی، مورد نیاز است.

شبیه سازی مقیاس مزو به صراحت مولفه های فردی ساختار داخلی ناهمگون داخلی در مدل های عددی را به عنوان مثال شکل و توزیع فضایی سنگها، نشان می دهد. آنها دقت بالا دارند، اما هزینه های محاسباتی زیادی نیاز است. برای کاهش تلاش عددی با دقت تضمین شده، یک روش تحلیل چندبعدی برای شبیه سازی حفاری های تونل در لایه های سنگفرش شنی، پیشنهاد شده است.

در این روش، مدل عددی به دو منطقه تقسیم می شود که شامل منطقه در مقیاس مزو و منطقه مقیاس ماکرو (بزرگ)، می باشد. منطقه مقیاس مزو، یک زیر حوزه بحرانی است که با حفاری تونل، مختل شده و در آن سنگ ها و خاک به عنوان اجزای جداگانه در نظر گرفته می شوند. در حوزه ماكرو، خاك شني ماسه ای به عنوان مواد همگن مورد بررسي قرار گرفت كه پارامترهاي مؤثر مواد آن با استفاده از روش همگن سازي هم ارز، مشخص گرديد. سه مسئله مهم در روش چند بعدی مورد بررسی قرار می گیرد، از جمله: (1) تعیین دامنه مزو و دامنه ماکرو، (2) تعیین حداکثر اندازه سنگ که می تواند در دامنه مزو همگن شده باشد؛ و 3) تعیین موثر پارامترهای مواد مخلوط خاک-سنگ در فرایند معادل سازی.

در مقایسه با نتایج شبیه سازی پیش بینی شده توسط روشهای شبیه سازی در مقیاس ماکرو و مزو، اعتبار سنجی از روش شبیه سازی چندمقیاسی پیشنهاد شده، انجام شد. نتایج نشان می دهد که روش تجزیه و تحلیل چندمتغیره پیشنهاد شده دارای راندمان بالا و بدون دقت سست کردن در شبیه سازی حفاری های تونل در ستونهای سنگفرش شنی است.

---

Abstract

Sandy cobble stratum is a kind of heterogeneous geological body. A further study on the safety of wall rocks and underground structure demands developing suitable analysis method to simulate tunnel excavation in such a formation. Macro-scale simulations assume the sandy cobble soil to be homogeneous in numerical models. They get more efficient computing, but have difficulties in capturing enough information about the meso-scopic fields needed. Meso-scale simulations explicitly represent the individual components of the heterogeneous internal material structure in numerical models, e.g. the shape and the spatial distribution of rocks.

They achieve high accuracy, but large computational cost would be needed. To reduce the numerical effort with the precision guaranteed, a multi-scale analysis method for simulating tunnel excavation in sandy cobble strata is proposed. In this method, the numerical model is divided into two regions, involving the meso-scale region and macro-scale region.

The meso-scale region is a critical sub-domain disturbed by tunnel excavation, in it, the rocks and soil are considered as separate constituents. In the macro domain, the sand gravel soil was regarded as homogeneous materials whose effective material parameters were determined using an equivalent homogenization method. Three critical issues in the multi-scale method are explored, including: (i) the determination of meso domain and macro domain, (ii) the determination of rock maximum size that can be homogenized in the meso domain and iii) the determination of effective material parameters of soil-rock mixture during the equivalent process. By comparing with simulation results predicted by macro-scale and meso-scale simulation methods, the validation of the proposed multi-scale simulation method was carried out. The result indicates that the proposed multi-scale analysis method has a high efficiency without loosening accuracy on the simulation of tunnel excavation in sandy cobble stratum.

---