（岩土工程专业论文）列车动载作用下隧道动应力及位移分析.pdf

摘要 摘要 地下轨道交通系统近年来随着城市建设得到了迅猛的发展，伴随着发展也产 生了突出的技术问题，特别是东南沿海一带分布有较厚的软粘土层，在交通荷载 的长期作用下，轨道结构及软土地基会引起比较可观的竖向沉降而影响地铁运营 的安全。因此，研究列车动载作用下隧道周围土体产生的动应力及位移规律具有 重要的意义。本文以广州地铁为研究背景，基于室内软土特性试验结果采用 f l a c 3 d 数值方法分析了列车动载下产生的动应力及位移规律，利用指数曲线法 对未来沉降进行了预测。 本文在前人的研究的基础上研究了列车荷载的模拟问题，针对工程当中分布 的厚层软粘土，通过室内土工试验，共振柱试验、动三轴试验及单向固结流变试 验，测试分析了软粘土层的基本力学特征及各种动力参数，为数值计算提供了动 力分析参数。 采用f l a c 3 d 三维有限差分程序，根据列车的参数计算得到的列车荷载表达 式，计算了不同列车速度和不同土体模量下的隧道周围土体的位移场、应力场及 加速度的衰减情况，并对结果进行了分析。 ， 结合室内单向固结流变试验结果，运用理论公式计算了不同压力下的次固结 沉降量，通过f l a c 3 d 程序计算了列车静载作用下和多次动载作用下的竖向沉降 量，对不同条件下的计算结果进行了对比分析，基于数值计算的结果运用指数曲 线法对列车动载作用下的隧道后期沉降进行了预测，结果表明，采用指数曲线法 预测动载下的沉降量是比较合理的。 关键词：隧道、粘土、列车荷载、f l a c 3 d 、沉降量、次固结系数 a b s t 嗽 a b s t r a c t t h eu n d 钮g r o u n d 仃a m cs y s t 锄i sd e v e l o p i n gr a p i d l yw i m 廿1 er a p i dc o n s t r u c t i o n i i lc i t i e sd 谢n gr e c e i l ty e a r s t h 饥s o m ed i 伍c u l tt e c h i l i c a lp r o b l 锄sc o m eu p ， 岱p e c i a l l yi nm em i c ks o f tc l a yd i s t r i b u t i n ga l o n gm ec o a s t l i n ei nt h es o u t h - e a s to f c l l i n a u n d e rm el o n g t e 肌a c t i o no f t r a m cl o a d ，e v i d e n tv e n i c a ls e t t l e m e n tw i l lt a k e p l a c ei nm es 咖c t u r eo ft h et l l n n e la l l dt h es o rs o i lf o u n d a t i o n s oi t sv e d ，i m p o f t a n t t or e s e a r c ht h ed y i l 锄i cs 骶s sa i l dt l l ed i s p l a c e i l l e n tl a wo ft l l es o i la r o 啪dm et l m n d 岫d e rt l l ed y i l a m i ca c t i o no ft l l e “n i nt h i sa n i c l e ，t l l er e s e a r c hb a c k 母o u n di sm e l l l l d e 留0 u n dr a i l w a yi ng u a n g z h o u a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h ei n d 0 0 rs o rs o i l c h a r a c t e re x p 嘶m e i l t ，f l a c 3 dn 啪丽c a lm e m o di sa d o p t e dt oa n a l ) ，z et h ed y i l 锄i c 如r e s sa n dm e d i s p l a c e m e n t1 a wo fm e s o i la m u i l dm et u n n e lu n d e rt h ee l y n a m i ca c t i o n o f t h e 仃a i n t h ee x p o n e l l t i a lc u r v em e m o di sa d o p t c dt of o r e c a s tm em t l l r es 甜l e m 胁t h 也i st 量l e s i s ，吐l ea i l a l o g u eo f 虹也l o a di sb a s e d0 n 也e 如硼m a t i o no ff 0 吼e r f e s e a r c h t h r o u g hm ela _ b o r a t o 巧t e s to fs o i lm e c h a n i c s ，s uc ：h 弱r e s o n a n tc o l u m nt e s t ， d y n 锄i ct r i a ) 【i a lt e s ta l l do n e - d i m e i l s i o n a lc o n s o l i d a t i o nr h e o l o 酉c a lt e s t ，t h eb a s i c m e c h a i l i c a lf e a t u l 髑a 1 1 dd y l l 锄i c p a r 锄e t e r sa r e 柚a l y z e dt 0p r o v i d ed y i l 锄i c a i l a l y s i sp a r a m e t e r sf o rn u m e r i c a jc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt 0m el o a de x p r c s s i o no b t a i n e dw i t i lm ep a r a m e t e ro fm es u b w a xm e d i s p l a c 锄e n tf i e l d ，妣s sf i e l da n da c c e l e r a t i o nd e g e n 矗a t i o no ft 1 1 es o i la r o u n dt l l e t 岫n e la r ec a l c u | l a t 。du s i n gm ef l a c 3 d6 n i t ed i f 蚤昌r 衄c em e 吐1 0 d t h e nt l l er e s u l ti s 砌y z e d w i mm er e s u l to fo n e d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o nr h e o l o 西c a le x p e r i m e n t ，t ：h e 锄。吼t so fs e c o n d a 巧c o n s o l i d a t i o nu 1 1 d e rd i a 研咖p r e s s u r ea r ec a l c u l a t e dt i l r o u 曲 馈呤o r e t i c a lf 1 0 r i i m l 乱t h e 锄o u n t so fv e r t i c a ls e t t l 锄豇l tu n d e rm es t a t i cl o a da n d 由瑚l i l i cl o a do fm e 缸试na r ec a l c u l a t e db yf “蛇3 dp r o 孕锄t h er e s u l t su n d e r d i f 融饥tc o n d i t i o i l sa r ec o m p a r e da i l da i l a l y z e d b a s e do nt l l er e s u l to fn u m e f i c a l c a l c i l l a t i o n ，t h ep o s ts 甜l e m e n to ft l l et u n n e lu l l d e rt 1 1 ed y i l 锄i cl o a do ft h et r a i ni s f - o 碱：淞t e db ym e e x p o n e i l t i a jc u r v em e t h o d ，w h i c hi s 印p r o v e dr a t i o n a lb ym er e s u l t k e yw o r d ：t t l i m e i ，c l a y 抛1 l o a d ，f l a c 3 d ，s 础e m e n t ，c o e 伍c i e n to fs c c o n d c o n s o l i d a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：茸棒 掰月d 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家 图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学 位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 盛臣2 帕洚月伦日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着我国国民经济的持续、快速、稳定地发展，城市化进程不断加快，千 百万的人口涌入城市，导致城市人口急剧增加，城市规模的持续扩大，随之而来 的严峻的交通问题也逐步显现出来。要解决城市建设与交通问题日益紧张的矛 盾，以促进城市的可持续发展和加强环境保护，合理开发利用地下空问已成为一 条扩大城市容量和功能的有效途径。地铁以其运输能力大、速度快等优点在人们 的日常生活中发挥着越来越重要的作用，尤其在入口密集的大城市，对于缓解地 面交通压力，效果更是不可替代。近年来，我国轨道交通得到了迅猛的发展，以 地铁为代表的轨道交通的发展给人们的生活带来了极大的方便。目前中国有约 2 0 多个大城市正在建设和筹建自己的轨道交通【1 1 。其中，北京、上海、广州正在 拟建地铁网络。此外，深圳、南京、青岛、天津等城市也在兴建和拟建地铁和轻 轨交通。 在地铁建设迅猛发展的同时，一些负面的影响也浮现出来，其中地铁列车运 行振动诱发的相关问题尤为显著，地铁列车运行时与轨道发生轮轨相互作用产生 振动荷载，这种振动能量通过轨道、道床和隧道衬砌结构传给周围地层，进而引 起地层和地表发生振动。在这种振动荷载的作用下，地基中超静孔隙水压力上升， 塑性变形累积，从而很有可能会产生很大的长期附加沉降，这种现象在实际的工 程中已经观测到了。例如：上海地铁一号线的长期沉降监测资料【2 l 表明：1 9 9 3 年1 月至1 9 9 5 年4 月，地铁一号线尚未通车，在这2 年3 个月内绝大部分沉降点的 总沉降量在2 6 n 瑚。自1 9 9 5 年4 月试运营以后，沉降速率急剧加大，到1 9 9 5 年1 2 月，在8 个月内陕西南路站以北的总沉降量达到了3 0 6 0 i | ：l i l l ，到1 9 9 9 年 部分沉降点的累计沉降甚至达到了l 纰。引起上述工后沉降的影响因素较多， 如主固结残余孔压消散引起的沉降，次固结沉降等，其中移动荷载引起的动应力 对沉降的影响最为突出。以上海地铁一号线为例，在移动荷载引起的动应力作用 下，地基的长期附加沉降是非常明显的，甚至直接影响工程后期的正常使用。 我国经济发达地区多集中在东南沿海一带，地层分布有广泛的深厚软粘土 层。随着城市地铁的建设和投入运营，列车振动引起的地基附加沉降也成为迫切 需要研究和解决的问题。本课题以广州市轨道交通四号线黄洲站黄阁站为工程 背景，以穿越深厚软粘土地层区间隧道为研究对象，重点研究软粘土的特性和列 车运行引起的地基附加应力场及瞬态位移场，并对附加沉降进行了预测，研究结 果具有一定的工程实践意义。 河海大学硕士学位论文 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 列车荷载研究的发展与现状 列车运行过程中产生的振动荷载一直以来是一个十分复杂的问题，许多的中 外学者作了大量的研究工作。目前，国内针对列车振动荷载数值计算方法的研究 比较少，现有方法基本上是基于现场测试，并进行频谱分析，在此基础上推导列 车振动荷载的方法主要有以下三种【3 】： ( 1 ) 先进行现场测试分析，然后根据列车衙载形式用傅立叶变换进行离散， 再通过列车车辆模拟轮系和轮轨相互作用简化模型，应用达朗贝尔原理求解出列 车振动荷载的数学表达式。 ( 2 ) 根据经验和实验分析用人工激励函数来模拟列车振动荷载。 ( 3 ) 根据列车、轨道、隧道结构系统，进行有限元分析计算得出列车振动 荷载。 关于列车荷载的研究最早始于1 9 2 6 年，以t i m o s h e n k o 【4 】关于车轮效应的报 告作为开端，人们开始了关注轨道的动力荷载问题。英国c e 血g h s 【5 】根据现场实 测资料，考虑了机车车辆的质量，将列车荷载简化为移动的周期力和移动的惯性 力来研究，所得到的近似理论解与实测资料对照比较接近。1 9 5 4 年k e 皿e v 6 】采 用拟静力方法计算了w i n l ( 1 e r 梁模型的动力响应，但是他没有考虑时i 日j 作用上的 连续性影响，所得的结果只在荷载移动速度等于波的传播速度时才有效。7 0 年 代，为防止和整治钢轨接头区病害，英国d e r b v 7 】铁路研究中心对轮轨相互作用 力进行了大量的理论与试验研究，以轨道不平顺作为激励源并将机车车辆和轨道 的相互关系引入模型中。 潘昌实【8 1 1 1 、梁波【1 2 】等采用一种能够反映列车荷载振动周期特点的激振函数 来模拟列车荷载，该函数可以反映出轨面不平顺、附加动载等因素的影响： p ( f ) = 只+ fs i n 国。f + s i n 国2 f + 只s i n 哆f ( 1 1 ) 式中， p ( f ) 列车荷载； 乞车轮静载； q 为某一频率的对应荷载幅值。 张玉娥等【1 3 1 根据现场轨道振动实测，结合随机振动理论对地铁列车振动荷载 进行模拟，并建立了列车横向振动的模型，求解得到了列车横向振动荷载的数学 表达式。 刘维宁、夏禾【1 4 】等采用地铁车辆一轨道系统的振动模拟来确定列车振动荷 2 第一章绪论 载。车辆一轨道振动系统的动力模型由车辆模型、轨道模型和轮轨间的耦合关系 组成。其中，车辆模型由多自由度的振动系统( 包括车体、转向架、轮对、弹簧) 和阻尼器编组的车辆系组成；轨道模型包括轨道以及轨道下的橡胶垫层和扣件， 并将其假定为三层质量一弹簧一阻尼器系统支持的弹性长梁，其中弹性长梁按有 限元处理，用以模拟钢轨，三层质量一弹簧一阻尼器系统分别模拟轨下垫层、轨 枕和道床。利用上述车辆一轨道系统动力分析模型，通过n e w m a r k 逐步积分法， 得到了列车荷载。 李军世i l5 j 等假设列车无限长，将列车每组轮载视为周期性移动荷载，用 f o 证e r 级数形式来表示，并将车辆竖向振动引起的附加动载简化为一个包含振 动幅值与频率的指数函数，利用波动的可叠加性，将列车车辆的全部轮载都加以 考虑来模拟列车荷载。 张犁怕2 0 】等是在现场测试的基础上，利用频谱分析方法，得出由地铁列车 振动而引起的轨道振动加速度的数定表达式，根据车辆系统振动简化模型，建立 了模拟轮系的运动方程，从而推导出地铁列车振动荷载。 1 2 2 循环荷载下饱和软粘土特性研究现状 对饱和软粘土在循环荷载作用下受力行为已有大量的研究成果，循环荷载可 分为短期循环荷载( 如地震荷载) 和长期循环荷载( 交通、风、波浪荷载) 两类。 风、波浪、机器振动等长期循环荷载作用有关的地基问题，由于荷载强度小、作 用时间长，影响较大的是变形问题。如日本某低路堤高速公路，在投入运行后， 路基发生了惊人的沉降，5 年后达l 2m 【2 。这表明在长期循环荷载作用下， 粘土变形随时问逐步发展，循环累积变形效应显著，应引起足够重视。目前饱和 软粘土在循环荷载作用下的动力特性研究方法主要为室内试验和现场实测两种。 软土的循环荷载效应研究开始于2 0 世纪5 0 年代，早期s e e d 【2 2 l ( 1 9 5 8 ) 及 其同事首先开展了低路堤交通往复荷载作用下路基变形特性研究。 w i l s o n 【2 3 珥】( 1 9 7 4 ) 等研究了循环荷载作用下非弹性正常固结粘土的一维固 结问题，推导出了循环荷载下土超孔隙水压力及沉降的解析解。 a n d e r s e i l 【巧哂l ( 1 9 8 8 ) 研究了粘土的循环剪切强度、变形及孔压变化规律。 s i l v e s t r i 【2 刀、n a f a s i m h a 【2 8 】等人研究结果表明循环荷载作用下粘土的有效固结 压力、变形、不排水强度受加载频率影响。 l i a i l 毋2 9 j 等根据边界面塑性力学概念，采用二阶应力张量结点不变量及粘土 构造张量考虑材料的各向异性，提出动荷载下饱和软粘土的本构模型。 杨丹f 刈等运用三轴仪对饱和状态下的浙江肖山粘土进行循环荷载试验，考察 了土的固结状态、循环偏应力、循环荷载频率和循环加载次数对动力响应的影响。 阎澍旺【3 l 】对新港重塑软粘土进行一系列静动三轴试验，得出了往复荷载作用 的累积轴应变励与累积孔隙水压力随加载次数的变化规律。 3 河海人学硕 = 学位论文 h y o d 0 【3 2 】等对重塑粘土进行了不排水循环三轴试验，预测了长期循环荷载作 用下残余应变和超孔隙压力的变化规律。 蒋军p 3 j 等用三轴仪反压伺服系统和体变仪联合装置，对粘土在长期循环荷载 作甩下的一维沉降进行了研究，发现土的固结变形存在3 个临界点，4 个变形阶 段。 张- 茹【h j 在振动三轴试验中，通过调整不同的激振频率，得到结论：当厂= o 1 4h z 时，动强度随着厂的升高而增大，但厂继续升高后，动强度确有下降的趋 势；当厂= l 6h z 时，总的趋势为频率越高，动孔压比越小。 黄茂松【3 5 】等在不排水三轴循环试验的基础上，分析了影响软粘土塑性变形的 主要因素，即循环荷载的作用次数，初始偏应力和循环加载动偏应力的影响。 朱登峰、黄宏伟【3 6 】等对上海淤泥质饱和粘土在长期循环荷载作用下的变形特 性进行了试验研究，得出以下重要结论：( 1 ) 当循环轴向应力小于初始固结压力 的5 0 时，饱和粘土的循环蠕变可分成三个阶段；( 2 ) 循环应变可分成不可逆的 累积应变与可逆应变两部分，可逆应变的大小与循环应力幅值近似成线性关系； ( 3 ) 孔压增长较为滞后，不排水试样孔压增长稳定时其值约为应力幅值5 0 ，而 排水试样的残余孔压约为应力幅值的2 0 。 钟辉虹、汤康刚3 7 】等通过现场测试和室内试验对压实粘土路基在往复列车荷 载作用下的受力行为进行了研究，运用试验结果定量分析了填土路基在往复列车 荷载作用下应力、应变反应特性，结果表明：路基填土在列车轮对荷载重复作用 下产生的累积塑性变形大小与路基土的饱和度密切相关，随着饱和度的增加，土 的动强度显著降低。 1 2 3 列车动载作用下土体特性研究现状 地铁列车振动的长期作用，使地基土的累积沉降增加【3 8 1 ，导致轨道竖向不平 顺，不平顺的产生会使车辆一轨道耦合系统的振动越来越强烈，机车车辆运行平 稳性不断降低，轨道结构承受的动荷载不断增大，其反复作用的结果必将导致轨 道结构可靠性下降，累积残余变形加大。反过来又加剧了机车车辆的振动，加大 行车时轨枕、道床所受的动应力，增加运行时的噪声，缩短轨枕及道床结构的使 用寿命，增加了地基土的累积沉降。 考虑列车动载下地基土变形规律，理论方法最早由f i l l i p o v 【3 9 】采用移动荷载 作用下的弹性半空间一梁模型来模拟列车一地基的相互作用。发现列车的临界速 度约为r a y l e i 曲波波速，这比采用、矾1 1 l 【l e r 地基模型的荷载临界速度要低得多。 l a b r a 【删将f i l i p p o v 的成果推广，考虑了梁的轴向应力，发现临界速度随轴向应 力的增大而减小。谢伟平等人【4 卜4 2 】将轨道一地基系统简化为半无限地基及成层 地基上的删e r 梁，研究了移动荷载作用下梁_ 地基的协同工作，得到了轨道 与地表面的动力响应；研究了移动荷载引起的土体变形及荷载自振频率和轨道对 4 第一章绪论 变形的影响。孙璐和邓学钧【4 3 l 研究了移动线荷载作用下无限长梁的动力响应。孙 景颁m 】对南京地铁一号线运营后进行了实际沉降监测。实际监测结果表明，一号 线在运营后的六个月内位移发展的速度呈现增长的趋势，出现了几个比较明显的 沉降槽，六个月后其沉降速率开始趋于稳定。 采用解析法来分析列车振动下地基土的变形问题时，对问题的几何和材料特 性都要做出很多限制，得到复杂条件的闭合解是非常困难的。当然，现场测试可 以得到更加合理且接近实际情况的结果，但是昂贵的费用和周期太长等特点使之 难以推广到工程当中。随着计算机的诞生和发展，各种各样的数值方法出现了。 对研究动载下土体的变形是非常有效的，这些包括有限差分法，有限元法和其他 一些方法。 b a l “4 5 】采用有限元加粘性边界的方法对新加坡地铁一土一结构物的振 动进行了分析研究。s c h i l l 锄a n s 【4 6 】采用部分现场测试与二维有限元法相结合的方 法，对地基和结构振动进行了分析。l a 瞒h a l l 【4 7 】用三维有限元法分析了列车引起 的地基振动。陈卫军【4 s l 对列车动载作用下隧道周围土体液化及振陷进行了二维有 效应力有限元数值模拟研究，得出了由于地铁列车动载作用，远不能使隧道周围 土体产生液化及振陷较小并可忽略的结论。程斌【4 9 】分析了软粘土在循环振动荷载 下的动强度、动变形，通过上海地铁一号线试验段的现场测试数据和地铁一号线 长期沉降监测数据，用二维有限元计算模型分析了静力状态下土体的位移规律， 认为受到扰动土体的位移规律应加强研究，提出了防治振陷的措施。边学成即】 通过沿荷载移动方向应用波数变换建立了2 5 维有限单元结合边界单元的数值模 型，分析了列车荷载、隧道结构、地基土性等因素对地基中振动波的传播影响， 给出了地铁运行时地基的振动和应力分布。 1 3 本文研究背景及意义 本文以广州市轨道交通四号线南延段黄洲站黄阁站为工程背剥5 1 】，线路长 约4 9k m ，设蕉门和冲尾两座车站。两站两区间位于珠江三角洲，沿线地貌以 珠江三角洲冲积平原为主，线路北部有突兀而起的花岗岩或花岗混合岩剥蚀残 丘。地表水系发育，线路跨蕉门活河及多条小河涌，沿线多为蕉林、稻田、菜园。 交通条件较好，地面相对平坦。沿线既有建筑物不多，主要是村民的房屋，一般 为2 3 层的砖混结构房屋和临时建筑，也有部分混凝土框架结构的房屋。 本区段浅层第四系地层发育，厚度大。主要是海陆交互沉积的淤泥 、 淤泥质土层 、淤泥质粉细砂、粉细砂层 、中粗砂层 特别发育， 分布广泛，厚度巨大，土的工程性能差。第四系底层河流冲洪积层中粗砂 特别发育，分布稳定呈厚层状产出。基岩为混合岩、花岗岩，岩层面埋藏较深， 河海大学硕_ ? 学位论文 风化不强烈，风化带发育较薄，中风化岩面埋深起伏相对较小。未揭露明显的断 裂构造或岩芯破碎的现象。地下水类型有：孔隙潜水，主要含水层为淤泥质砂、 粉细砂层 、中粗砂层 、中粗砂层 ，含水层厚度较大，富水性强， 地下水较丰富；强、中风化岩及断层破碎带中裂隙水，赋水性较好，裂隙水较丰 富。场地土类型为软弱场地土，建筑场地类别为i i i 类。 图卜l广州市轨道交通四号线南延黄阁至冲尾段位置示意图 里程y a k 5 2 + 8 4 0 至墩5 4 + 7 6 0 段采用盾构法施工，该区问隧道主要穿越 的土层为第四系全新统海陆交互相淤泥 、淤泥质土 ，局部地段夹 淤泥质砂层和 粉质粘土、粉土夹层，呈连续厚层状分布。为典型的软 土分布地段，具有含水率高，孔隙比大，压缩性高、固结度差、灵敏度高、抗震 强度低等特点。 广州地铁四号线列车采用直线电机系统，直线电机与轨道上的感应板间的气 隙要求严格，对路基的沉降要求限制很高，轨道结构在列车荷载的长期往复作用 下，土体的动应力变化和位移沉降量直接关系到后期地铁安全运营，四号线南延 段区间隧道正好穿越厚层状分布的软粘土层，如何合理的计算在列车动载作用下 土层中产生的沉降量及附加动应力是保证后期安全运营的重要保障，所以研究列 车动载作用下地基附加应力场和位移场变化规律具有十分重要意义。 6 第一章绪论 1 4 本文主要的研究工作及技术路线 地铁列车的长期振动会使隧道周爨的软土地层产生比较大的塑性变形，体 会发生不同程度的“软化 ，造成隧道结构本身的不均匀沉降。实际的工程经验 也证明了隧道在地铁运营后的一段时间里，受到列车动载作用而产生了比较大的 永久变形，影响了地铁后期运营的舒适性和安全性。本文以实际工程为背景，通 过室内试验和数值计算，研究地铁隧道土体在歹l j 车振动荷载作用下的动应力及位 移交化规律，对地铁的现场施工和后期安全运营提供一定的依据。本文的主要研 究内容如下： l 、概述了列车荷载的研究现状和循环荷载作用下软粘的动力特性研究现 状，详细说明了广州地铁四号线南延段的地层地貌特征和各种地质条 牛。 2 、室内软土特性试验研究，包括物理力学性质试验、共振柱试验、动三轴 试验和单向固结流变试验等。通过试验测试分析了软土层的基本力学特征，得到 的各种参数为数值计算提供动力分析参数。 3 、贫绍了f 酞c 原理帮f 【a c 3 d 程序，根据列车的参数计算了不同速度下 的列车荷载表达式，通过f l a c 3 d 三维有限差分程序计算了同一断面在不同列车 速度和不同体模量下的位移场、应力场及加速度的衰减情况，并对结果进行了 分析研究。 4 、结合室内单向固结流变试验结果，运用理论公式计算了不同压力下的次 砑结沉降量，通过f l a c 3 d 程序分别计算了列车静载作用下和动载作用下的沉降 量，并对结果铭了分析，运用指数益线法对列车动载作用下的隧道后期沉降进行 了预测。 本文的技术路线见下图1 2 所示： 7 河海大学硕上学位论文 图1 2论文技术路线流程图 8 第一二章土体室内试验研究 第二章土体室内试验研究 2 1 试验概况 广州市轨道交通四号线黄洲站黄阁站区间中，y a k 5 2 + 8 4 0 y a k 5 4 + 7 6 0 段 拟采用盾构法施工，而该区间土层以海陆交互相淤泥 、淤泥质土层 分布为主，软土层厚度巨大，揭露最大厚度2 7 7 0 m 。此区间范围内广泛分布的 淤泥层 、淤泥质土层 呈流塑软塑状，具有含水率高、压缩性高、 灵敏性高、抗剪强度低、承载力低、透水性低等特征，为典型的“三高三低不良 地基层”。当发生地震或受其它震动力的影响时，土层结构容易受到破坏，使土 的抗剪强度、承载力大大降低，造成土体下陷或土体的变形，并引起建筑物的下 陷，引起地铁结构的变形等。这种“三高三低不良地基层”对地下线设计、施工 和稳定性影响较大。 试验分析主要针对淤泥 和淤泥质土层 进行。对广州市轨道交 通四号线南延黄阁至冲尾段地基土进行了物理力学特性试验研究，试验内容包括 物理性试验( 含水率、密度、颗粒分析、比重) 以及动力特性和流变特性试验研 究。对淤泥质土、淤泥两种土样进行了动力特性试验，包括共振柱三轴试验、振 动三轴试验。从而提供两种土样的动剪切模量、阻尼比和动强度，为后面章节的 动力分析提供参数。 2 2 试验用土的选取及其基本特性 2 2 1 固结流变试验土料的选取 为了研究土料的流变性，对试验土进行了单向固结流变试验，测定其次固结 系数。试验用土见表2 1 。 表2 1 流变试验土层分布及基本土性指标 9 河海大学硕士学位论文 2 2 2 室内动力试验土料的选取 室内动力试验的土料共两种，两种土均为原状试样，分别取自不同深度处。 各土层分布及基本土性指标见表2 2 。由于动力特性试验土料用量较多，因此， 只能将所提供的2 组土样分别作为同种土料对待进行相关试验。也就是将淤泥质 土1 至淤泥质土5 的5 筒试样作为同种土，而淤泥l 至淤泥6 这6 筒试样 作为另一种土。 表2 2土层分布及基本土性指标 2 3 试验方法 2 3 1 物理性试验 物理性试验依据中华人民共和国土工试验方法标准( g b 厂r 1 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 测定，采用方法为：含水率用烘干法、密度用环刀法、颗粒分析用密度计法、比 重用比重瓶法。 2 3 2 共振柱试验 共振柱试验是根据圆柱状试样中弹性波的传播理论来测定土的动模量和阻 尼比。试验用的仪器为d t c - 一1 8 5 型共振柱三轴仪，仪器如图2 1 所示。试样直 径5 0 i l m ，高1 蛐，用橡皮膜包扎安装在压力室内施加周围压力和轴向压力， 使试样在预定的压力下固结。然后在试样顶端旌加扭转的谐振激振力，调节激振 频率使试样顶端的振幅达到最大值，这时试样系统发生共振，测得共振频率后 1 0 第二章土体室内试验研究 按下式计算剪切模量： g = p ( 2 7 无日f ) 2 ( 2 1 ) 其中f 由下式计算： 一确1 q 之 式中：山无试样时仪器转动部分的共振频率； 五试样项端激振器、传感器等附加质量的惯性矩； 局试样的惯性矩； r 试样的密度； 阡一试样的高度。 阻尼比根据试样自由振动的振幅随时问衰减曲线如图2 2 所示，确定对数衰 减率，然后按下式计算。 d = p ( 1 一j ) 一s 瓯】2 7 r ( 2 3 ) 艿：丢l n 善 ( 2 - 4 ) 爿，v + l 式中：卜试样振动系统的对数衰减率； _ 波峰数； 彳j 、彳胁l 第1 个和第+ 1 个波峰的振幅； 面无试样时仪器转动部分的对数衰减率； r 试样与仪器转动部分在振动时的能量比。 图2 1 共振柱三轴仪示意图 河海大学硕_ j 学位论文 图2 2 振幅衰减曲线 共振柱试样为圆柱状，剪应变r 取平均值，按试样顶端边缘处峰值剪应变的 2 3 计算。共振柱试验的固结压力依次为5 0l ( p a 、1 0 0l ( p a 、3 0 0k p a 、4 0 0 k p a ，固 结应力比= 1 。 2 3 3 动三轴试验 动三轴试验是将一定密度和湿度的圆柱体试样在轴对称的三轴应力下进行 固结，固结完成后再不排水的条件下作振动试验。 振动三轴仪见图2 3 。试样直径3 9 m m ，高8 0 m m 。试样在周围压力仍和 作用下排水固结，然后在不排水条件下施加轴向激振力。试样的固结应力比眨= ol o3 有1 o 、1 5 二种，回分别为1 0 0l 【p a 、2 0 0k p a 和3 0 0 l ( p a 。试样均为粘土， 不会发生液化，试样在周期剪切时以轴向周期应变( 眨= 1 ) 或残余应变( 疋= 1 5 ) 达到5 作为破坏标准。 图2 3 振动三轴仪示意图 1 2 0 鱼 心i - 7 n-_ 一 一 ， 第二章土体室内试验研究 2 3 4 固结流变试验 固结试验是研究土体一维变形特性的测试方法。它是测定土体在压力作用下 的压缩特性，所得到的土的各项指标用以判断土的压缩性和计算土工建筑物与地 基的沉降。土体的压缩性指孔隙的体积随压力的增加而减小，通过测定加压后不 同时间的压缩变形，直至各级压力下的变形量趋于某一稳定的标准为止，绘制各 级压力下的变形量与相应压力的关系曲线，从而求得各种压缩指标。本次试验是 在单向固结仪上进行。试样面积3 0 c m 2 、高度2 c m 。试验压力分别为：2 5k p a 、 5 0l 【p a 、1 0 0l ( p a 、2 0 0k p a 、4 0 0l 【p a 。 在每级压力下，测读不同时刻试样的压缩变形量，每级荷载的持续时间至少 l o 天。结合本文背景工程的实际需要，本文通过固结试验测得了各级荷载作用 下的次固结系数。 2 4 试验成果分析整理 2 4 1 物理性试验成果 对部分土样进行了含水率、密度及比重测定，其试验结果参见表2 2 。 颗粒分析试验成果见表2 3 ，这里给出了两种土料的颗粒级配曲线，具体见 图2 - 4 至2 5 所示。 表2 3 两种土料各粒组含量 淤土1 1 0 0 00 1 0 0o 0 1 00 0 0 1 粒径( n ) 图2 4淤泥质土l 颗粒级配曲线 绚即o 一9一删钮堪越昧巾f 河海犬学硕士学位论文 镟 奄 k 、， 、 h 、 l 淤泥6 晷 0 、 n 1 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 l 粒径( m m ) 图2 5淤泥6 颗粒级配曲线 2 4 2 共振柱试验结果 动力计算所用的剪切模量g 与阻尼比d 都随剪应变的大小而变化，其中剪 切模量与阻尼比在剪应变y 小于1 0 4 时用共振柱三轴仪测试，y 大于1 0 4 时用哈 定模型进行拟合得到，详见图2 7 图2 1 6 ( 图中oo 为平均有效固结应力) 。等 效剪切模量g 由下式确定： g ：三( 2 5 ) y 式中，f 周期剪应力幅值； y 周期剪应变幅值。 剪应变为1 矿时的剪切模量g 称为初始剪切模量，用g o 表示，通常也把它 当作最大剪切模量g m 戤。初始剪切模量g o 随试样的平均固结应力增大，图2 1 l 和图2 1 2 是二种试样的初始剪模量g o 与平均应力oo 关系线。由图中可以得到： g o 吐儿旧弛 ( 2 - 6 ) p a 式中：恕、忱由图2 1 5 和图2 1 6 试验结果确定的参数，如表2 4 所示，表中 d m 戕为最大阻尼比。 表2 4等效剪切模量与阻尼比参数表 1 4 如如0 嚣v删扣堪挝硖弗f， 第二章十体室内试验研究 按h a r d m - d m e v i c h 模型将剪切模量与剪应变y 改为剪应变与参考剪应变y ， 的比值上绘于图中，得到不同固结应力而异的归一化曲线。 参考剪应变的定义如下： y ，= 上 ( 2 7 ) n g o 一 式中：f ，为试样破坏时的最大剪应力，由下式计算： f 厂= 三o + k 。砂，s i n 伊+ c c 0 s 缈 2 一 圭。一k 。砂， 2 啦 c 2 8 ) 式中：一静止侧压力系数；矽一有效内摩擦角，试验中根据经验取3 0 。；盯，一 竖向压力；c 一内聚力。 临界阻尼比定义为土的阻尼系数与临界阻尼系数之比，本试验中等效阻尼比 根据滞回曲线按下式计算： d ：l( 2 9 ) 4 刑r 式中：4 厂滞回圈包围的面积，表示加荷与卸荷损失的能量； 彳广滞回圈顶点至原点连线所形成直角三角形面积，表示加荷与卸荷的 应变能。 r 逻 琢 w 孺 4 、 么 ，。i 箩 、w 一汐 图2 6阻尼比计算示意图 1 5 河海大学硕上学位论文 1 o e - 0 61 0 e 喵1 0 e - 0 41 0 e - 0 31 咂一0 21 0 e - 0 l ，y 图2 7 淤泥质七剪切模量比与剪应变的关系曲线 o 3 5 & 3 o 筠 也2 盎 o 1 5 仉l o 0 5 o i o b - 1 咂0 51 0 b - 饵1 匝- 0 3i o 吃1 匝一0 i1 0 踟0 y 1 0 e - 0 61 0 e 0 51 0 e 0 41 0 e - 0 31 0 e - 0 21 0 e 0 1 t 图2 8 淤泥剪切模量比与剪应变的关系曲线 0 3 5 瓴3 n 2 5 晚2 q 0 1 5 0 1 0 0 5 0 1 e 0 6 1 e d 5 1 e o t 1 e 一0 31 e 寸21 e o l1 e + o o y 图2 - 9 淤泥质土阻尼比与应变关系曲线 图2 i o 淤泥阻尼比与应变关系曲线 l 眶一1 0 弘陀1 o 量- 0 li 0 斟0 0i 咂+ 0 i1 眶+ 位1 o 黔 x yr l o 9 0 8 o 下 0 6 o 5 o 4 0 3 o 2 0 1 0 1 值0 3 1 饨0 21 吧- o l1 o e + 0 01 0 黔o l1 0 e + 0 2 弋| t t 图2 1 l 淤泥质土剪切模量比与剪应变比的关系曲线图2 1 2 淤泥剪切模量比与剪应变比的关系曲线 1 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 m吼仉仉吼良m乱吼 xe。o l a ， 8 7 6 c u 4 p o 厶 1 o o v o 0 0 0 o 0 o xd巨oo 基_黑)o l 9 8 7 6 5 4 3 2 l o o 啦 毗 o o、口 第二章土体室内试验研究 l e - 0 31 0 0 e 寸2l e 寸l1 o 呃+ 0 01 0 0 e + o l 1 o o e 叼2 ￥，y t 图2 一1 3 淤泥质土阻尼比与剪应变比关系曲线 图2 1 4 淤泥阻尼比与剪应变比关系曲线 毒1 5 荟 舌l 4 l 剑黼 l 0 旺恂2 1 o e i o l l 创姗 l e 0 2l o o e 吣l l 0 0 e 叼d1 0 0 e 吣ll 0 0 e 叼2 oo ，p a 图2 1 5 淤泥质土最大剪切模量与固结应力的关系曲线 o e * 譬 o 1 o 酗0 5 1 缆+ 0 4 1 饨+ 0 3 i o e 均2 1 0 + o l 1 0 酣o o 1 o o e o l1 0 娓+ 1 0 0 暑+ o i1 e + 0 2 o o 泌 图2 一1 6 淤泥最大剪切模量与固结应力的关系曲线 2 4 3 振动三轴试验结果 通过振动三轴试验得到了不同固结应力比下淤泥质土和淤泥两种土料的动 强度，得到了不同周数下的固结压力o3 和剪应力tl 的关系曲线，试验结果为后 面章节的数值计算提供土体动力参数，详见图2 1 7 图2 2 6 。 一一j o 。一- 。，、 “：”曼：、： 、孓二： ；警 、簪一叠。 f ：，：，jl 嚣f ； ij ：。o! + ；+ i 二一： ? 一j 镬嘲一啼童佟 一撼q 钼 l j 1 ：；f j 。cj1 1 ： l 一 粤 110l l 使m 膏 图2 1 7l 【c 1 o 时不同围压下的淤泥质土动强度 1 7 加 约 o “一h i 0 ： 等、；： 上； 。 ：t 1 。 ：飞 + ? ? ：h ： 7 一r ；+ i ；f j f辚 一j ；炙 ! = i 。i j j 滋 。 i j ! ； ； j ； i 蠢lk i 翮 ! ：- t ；- 撩栎 1 f 7 h h * 长 挂 澜1i l j l 1 0l 1 0 胃 图2 1 8k 产1 o 时不同围压下的淤泥动强度 。们吣“们虮o l 点q m 河海大学硕十学位论文 图2 一1 9k = 1 5 时不同围压下的淤泥质士动强度 图2 2 0 ：c - 1 5 时不i 州围压下的淤泥动强度 1 4 0 2 1 2 0 、二i o o 8 0 6 0 4 0 2 0 o 1 0 0 o5 0l o o1 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 0 。o o3 ( k p a ) o5 0l o o1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 o ，( k p a ) 图2 - 2 l 胆5 时不同固结比下淤泥质土的o3 i 图2 2 2 肛5 时不同固结比下淤泥的o3 i _ 、= 1 5 0 1 0 0 o 0 5 0l o o1 5 02 0 02 5 0 3 0 0 3 5 0 o3 ( k p a ) v 1 5 0 1 0 0 5 0 o o5 01 0 01 5 02 2 5 03 0 03 5 0 o3 ( k p a ) 图2 - 2 3 芦1 0 时不同固结比下淤泥质土的o3 7 l 图2 - 2 4 胆1 0 时不同固结比下淤泥的o3 t i 1 8 第二章体室内试验研究 05 0l l s o 2 0 2 5 03 3 5 0 o3 ( k p a ) l o o 5 0 o 05 el o o1 5 02 2 5 03 0 0 3 5 0 o3 ( k p a ) 豳2 氆胆2 0 时不阉固结陇下淤泥质生的o3 l 墅2 之6 胆勰黠攀尾爨终毙节淤泥鹣o3 l 2 4 4 固结流变试验成果 流变试验成果列于表2 5 。表中列出的次固结系数可用于次固结变形的计算。 表2 5 单向固结流变试验成果表 + 矬 取主深度初始孔 压力本级荷载试 本级荷载结柬 次固结系数 ( 毽) 黧魄( k 魏) 验历对( 擞法)时试样孔豫毯：