（环境工程专业论文）非饱和土含水量与力学参数的相关性及其工程应用研究.pdf

北京交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t 1 l ed i s t r i b u t i o no ft h eu n s a t u r a t e ds o i li sv e r yb m a d 1 “sv e r yc o m m a nt h a t t h eu r b a i ls u b w a yc o n s t n l c t i o nc r o s st h eu n s a t u r a t e ds o i l - w ew i l lf i n dt h e m e c h a i l i c sa n ds 仃e n 粤hp r o p e r t yc h 雒g cw i t l lt h cv a r i e t yo fw a t e rc o m e n t 缸 ar e s u l t t h er c s e a rc ：ho ft l l ei n f i u e n c co fu n s a t t l r a t e ds o i lw i n ld i f ：f 色r c n tw a t e r n t e n th a sag r e a tm e a i l i n gt ot h ec 嘶s t r u c t i o no ft l l ec i t ys u b w ay t h e s t a b i l i t yo ft h es o i li sm a i n l yd c t e 皿i c db yt h ep a r a m e t e ro ft h es h e 盯 s t r e n 彤hw l l i c hh a sap r o b a b l yi m p o n 卸tr e l a t i o n s h i pt ot h es t m c t u r e ，d e n s i t y a n dw a t e rc o n t e n t f 如ac e r t a i np r o j e c to fs o i l ，t h es t m c t u r ea n dt h ed e n s i t yo f t h es o j lw j j 】n ) tc b a n g ef e a t l yj nac e n a i np a n o 咖叩盯e dw i t ht l l es t m c t u f e 孤dt h ed e n s i t yo f t h es o i l ，t h ev a r i e t yo ft h ew a t e rc o n t e n th a sap r o b a b l y g r e a ti n n u e n c et ot h ep a f a m e t e ro ft l l cs h e a r 蛐r e n 粤he s p e c i a l l y t ot h e u n s a t u i a t e ds o i l b e i j i n gs u b w a y ，s l l z h o us t r e e ts t a t i o ni sai m p o n a n t 柚dc o n 咖l l i n gp r o j e c to f t h ei j n e1 0 ，b e i j i n gs u b w a y t h ep 弱s a g ci sb a s e d t l l ep r o j e d w ea n a l y z e t h ev a r i c t yo ft h ee n 画n e 鲥n gp m p e r t i e so ft h eu n s a m r a t e ds o i lw i t hd i 廿e r e n t w a t e rc o n t e mw i t ht h em e t h o d so fo n s i t es 锄p l j l l ga l l dg 他e n h o u s et e s t w c a l s of o u n dt l l es e i i e sm o d c lo ft h e 口a r a m e t c ro fu s a t u r a t e ds o i lw i t ht h e v 枷e t yo ft h ed 印t h 卸dw a t e fc o n e n t a tl a s t ，b a s c d 彻t 1 1 ed a l a o ft b e e x p e r i m c n t s ，w em a l 【e u s eo fal a f g cu n i v e r 阻lf i n i t ce l e m e n ta l l a l y s i s c o m p u t e rp m 铲a mn a m e d a n s y st od oal a 曙e 邮m e f i c a ls i m u l a t i t 0t h e w h o l ep r o 伊e s so ft h ec o n s t n i c t i o ft h es t a t i o n f m mt h ea n a l y s i so ft h e t e s u l to ft l l en u m e r i c a ls i m l l l a t i o n ，w ew i nl 【l l o wt h es n 即垂hp r o p e n ya n dt h e d e f b n n a t i o nc h 啪c t c r i s t i c so ft h eu n s a t u r a t e ds o i ld u r i n gt h ec o u r s eo ft h e c o n s t m c t j o n k e y w o r d s ：s u b w a yc o n s t r u c t i o n ，u a t u r a t e ds o i l ，w a t e rc o n t e n t ，s t r c n g t h p m p e n y d e f o m l a t i c h a r a c t e i i s t i c s ，6 n j t ee l 啪e n t ，删m e r i c a ls i m u l a t i o n 】绪论 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 随着全国各大中城市现代化程度不断进步，城市地铁的修建不但缓解 了城市路面交通，在一定程度上解决了空间立交等问题，而且己成为城市 现代化的标志。但在修建地铁过程中，由于城市中各种建筑物、道路及地 下管线等影响施工的因素的存在，使修建城市地铁隧道受到各种严格条件 的限制，如控制地面沉降、保护建筑物、确保人们的日常工作和生活的物 质环境、保证交通、保护地下管线等，所以城市地铁施工与在山区修建公 路或铁路隧道相比有着更加苛刻的要求。山区隧道工程的稳定只需要保证 不坍方，采用新奥法施工的隧道工程，甚至允许围岩有一定的位移量，以 发挥围岩的自承能力。而城市地铁施工产生的位移要受到地面建筑物允许 变形值及地下构筑物和管线允许变形值的控制。这就要求在进行城市地铁 施工过程中要保证土体的稳定性，不能出现过大变形，更不能出现塌方等 严重事故。 要保证施工过程中土体的稳定性，就必须要了解地铁开挖地段土体的 性质。非饱和土在地球上分布范围很广，再加上近年来由于城市建设工程 的旌丁降水和过量开采地下水人为形成的非饱和土，使其在实际施工过程 中非常常见。非饱和土是相对于饱和土而言的，饱和土的孔隙中充满了水， 孔隙水压不小于o ；非饱和土孔隙中同时含有气体和水，孔隙水压可能小 于0 ，水和气体接触面是典型的弯液面。 非饱和土的分布十分广泛，与工程密切联系的地球表层土都可认为是 非饱和土。干旱和半干旱地区的土处于非饱和状态，土体孔隙中为孔隙气 和孔隙水所填充，这些土是严格意义上的非饱和土；土坝、铁路和公路路 堤填土、机场跑道工程的击实填土也是处于非饱和状态，亦即非饱和土； 港口平台、管路等离岸工程中所遇到的土，往往是含有生物气的海相沉积 土，生物气以气体空洞或大气泡形式存在于土粒之间。另外，在地下水面 附近的高饱和土，其孔隙中也可能溶解了部分气体，气体以气泡形式存在 北京交通大学工学硕士学位论文 于孔隙水中，气泡尺寸与土粒尺寸相当。以上两种含有气泡的土也可以认 为是非饱和土。可见，非饱和土分布十分广泛。饱和土是非饱和土的特例， 真正意义上的饱和土在工程实践中是不存在的。非饱和土是工程实践中常 遇到的土类，为了在工程实践中充分了解非饱和土的力学性质对工程实践 的影响，对非饱和土的研究十分必要。处于饱和状态下的土与处于非饱和 状态下的土，其性质是完全不同的，如分布在我国西南地区的膨胀土遇水 产生体积膨胀，而分布在我国西北地区的黄土遇水产生湿陷，因此对非饱 和土进行独立研究很有必要。 工程实践证明，非饱和土的强度比饱和土复杂，结合北京地铁苏州街 站区域土层的实际情况，本文的研究的主要目的是搞清楚地铁施工环境下 非饱和土体含水量与其力学性质的关系，进而通过模拟计算分析其稳定 性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地铁施工对非饱和土体稳定性影响的研究现状 在城市中修建地铁工程，不论暗挖、盖挖、明挖都是从原始地面以下 取走土体，由于非饱和土的分布十分广泛，城市中的地铁工程遇到的绝大 多数都是非饱和土。无论其埋深大小，将一部分土挖走都会扰动周边土体 使之失去原有的平衡，而逐渐向新的平衡转化，即由土体的初始应力状态 转向土体围岩的二次应力状态。在这个过程中地下及地表面土体的稳定性 势必会受到影响，主要表现在会发生或大或小的位移及变形，严重的甚至 发生坍塌。如果地面变形较大而不采取适当的措施加以控制，则地面建筑 物及交通系统将遭到损害。过往的教训告诫我们，由于设计不周或旄工 措旅不利而造成地面沉降及基坑滑坡事故时有发生，如在2 0 0 3 年，北京 地铁五号线崇文门站就发生过坍塌的事故，造成严重经济损失和社会影 响。开挖施工破坏了非饱和土体的原有状态平衡状态，会造成地表下沉、 水平位移、倾斜位移、净空收敛等土体变形。因此近几十年来，城市地铁 工程开挖所导致的地下土体及地面沉降预测普遍引起重视。然而企i 蛩制止 2 1 绪论 变形是办不到的，因为开挖破坏了非饱和土体原来的稳定状态，土体要达 到新的稳定状态是需要一个过程的。因此我们要做的是研究开挖地段非饱 和土体的性质，并根据地表保护的要求，采取有效措施控制地表沉降，保 持地铁施工周边土体的稳定性，以使地面建筑物不至于造成损害。 如果拟开挖的车站底板标高在地下水位以下，则还要进行工程降水。 降水必然会引起土体的含水量发生变化，进而影响到土体的力学性质，严 重的还会产生较大的地表沉降。 1 2 2 含水量对非饱和土工程性质影响的研究现状 土体的稳定性在很大程度上取决于土的抗剪强度指标，土体的结构、 密度、含水量等因素都与抗剪强度指标有很大的联系，对于某一土体工程 来说，土体的结构与密度在局部范围内的变化不会太大，相对而言含水量 的变化对强度参数的影响可能要大于其它因素，尤其对非饱和土体来说， 含水量的变化除了对一般抗剪强度指标的影响外，还直接影响了非饱和土 的一个重要的指标基质吸力。基质吸力与非饱和土体的表观凝聚力有 关、而表观凝聚力是土体总凝聚力的一部分，因此，含水量的变化对非饱 和土体的强度参数有很大的影响，进而对非饱和土体的工程稳定性也有明 显的影响。 众多相关领域的学者一般都通过室内三轴试验就含水量的变化对土 体抗剪强度的影响进行研究，从而得出土体抗剪强度参数随含水量变化的 规律，并拟和出近似公式，结果表明含水量的变化对非饱和土的强度有很 大的影响，这对工程设计和工程稳定性预测是非常重要的。 如刘洋在他的论文中就应用回归分析得出了式( 1 1 ) 和式( 1 - 2 ) ，并根据 试验数据确定了口、6 1 、口：和6 ：的取值范围，如表1 - 1 所示。 c ；口1 e 舢 ( 1 1 ) 妒i 口2 e 如“ ( 1 2 ) 3 j 京交逶大学王学疆圭学经论文 表1 1 参数取值表 参数数值 嚣1 b l 魁 堍 2 聪2 8 2 5 2 0 5 - 0 0 6 5 2 一0 0 7 6 2 柏6 4 6 6 7 0 6 5 国。氍7 6 吨。0 4 9 6 李兆平博士在他的论文中也裰出了非饱和土的含水量对其粘聚力c 有较大影响，而对内摩擦角妒影响很小的结论。 裁翠然在她的论文中对菲键和主静基震啜力相含东量静关系遴行了 实测和数据的拟和。 1 2 3 嚣饱和办学聚究发展现状 工程中遇到的大多数处于非饱和状态，滋陷性黄土、膨胀土和入工 填士都鼹典型的非饱和土。非饱和士是固液气三相艇合介质，其 工程性璇十分复杂，怒2 0 世纪9 0 年代以来国际学术界关注的热点之一。 1 9 斡冬翻拿大s a 曦a l 穗c w a n 大学懿羝d l u 醛教授窭叛了“s o i lm e 曲a 珏i c s f o ru n s a t u r a t e ds o i l s ”，1 9 9 5 年9 月和1 9 9 8 年8 月先后在巴黎和北京召开 了第一届和第二届国断非饱和土会议。发展非饱和土力学是2 1 世纪初土 力学戆一壤基本轾务。 ( 1 ) 非饱和土韵蒸本性质 非饱和土就是在士粒问的孔敝中既不为孔隙水完全填满( 不是饱和 土) ，瞧不必孑l 隙气究全填满，面楚嗣对为孔黢求和孔骧气共鼹填满。土 在滚菰过程静最初阶段通常是键耨的，并在萁覆盖层酶重力俸蔫下匿结。 随着时代的变迁和地质变化，以及土中水分的蒸发，地下水位逐渐降至地 表面以下，沉积层慢慢开始干燥和脱水；地表面的革和其他椴物生长时根 部鼹i 魏潦孛承蓬麓瓣张力终震送一步嫠壤于漂露袋交嚣镪窝主。 锪 和土是种由土的固朔( 土粒) 、液相( 孔隙水溶液) 和气相( 孔隙气体) ， 以及液气接触面艇同组成的多相体系。 4 l 缮蹙 这熙我们将士中的气水分界黼一收缩膜作为第四相，正是由于收缩 骥豹夺巍，主孛豹滚鞠和气摇可以骞不同妁斑力燕。然两收缀貘通常只舂 几个分子层的厚度，猩土中所占的糟对体积很小，因_ l 毙建立的各裙之闻 的体积质量关系时，可将其视为液相的一部分而不会有太大的误差。 另一方蘧收缩膜在外力作用下的性状同固相类似，考虑的锫捆势力平衡 条俘辩，胃疆近夔薹将窀按露葙对待。这样，饕滚墨拜在实弱中爵夔看终是 三相系。 ( 2 ) 嚣饱和土的强度理论 j # 键和主豹强瘦公式毒嚣类；一是b i 盎瞪公式。班曲蹿公式豹实瑷 是饱和土的m o 碡c o u l o m b 强度公式，即甩非饱和土的有效威力代替饱和 土的有效应力而得到的；二是f f e d l u d 公式。这个公式是用非饱和土独 特的瘦力状态交量来援述j # 键和的强度。这拜类强度公式的本质是一致 的几都蹙敬m o h r - c o l l l o m b 破坏漆剃为基穑静。b i s h o p 震j 键和土兹有效 应力代替了m o h 卜c o u l o m b 强度公式中的饱和土的有效应力；而f r e d l u n d 则把嚣嘏积土有效威力公式的净碰力盯一醒。秘麓襞吸力“。一麒。两个应力 参量作为独立的应力状态变量来磷究菲饱和的强度。 m o h r c c m l b 强度准则 b i s h 和g r e e n 采用独立控制三个主应力的三轴仪进行试验，试验 结果表籀，搴象一瘁套强度难羽最遥合予弦述主髂强度理论。黪仑q 珏l 瓣秘 提出材料屈服的最大剪应力理论，其表述式为： k = 华= 常量 ( 1 3 ) b i s b o p 公式 c o u l 锄b ( 1 7 7 6 ) 根据砂土的摩擦试验，把抗剪强度表= 逸为滑动面上法 相总疲力的线性蘧数； f f * 拶怯n 妒|( 1 4 ) 后来把戏( 1 5 ) 推广为粘性土的强度公式： 5 建京交逶大学工学颈圭学攮论文 百，= c + c r t a n 妒( 1 5 ) 式中：f ，抗剪强缓； c 。有效凝聚力； 剪切磷上的法囱正威力； 有效内黪攘角。 m d l 蚰d 公式 硪攒强d 用仃一甜。鞠甜。一h 。佟必菲饱土的廒力状态变曩，邋过壹剪试 验和三轴试验研究了非饱和土的强度特性，得到了下列公式： f ，黼c + ( d 一群。) t a n 妒+ 0 。一“w ) t a n 妒6( 1 - 6 ) 式中：毒效凝聚力； 一。狰难应力； 蹦。孔隙气压； 有效凝聚力； “。一“。濑斌吸力； 舻8 强度随基质吸力交纯的摩擦惫。 ( 3 ) 非饱和土的变形理论 的变形特性必蠢以下援德：非线性和非弹性：塑性体移 成变和剪胀 往；塑瞧多彗应交：袋健秘软证；瘛力路径窝反力历史对变形懿影璃。卢繁 钧在i 仑述天然土的变形和破坏机瑷所包含的备种复杂因素时，将其概括为 五个方面的影响，即：应力方顾，包括应力灏型、应力水平和应力途径 夔影确；应变方鬻，包摇弹性、蹩洼、宓鬟王磺纯、熬王欺识以及由魏瑟 产生的残余强度和逐渐破坏等影响；孑l 隙水方面，包括圈结排水条件、 凝聚力和内摩擦角随含水量变化的影响；加荷速率及受力时间方面，戗 6 】绪论 括瞬时荷载、长期荷载、震动作用下的强度和流变等影响；土的不等向 和不均匀性所产生的影响。 ( 4 ) 非饱和土的吸力 相对于饱和土而言，非饱和土的孔隙中不是被水充满，而是同时含有 孔隙水和孔隙气具有独特的力学参量吸力，因此准确测量吸力是研究 非饱和土的关键。 吸力的概念来源于土壤物理学，吸力的原意是吸水，即土壤吸水的能 力。士体吸力的大小反应土体中孔隙水的自由能状态，水的自由能可以用 水蒸气压量测，土体吸力与孔隙水的蒸汽压之间的热动力学关系可以表示 为： s ：一旦l n 坚 ( 1 - 7 1 如 v o 式中：s 土的吸力( 总吸力) ( k p a ) ： r 摩尔气体常数( 8 3 1 4 j ( m 0 1 k ) ) ； 丁绝对温度( k ) ： y 。水的比体积或水的密度的倒数k g ) ； 啦水蒸气的摩尔质量( 1 8 0 1 6 9 m 0 1 ) ： “，孔隙水的蒸气压( k p a ) ； “，o 同样温度下，纯水平面上方的饱和蒸气压( k p a ) 。 ( 5 ) 非饱和土吸力与抗剪强度的关系 己经有学者注意到了基质吸力与抗剪强度之间的关系( f r e d l u n d ， h r a h a r d j o ，k k h a n ，e s c a r i o ) ，一般认为抗剪强度随吸力增加而增大， 不过，吸力的影响有一个极大值，e s c a r i 称之为临界吸力，一般认为基 质吸力的变化虽然对土的力学性状产生影响，但是这种影响随土趋近完全 变干而愈来愈不重要，换言之，吸力变化对干土的抗剪强度已经不起多大 作用，对干土而言，净法向应力a 一“。成为控制其力学性状的唯一应力状 7 北京交通大学工学硕士学位论文 态变量。沈珠江认为无论是b i s h o p 理论还是双应力变量理论都无法同时 应付湿胀性土和湿陷性土，作者提出了广义吸力理论，吸力的存在增加了 土颗粒之间的抗滑阻力，随着含水量的降低，吸力不断增加，理论上吸力 可以达到1 0 m p a 以上，但是，实际上土体抵抗变形的能力并不随吸力的 增大而成比例的增大，由此作者提出折减吸力的概念，折减吸力也称有效 吸力，亦即只有吸力中的一部分能有效地增加土体的强度和抗变形能力， 广义吸力是有效吸力概念的自然推广，即把凡是能有效的增加颗粒间抗滑 阻力的因素包括进来，不管它来源于基质吸力还是颗粒之间的胶结力和咬 合力。 1 3 研究课题的提出 北京地铁苏州街站主体总长1 9 3 1 m ，总建筑面积1 0 7 5 6 2 m 2 ，车站为 双层暗挖( 局部单侧暗挖) 直线侧式车站，双层暗挖段宽2 2 5 m ，埋深 6 o 7 0 m ，单层暗挖段宽1 6 2 0 m ，埋深1 2 1 3 m ，车站结构底板埋深约 2 3 o m 。主体为浅埋大跨暗挖车站，车站底板埋深在地下水位以下，工程 区有层间潜水和潜水两层地下水存在，同时部分地段可能分布有上层滞 水，车站建在第四纪冲积层中，不仅埋深浅，岩土体强度低，地下水位高， 而且地铁线路地表车流、客流量大，线路两侧建筑物多，燃气、热力、上 下水、电力和电信等地下管线多，在这样一个复杂的条件下进行地铁建设， 既要确保旌工安全，又要使沿线施工环境在施工活动的波及下不受或少受 影响，保证社会生活秩序正常，施工难度很大。同时根据场地地质条件施 工过程中产生灾害性变形沉降与浅蚀、流土、流沙的可能性都较大。由于 地下水位高，都要采用抽水降水的方法将地下水位降至地下隧道底板以 下，加之浅埋隧道又处在软岩层中，地铁施工必然对自身结构和沿线两侧 建筑物及各种市政设施的稳定性产生影响，一旦变形过量就将危及施工和 公共环境安全。 本研究课题正是依托于北京地铁苏州街车站的建设工程，在车站开挖 过程中实地取得不同埋深的非饱和土样，来研究非饱和土在不同含水量条 件下对其工程性质的影响。 8 i 绻论 1 。4 本文的研究思路、内容凝方法 零论文将主要礤巍缝铁施二环境下菲键秘台零量对其撼剪强度攒 标和变形特性指标的影响，并依粥研究得到的戚粜，运用有限元的方法对 车站主体单、双层暗挖断面进行数德模拟分析，谶而探讨非饱和土体的变 形及强菠特性。 基予上述研究思路，本文的圭臻研究内容殿方法有殴下4 点： ( 1 ) 落清地铁苏州衡车站区域土胺分布情况殿其地质构造哭系，介绍 甭弱类型 # 遮积麴嚣空分毒； 2 慕蘼现场取群、塞内试验的方法，磺究非德秘静菰翦强度指标e 和毋在不同含水量条件下的变化规律。 国投援室鑫试验鳃藏栗，羹会崧工程魏察掇鸯孛麴数据，综合努 析遗铁荔耀街站追区滞饱和觞抗剪强度及舔缩模量指标与台永量之闻 的关系，建立非饱署口土体各指标参数随深度及禽水量变化的涟续模型。 搿斑研究藏粟癍翅到她铁莠娜衡站静工程实践当中，充分考虑工程 绣区不稳馁质、不露禽瘩量层分京瓣髫黎，建立遽铁车站藏圈老露静 模型，避用有限元的方法对车站主体单、双层嗡挖段的开控步骤进行数德 模拟分析，根据分析结果总结出地铁施工环境下非饱和土体的稳定性规 律，蒡将蒸应曩予王穰实菠。 挚 北京交通大学工学硕士学位论文 2 地铁苏州街站场区概况和主要土体特征分析 2 1 工程概况 北京地铁十号线苏州街站位于北京市海淀区海淀南路与苏州街的交 叉路口，其平面分布示意图参见图2 1 。 图2 1 地铁十号线苏州街站地理位置平面示意图 拟建苏州街站的有效站台中心里程为k 1 + 3 5 6 5 0 0 ，车站主体总长 1 9 3 1 0 m ( 含结构外缘) ，总建筑面积1 0 7 5 6 2 m 2 ，其中主体机构面积为 7 9 1 3 8m 2 ，附属建筑面积为2 8 4 2 4m 2 。车站为双层暗挖( 局部单侧暗挖) 直线侧式车站，站台类型为分离岛式。双层暗挖段宽2 2 5 0 m ，埋深6 o 7 0 l i l ：单层暗挖段宽1 6 2 0 m ，埋深1 2 1 3 m ；车站结构底板埋深约2 3 o m 。 车站中心里程k 1 + 3 5 6 5 0 0 处轨顶标高2 9 7 7 m ( 埋深约1 9 7 0 m ) 。 2 2 场区地貌地形及气候条件 工程场区位于金沟河故道之间所夹的河间地块谪；淀台地上，在地 貌上属于永定河冲洪积扇的中上部，场区自然地形基本平坦。根据本次水 文地质勘查资料及岩土工程勘察成果，工程场区钻孔孔口处地面标高在 4 9 1 8 5 0 9 6 m 之间。 工程场区所在区域( 北京地区) 属典型暖温带半湿润半干旱大陆性气 1 0 2 地铁苏州街站场区概况和主要土体特征分析 候区，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。多年平均降水量6 4 0 m m ，降雨量 季节性变化大，年降雨量8 0 以上集中在汛期( 6 9 月份) ；降雨量的年 变化也十分悬殊，历年最大降雨量1 4 0 h 6 0 l i 助( 1 9 5 9 年) ，最小降雨量 1 6 8 5 m m ( 1 8 9 1 年) 。根据1 7 2 4 1 9 9 7 年2 7 0 多年的观测资料，年降水 量有明显的周期性变化规律，短周期以2 3 年为主，中周期约1 1 年，中 长周期为踟8 6 年。北京地区多年平均水面蒸发量1 8 4 3 8 m m 。 2 3 场区主要土体类型的分布高程和范围 根据岩土工程勘察报告，工程场区自然地面以下4 5 m 左右深度范围 内地层分布及有关岩性特征自上而下概述如下，地层分布剖面图如图2 2 所示( 见下页) 。 ( 1 ) 人工堆积层。该层分布于地表，主要为杂填土层和粉土填土1 层； ( 2 ) 第四纪沉积层。人工堆积层之下为第四纪沉积的粘性土、粉土和 砂、砾卵石层。 2 4 区域水文地质条件 2 4 1 区域水文地质背景条件 北京市区大部分位于永定河冲洪积扇上，第四纪冲洪积层厚度由西向 东逐渐增大，岩相变化规律一般为：西部山麓为冲洪积扇的顶部，以厚层 的砂土、卵砾石地层为主；向东于城区大部分范围内，地层过渡为粘性土、 粉土与砂土、卵砾石土层的多个循环；再向东、北延伸时，在广大的东郊 及北郊地区，底层则以厚层的粘性土、粉土为主。 工程场区位于北京市区西北部，所在区域地貌上属于永定河冲洪积扇 的中上部，地层主要为第四纪冲洪积的粘性土、粉土和较厚的砂、卵砾石 层相互沉积。 1 1 匦幢慕恬求噬菪凶蜜驰h格妪军根好妒+聪鲴甲n匝 。隧k譬捺窨州最博置念丫a霞陬州翟毯媾鞲搐毗兮q州m兮oh 0昌h恒峰 |：噬k_i_【瓣g州最州集，刊集蟮蠡墨隧噬k o_【献g删状叫杂品刊撂，*巢峰杂状眯州k蠹en【n0葛_【恒鉴 靼噬 *扣留*挺m蜜烈h喇噬燧喽。l一据龌鑫咏稚噬喽一会导，令疑冥噬匿凰，悼虽最卜山9nn0o高眶肇。噬。卅娶冥噬，h捶骥悼口球箍哩啦一州桀，喽叫巢集状卜墨mz【0磊挺蜷一噬。州宴球嚣喔啮一e盆哥，会疑，蹬嚣圄，悼最状丫a导on_0n。q恒蠖 。瞪。州察，噬一粲螟窭隧噬一会弈，畲霹米希喧噬。刊帮峰豁，哒卅霎采l宣-【t霉0葛口t馆蜷e。鼎 戗秘犁扑一器扑h扑杉皤杈谣菩 2 趣赣芬难舞懿壤鼗耪i 菇帮主要髂特 菱势捱 根据北京市区浅层地下水位动态规律研究的成果，j b 京市区对工 翟建设窍影响豹浅屡舞蠡下象可划势为三令大区( 1 、l i 、i l i ) ，缨势力七个 亚区( i a 、i b 、k 、l l a 、l i b 、l 】b 、鞠b ) 。本场戮位于i a 亚隧。h 亚区遣 面以下3 0 m 深度范围内一般赋存脊3 层地下水。第1 层地下水埋藏较浅， 含水层为埋深6 l o m 以内的粉层( 局部含粉细砂层) ，地下永类型为 台逢渗窳。第2 震滚下承赋存予壤漾l o 2 0 鼹左右懿移、露繇石蘑审， 地下水畿型属层间潜水。埋深约2 2 2 5 m 以下的砂、卵砾石层中则分布 着第三层地下水，地下水类型，地下水类型属潜水承压水( 当地下水 位抵予会零屡瑗扳瓣必潜零，当缝下瘩整鞍惑或在菜些特定懿缝震分毒条 件下为承压水) ；根据经验，该含水层与西郊单潜水含水层连通性较好， 因此，蹶郊潜水的水位变化将对该层地下水的水位变化产生鼹接影响。 从聪域选下承豹於给冬薛分析，本亚速台地潜水的天然动态类型属渗 入径流型，主要接受大气降承入渗补给，并戳蒸发、径滚等方式摊渣； 区域层间潜水的天然渤态类型属渗入径流型，以大气降水入渗、地下水 侧良径流为主，排泄方式主要为侧内径流和越流；潜水承滕水的天然动 态类羹满渗久径滚麓，静给方式为逮下拳蘩囱经滚纛越滚，磐疆鬻囊径 流、人工开采为主蒙排泄方式，受地下水开采等人为因素影响，多年来该 层地下水水位变化较大。另外，根据区域地下水背景资料，雄皿区层间潜 承帮潜水承压拳戆慧谚流囊均兔瘗疆肉东。 2 4 2 区域地下水位动态分析 ( 1 ) 潜水承压水水位动态 辗糕炎辩显示，王程场嚣掰褒嚣域豹灌零承蕴拳瘩毽多攀亲交纯螟 度很大，自6 0 年代以后，水位逐馨下降，至8 0 辱代中期，水靛降至最低， 后略有阐升。区域潜水承压水的多年水位动态变化主要受地下水开采爨 多少的按期。鄹睫饕她下承开采爨的增撩，地下水位普遍下转，随着地下 承开采豢浆减少，穗下水位回秀。 另外，未来可能实现的“南水北调( 中线) ”工程将通过减少地下水 开采量溅增加地下水补给量丽对酝域地下水水戗动态产生重霾影响。 北京交通大学工学硕士学位论文 从年动态上看，工程场区附近潜水承压水的水位年动态变化具有较 好的规律性：一般每年5 7 月份水位较低，1 1 月至来年3 月份水位较高。 由于受人为因素的影响，区域性潜水承压水水位年动态变化较大，工程 场区附近潜水承压水水位年变幅可达3 5 m 。 ( 2 ) 层间潜水水位动态 根据区域性地下水北京研究资料，影响工程场区附近层间潜水水位多 年动态变化的主要因素也是地下水的人工开采，其水位动态变化与区域潜 水承压水的宏观水位变化趋势具有较好的一致性，但层间潜水多年水位 动态的变化幅度要明显小于潜水承压水水位的变化幅度( 尤其在低水位 期间) 。层问潜水与潜水承压水水位的年动态变化规律也较为相似：工 程场区附近层间潜水一般每年5 7 月份水位较低，1 1 月至来年3 月份水 位较高，但层间潜水的水位变化幅度小于潜水承压水的水位变化幅度， 场区附近层间潜水近几年水位年变幅约在1 m 左右。 ( 3 ) 台地潜水水位动态 根据区域研究资料，场区所属区域的台地潜水水位多年动态变化不 大，始终在多年平均水位上下波动，年动态一般表现出较好的季节性变化 规律，即6 9 月份水位较高，其它月份相对较低，水位年变幅2 3 m 左 右，与大气降水的季节性规律一致，表明区域台地潜水水位动态与大气降 水量的变化关系密切。 2 4 3 场区地下水主要类型及分布特征 根据本次水位地质勘察资料和岩土工程勘察成果，工程场区地面以下 3 0 m 深度范围内主要存在2 层地下水，地下水类型分别为层问潜水、潜水， 与区域水文地质条件基本一致，其中区域性潜水承压水在工程场区表 现为潜水类型。场区地下水条件统计如表2 1 ( 见下页) 所示。 ( 1 ) 层问潜水：该层地下水在场区分布连续，主要赋存在卵石、圆砾 层中，含水层底板为以粉质粘土、粘土为主的第8 大层。本次水文地质 勘察中，与水位监测孔测得该层水静止水位埋深在1 8 9 1 1 8 9 9 m ，静止 水位标高在3 0 6 7 3 0 7 5 m ，当前层间潜水含水层厚度较小，约1 m 左右。 1 4 2 地铁苏州街站场区概况和主要士体特征分析 ( 2 ) 潜水：该层地下水赋存在砂、卵砾石第9 大层中，当前该层水书 潜水类型，其含水层底板为以粉质粘土、粘土及粉土为主的第1 0 大层。 根据本次抽水试验的地层剖面，该层水的含水层厚度在7 2 6 m 左右。本次 水文地质勘察于水位监测孔测得该层水静止水位埋深在2 2 8 9 2 2 9 2 m ， 静止水位标高在2 6 9 2 2 6 9 5 m 。其中工程场区西部水位较高，场区东部 水位较低，与区域潜水承压水的总体流向趋势一致。 表2 1 场区地下水条件统计表 注：表中数据源自本次设计单位专门设立的地f 水位监测孔的观测结果，量测日 期为2 0 0 3 1 0 2 9 2 0 0 3 1 1 1 9 ； 表中静止水位的埋深为井管管口起算的水位埋深值。 虽然本次水文地质勘察在设立地下水位监测孔处没有观测到台地潜 水( 故本次水文地质勘察未设立该层水的水位监测孔) ，但在本次岩土工 程勘察中于少部分钻孔中量测到台地潜水水位，其静止水位埋深在4 4 0 7 4 0 m ，静止水位标高在4 1 9 2 4 5 1 2 m ，含水层主要为粉土层、细砂、 粉砂，层或粉土：层。经分析，本工程场区位于i a 亚区的边缘，受地 层分布特征的影响，台地潜水在场区赋存不明显，但场区该组地层一般呈 饱和状态，且局部分布地下水，因此不排除在特定季节或特定地段形成较 为连续地下水位的可能性，需要注意该层水对施工的影响。 另外，在本次岩土工程勘察中，于埋深约4 2 m 以下的砂卵石第1 2 大 层中的地下水分布比较普遍，地下水类型为承压水，勘察期间测得静止水 位埋深在2 7 o o 2 9 5 0 i l l ，静止水位标高在2 0 4 0 2 2 7 l m ，承压水头高 达1 3 1 5 m 。 2 5 不同深度土体含水量变化规律 北京交通大学工学硕士学位论文 1 6 2 蟪铁蒡熊餐懿场逸赣嚣帮主要主棼特薤分撬 上瑚两个小节研究了不同深度土体的类型和地下水的分布状况，以此 为基破本小节跨参考l l ：基地铁十。号线卷工程勘察擐告秘一部分试验，分 析施工场医不同深度体含水量的变化，表玉2 ( 觅上页弼韭乏作了其体说 明。 由袭2 _ 2 可以看出，该场区各鼷土体的含水爨均较高，平均含水量基 本都在2 0 骧上，令潮魄较褰豹嚣缓已经超遥3 0 ，下瑟圈2 心是麓王场 区的土体含水量随深度的变化图。 图2 3 旄工场区士休含水量随深度交往圈 2 6 车站主体周边土体类型及含水量变化规律 要了壤不同王翟部位豹土薅豹类墼和会农鬃，愆较努豹方法裁是努钻 孔，现参考地铁十母线苏粥街站糟土工程勘察缀告，选取了车站周边瓣 1 6 个钻孔来具体分析说明车站主体周边土体的炭型和含水量的变化规律。 图2 - 见下页) 是这些钻孔的平面分穗示意图。 魏鬻掰示，图串敲耗编号均按照卷工程韵察掇告中豹编号未俸改 动，所以可能会出现不连续的情况。我们把钻孔3 s 0 5 作为控制性钻孔， 其余钻孔根据需要可以得到车站熏体不同工程部位不同深度的土体分布 薅嚣。擞攥实嚣蕊工撩猿，分裂取嚣翻双篡癌挖羧瑟1 1 纛聚瑟3 3 鬟及 中间单麟暗挖断面2 2 ，并使这三个断面分别对殿钻孑l3 s 1 9 、3 s 3 1 和3 s 0 8 ， 根据钻孔资料对三个断面的土体类型和含水量的变化分别进行分析。表 北京交通大学工学硕士学位论文 2 3 是钻孔3 s 0 5 的土体柱状分布表。 3 s 0 5 口 1 2 3 图2 4 车站主体周边钻孔分布图 表2 3 钻孔3 s 0 5 的土体含水量及类型柱状分布表 3 2 撼铁苏捌费戆璐嚣糕嚣察主要主体特挺分辑 从淡2 3 可以看出，土体纵向含水量变化并无明显规律性，但总体变 诧量不太，含水量基零上都分毒褒1 8 强2 i 之阅，下嚣我们麸其它链孔 的资料为依据，对上瑟选择的三个不露断面的主体类型及含承量做一下横 向比较。 按照断面1 1 、2 2 和3 3 的顺序，表2 - 4 、液2 - 5 和表2 ，6 分别是其 钵含承藿柱获努京袭，匿2 5 麓l 令控麓毪镣孑i 帮三令薮露豹不嗣深度 土体含水量综合比较曲线图。 表2 一键旄3 s 1 9 夔体含零量及类溅桎姨分布表 表2 _ 5 钻孔3 s 0 8 的体窘水量及类懋桂状分布表 北京交通大学工学硕士学位论文 图2 5 四个钻孔的土体含水量分布图 由图2 - 5 可以看出，一处控制性钻孔和三个断面的土体含水量基本都 处于1 6 2 7 之间，除个别点变化较大外总体比较稳定。本车站的埋深 约7 2 3 m ，这一深度范围内的士体含水量大约在2 0 2 5 。从横向变 化上来看，整个车站所处区域土层比较均匀连续，并无过大变化。 3 含水量对非饱和土强度特征影响的试验研究 3 含水量对非饱和土强度特征影响的试验研究 3 1 概述 非饱和土强度比一般的饱和土更为复杂，它既有一般饱和土的共性， 又有区别于一般饱和土的特性，表现出一种典型的强度变化特性，这种强 度变化特性与其自身结构、吸力、含水量等因素密切相关，对于某一土体 工程来说，土体的结构与密度在局部范围内的变化不会太大，相对而言， 含水量的变化对强度参数的影响可能要大于其它因素，对工程稳定性的影 响更明显。由于含水量的变化，可能会使土体的压缩性发生变化，从而使 地面产生差异沉降，例如，随着含水量的增加，土体的压缩性增加，不大 的应力增量将产生可观的沉降，导致地面沉降增大，地表出现裂缝、危及 相邻建筑物的安全。 对于非饱和土的试验研究，前人已经做过了很多工作，一般的程序是 首先从现场取得土样，然后根据试验需要将取得的土样分成若干组，并配 成不同的含水量，之后对每一组图样分别进行三轴试验，记录并处理试验 数据，最终获得土体的粘聚力和内摩擦角与含水量的关系，即c = 口1 e 呐l 三i 及妒= 口：e 啦，根据不同研究人员试验数据的不同，口。、n ：、玩和6 ：的取 值会有所区别。而且众多的研究成果也表明，含水量对非饱和土的粘聚力 有较大的影响，而对于内摩擦角的影响则较小，甚至可以忽略。 本文将通过室内三轴固结排水剪切试验就含水量的变化对土体抗剪 强度参数及变形特征的影响进行研究。下面先来讲一下试验的基本原理和 过程。 3 2 试验方案 本次试验主要是从地铁车站的施工现场分别取得粘土、粉土、砂土三 类比较有代表性的土样，进行含水量试验、密度试验、三轴剪切试验和少 量的直剪试验。 北京交通大学工学硕士学位论文 3 2 1 采取土样 ( 1 ) 土样的质量等级 在取土样过程中应力求不扰动土样，基本要求是： 没有结构扰动。 没有含水量和孔隙比的变化。 没有物理成分和化学成分的改变。 由于客观条件限制，本次试验每种类型土体只有一组采用原状土进行 试验，其余各组均采用重塑土。 ( 2 ) 钻孔取土器的使用及其适用条件 取土器的基本参数 取样管的直径对取土质量有很大影响，目前土试样的直径多为5 0 m m 或8 0 m m ，考虑到边缘的扰动，我们一般采用直径为7 5 m m 或1 0 0 l m m 的 取样管。对于饱和软粘土、湿陷性黄土等特殊土类，取样管直径还应大些。 取土器的类型 目前钻孔取土器主要有贯入式和回旋式两大类。国内目前应用较多的 是贯入式取土器。贯入式取土器取样时，采用击入或压入的方法将取土器 贯入土中。贯入式取土器一般适用于采取相对较软的均匀细土粒。 ( 3 ) 钻孔取样的操作 钻进要求 钻进是应力求不扰动或少扰动预计取样处的土层，一般采用较平稳的 回转式钻进。若采用冲击、振动、水冲等方式钻进时，应在预计取样位置 1 m 以上改用回转钻进。 取样要求 a 到达预计取样位置后。要仔细清除孔底浮土。 b 下放取土器时必须平稳，避免侧刮孔壁。 c 贯入取土器力求快速连续，最好采用静压，如捶击要做到重锤少 击。 d 取土后提升取土器前应旋转2 至3 圈，或静置1 0 m i ，以使土样根 2 2 3 含水量对非饱和士强度特征影响的试验研究 部与母体分离并平稳提升。 由于客观条件的限制，本次取样并未使用取土器或钻孔取样，而是直 接在开挖断面挖取了边长约5 0 c m 左右的土块。 3 2 2 含水量试验 ( 1 ) 概述 土的含水量是指土在温度1 0 5 。c 一1 1 0 。c 下烘到恒重时所失去的水 质量与达到恒重后干土质量的比值，以百分比表示。 ( 2 ) 烘千法原理 仪器设备 电热恒温烘箱，天平( 2 0 0 9 ，最小分度0 0 1 曲，玻璃干燥缸，铝制称 量盒。 操作步骤 a 取1 5 3 0 9 土样，放入称量盒称量，精确至0 0 1 9 。 b 放入烘箱烘干。 c 放入干燥器内冷却。 d 再次称重。 成果整理 按公式( 3 1 ) 计算含水量： 珊。竺也1 0 0 ( 3 1 1 埘2 一m o 因为本论文主要是要研究土体在不同含水量下的强度特性的变化规 律，所以每一组进行三轴试验的土体都要测定其含水量。 3 2 3 密度试验 密度试验有多种方法，我们这里采用环刀法，环刀法就是采用一定体 积环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内士的质量与环刀内体积之比即 为土的密度。下面介绍一下环刀法基本原理。 北京交通大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 仪器设备 恒质量环刀，天平( 5 0 0 9 ，最小分度0 1 曲，切土刀，钢丝锯，毛玻璃， 原玻璃片。 ( 2 ) 操作步骤 取土样，放于玻璃板上。 切土样。 称重，精确至o 1 9 。 ( 3 ) 成果整理 按式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 分别计算湿密度和干密度： p = 号一导 ( 3 _ 2 )p 2 歹。7 p j 几= l ( 3 。3 ) 由于本文的后半部分进行车站开挖的数值模拟的时候要用到土体的 密度，故每一组试验的土体都要测定其密度。 3 2 4 三轴剪切试验 ( 1 ) 概述 三轴剪切试验是试样在某一固定周围压力下，逐渐增大轴向压力，直 至式样破坏的一种抗剪强度试验，是以摩尔库仑强度理论为依据而设计 的三轴向加压的剪力试验。 三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的一种比较完善的室内试验方法， 通常采用3 ，4 个圆柱形试样，分别在不同的周围压力下测得土的抗剪强度， 再利用摩尔库仑破坏准则确定土的抗剪强度参数。 ( 2 ) 试验方法 三轴试验主要可分为不固结不排水剪试验、固结不排水剪试验和固结 排水剪试验。为了更好的模拟实际工程状况，本次试验采用的是三轴固结 排水剪试验。 ( 3 ) 仪器设备 3 禽农羹对菲键霸主强菠特，压影响的试验辑宠 三轴仪，击实筒，饱和器，切土盘，切土器，原装土分样器，承模筒， 移撵涮务模楚，天平，游瘴卡足。 ( 书试验前的检套稚准备 主要有仪器性能的检查和试验前的准备工作。 ( 5 ) 试糕制备 试释波诱成圜穗形形状，尺寸蠢三耱，蠢较分鞭蔻3 9 1 撒黼，6 l 。8 蕊珏 或1 0 1 m m ，对应的高度分别为8 0 m m ，1 5 嘶瑚或2 0 0 m m 。