（地质工程专业论文）地铁行车荷载作用下隧道周围饱和软粘土流变效应研究.pdf

摘要 摘要 针对地铁运营产生的隧道轴线沉降等工程地质问题，本文以上海地区隧道周 围饱和淤泥质软粘土为研究对象，通过现场监测试验、室内循环三轴试验、c u 剪切试验以及微观电镜扫描试验，对饱和软粘土在地铁行车荷载作用下的流变 效应进行了分析与研究，得出一些有益的结论和成果： 1 地铁列车经过时，隧道周围土体的动力响应频率主要由两部分组成，高 频【2 4 h z ，2 6 h z 、低频【o 4 h z ，0 6 h z 。 2 在偏离地铁隧道轴线的水平方向上，随着偏离距离的增加，地铁振动荷 载及其引起的土体动力响应按照一定规律衰减。 3 循环荷载作用下，饱和软粘土的循环蠕变曲线存在峰值蠕变、基值蠕变 及谷值蠕变三条蠕变特征曲线。 4 饱和软粘土的循环蠕变由可逆弹性应变、累积塑性应变两部分构成，在 未导致土样破坏的荷载范围内，可逆弹性应变与循环应力比c s r 之间存在线性 关系。 5 饱和软粘土存在稳定循环应力比、破坏循环应力比两个临界应力比值； 并将土体累积塑性应变的发展划分为衰减稳定、快速增长、瞬时破坏三个阶段。 6 当荷载应力水平小于破坏应力比时，饱和软粘土的累积塑性应变及残余 孔压力均经历快速增长一匀速增长一衰减稳定三种状态的发展变化。 7 在长期循环荷载作用下，饱和淤泥质软粘土的累积塑性应变和残余孔压 力主要产生于荷载作用初期，并与荷载振动次数的对数之间均存在线性关系。 同时，两者都受到荷载振动频率及循环加载排水状态的影响。 8 循环加载再固结后，饱和软粘土的c u 抗剪强度与原状土相比有所增长。 9 在长期循环荷载作用下，饱和软粘土的微观结构进行了一定程度的“调 整 和“重组”，这种微观结构的再造过程与土体的宏观流变特性之间有联系。 1 0 循环荷载作用下，荷载应力水平越高，振动次数越多，振动频率越低， 饱和软泥土微观结构的“调整”和“重组程度越大。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：地铁荷载，饱和软粘土，循环蠕变，孔隙水压力，微观结构 a b s t r a c t a b s t r a c t a i m i n ga ts o l v i n gt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o b l e m si n d u c e db yt h es u b w a y o p e r a t i o n ，s u c ha st h ea x i a ls e t t l e m e n to fs o f tc l a ye m b a n k m e n to f t h er a i l w a yt u n n e l ， t h ep a p e rs t u d i e st h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fs a t u r a t e dm u d d ys o f tc l a ya r o u n dt h e t u n n e lu n d e rs u b w a yl o a d i n gi ns h a n g h a ia r e a s ，t h o u g has e f i e so fe x p e r i m e n t s c o n d u c t e do nt h eu n d i s t u r b e ds o i ls a m p l e s ，i n c l u d i n gt h ef i e l dm o n i t o r i n gt e s t ，t h e i n d o o rc y c l i ct r i a x i a lt e s lt h ec us h e a f i n gt e s ta n dt h ee l e c t r o n i cm i c r o s c o p es c a n n i n g t e s t t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h e r ea r et w om a i nd y n a m i cr e s p o n s ef r e q u e n c i e so ft h es a t u r a t e ds o f tc l a y a r o u n dt h et u n n e lw h e nt h es u b w a yo p e r a t i n g t h eh i g hf r e q u e n c yi sb e t w e e n2 4h z a n d2 6h z w h i l et h el o wf r e q u e n c yi sb e t w e e n0 4h za n d0 6h z 2 i nt h ed i r e c t i o no fh o r i z o n t a l l yd e v i a t i n gf r o mt h es u b w a yt u n n e la x i s ，t h e v i b r a t i o nl o a d i n ga n dt h es o i ld y n a m i cr e s p o n s ei n d u c e db ys u b w a yo p e r a t i o n r e g u l a r l yf a d ed o w nw i t ht h ed e v i a t i n gd i s t a n c ei n c r e a s i n g 3 t h r e et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i cc i l l v e se x i s ti nt h ec y c l i cc r e e pc u l n e so fs a t u r a t e d s o f tc l a yu n d e rc y c l i cl o a d i n g t h e ya r et h ep e a kc r e e pc u r v e ，t h eb a s ec r e e pc u r v e a n dt h ev a l l e yc r e e pc u r v e 4 t h ec y c l i cc r e e po ft h es a t u r a t e ds o f tc l a yi sc o m p o s e do fr e c o v e r a b l ee l a s t i c s t r a i na n da c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i n ，a n d t h e r ei sal i n e a r r e l a t i o nb e t w e e n t e c o v e r a b l ee l a s t i cs t r a i na n dc s r ( c y c l i cs t r e s sr a t i o ) w h e ns t r e s sl e v e li su n d e r t h e d e s t r u c t i v ec s r 5 t w oc r i t i c a lc s r se x i s tu n d e rs t e p p e dc y c l i cl o a d i n g ，w h i c ha r et h es t a b l e c s ra n dt h ed e s t r u c t i v ec s r ，d i v i d i n gt h e s o i l sa c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i n d e v e l o p m e n t i n t ot h eg r a d u a ls t a b i l i t y s t a g e ，t h eq u i c ki n c r e a s e s t a g ea n d t h e i n s t a n t a n e o u sd e s t r u c t i o ns t a g e s 6 t h ea c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i na n dt h er e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r eo ft h e s a t u r a t e ds o f tc l a yb o t he x p e r i e n c et h ed e v e l o p m e n to fq u i c ki n c r e a s i n g u n i f o r m i n c r e a s i n g - w e a k e n i n gs t a b i l i z i n g ，w h i l et h e l o a dl e v e li sb e l o wt h ed e s t r u c t i v ec s r a b s t r a c t 7 w i t ht h eo n l yl i n e a rr e l a t i o n s h i pt ot h el o g a r i t h m i cc y c l i cl o a d i n gd u r a t i o n ， m o s to ft h ea c c u m u l a t e dp l a s t i cs t r a i na n dt h er e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r ea r e g e n e r a t e di nt h ei n i t i a ls t a g eo ft h el o n gt e r ms u b w a yl o a d i n g ，a n di n f l u e n c e db yt h e l o a d i n gf r e q u e n c ya n dt h ed r a i nc o n d i t i o ni nt h ec y c l i ct f i a x i a lt e s t s 8 a f t e rt h ec y c l i ct r i a x i a lt e s t ，t h es a m p l e sr e c o n s o l i d a t e dc us h e a rs t r e n g t hi s b i g g e rt h a nt h a to ft h eu n d i s t u r b e ds o i ls a m p l e 9 u n d e rt h el o n g t e r mc y c l i cl o a d i n g ，t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h es a t u r a t e ds o f t c l a ye x p e r i e n c e sac e r t a i nd e g r e eo f “a d j u s t m e n t a n d “r e o r g a n i z a t i o n ”，w h i c hi s r e l a t e dt ot h es o i l sm a c r o - t h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s 1 0 t h e r ei sab i g g e rd e g r e eo f “a d j u s t m e n t a n d “r e o r g a n i z a t i o n ”o ft h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h es a t u r a t e ds o f tc l a yu n d e rah i g h e rl o a d i n gl e v e l ，al o n g e rc y c l i c l o a d i n gd u r a t i o na n dal o w e rl o a d i n gf r e q u e n c y k e yw o r d s ：s u b w a yo p e r a t i o nl o a d i n g , s a t u r a t e ds o f tc l a y , c y c l i cc r e e p ，p o r ew a t e r p r e s s u r e ，m i c r o s t r u c t u r e i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：多1 1 辑 伊墨年弓月j 8e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 础年 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 近年来，我国经济建设迅速发展，城市化水平不断提高，城市人口密度越 来越大，城市地面交通和公共设施面临巨大压力。加强城市空间的三维立体开 发和利用是缓解这此压力的有效途径。地铁的建设使用就是其中的一个重要组 成部分。作为一种新型交通工具，地铁以其快速、安全、舒适、低能耗和小污 染等优点为城市居民所青睐，对于提高城市土地利用率，缓解日益拥挤的城市 交通，改善人民居住的环境，实现人车立体分流及保持城市历史文化景观等方 面均具有显著的作用，其优越性已被世界各国所公认。目前，地铁已在我国的 北京、上海、南京、深圳等十几座大、中型城市中大力兴建，如上海市“十五 期间要建设2 0 0 千米的地铁，远期规划将投资2 0 0 0 亿元用于地铁建设，使总里 程达到7 8 0 千米。 随着城市的立体空间轨道交通体系的逐步完善，绝大多数地铁线路分布于 城市中密集的居民点和商业中心，而由于居民生活水平及对生活质量要求的提 高，地铁运营时产生的振动和噪声对周围环境的影响也越来越受到关注。在饱 和软粘土地区，随着地铁的长期付诸使用，即使是经过长期固结过程的软土地 基也会产生不同程度的均匀或不均匀沉降。如日本某铁路在开通运行5 年后的 最大沉降近1 m ，同时伴有冒泥现象。已经营运或正在建设的上海地铁，其设计 深度大多位于或穿越饱和软粘土层，有关部门的监测资料显示，某地铁区段的 轴线沉降量已超过2 0 c m ，不仅严重影响了地铁的正常运营，而且还引起地铁线 路周围路面和周边老房屋的开裂，造成一定的经济损失和社会负面影响。这些 工程地质问题的产生都与饱和软粘土在长期的地铁行车振动荷载作用下发生持 续、缓慢的形变有关，很大程度上是由饱和软粘土特有的流变特性所决定。 软土是指天然孔隙比大于1 o ，且天然含水量大于液限的细粒土，主要包括 淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，本文的研究对象为上海第层滨海相沉 积的淤泥质软粘土。由于软粘土具有孔隙比大、天然含水量高、渗透性弱、压 缩性高、抗剪强度低等特点，其工程性状表现出自身特有的规律，影响其强度 第1 章绪论 和变形的因素也很复杂。因此，为了有效解决饱和软粘土流变特性所引起的一 系列工程环境地质问题，系统、深入地开展长期循环荷载作用下饱和软粘土动 力响应、流变特性及微观结构变化的研究十分有必要。 基于上述原因，本文将结合国家自然科学基金项目，以上海地区第层淤 泥质软粘土为研究对象，通过现场监测试验、室内循环三轴试验、c u 剪切试验 以及微观电镜扫描试验，对地铁行车荷载作用下上海地区隧道周围饱和淤泥质 软粘土的流变效应进行详细的分析与研究，以期为工程实际中控制地铁轴线变 形、避免或减轻地面沉降灾害的发生，指导地铁工程的设计、施工以及地铁沉 降的预测评价和防治、并最终建立城市环境地质灾害预警防治体系提供具有一 定理论意义和实际价值的参考依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 列车振动荷载研究的发展和现状 鉴于研究条件及仪器的限制，国内外关于列车振动荷载的研究历史并不长， 从上世纪7 0 年代起，列车运营时产生的振动对周围环境及建筑物的影响逐渐受 到中外学者们的关注，关于列车振动荷载的研究也逐渐得到重视，并取得了一 定的研究成果。 潘昌实等( 1 9 8 4 ) ，梁波等( 1 9 9 9 ) 采用简单而又能够反映列车振动荷载特 点的、类似激振荷载形式的函数来表达列车荷载，即： f q ) = a o + 4s i n m l t + a 2s i n m 2 t + a 3 s i n m 3 t ( 1 1 ) 式中：，o ) 为列车振动荷载；a o 为车辆静载；a 1 、a ：、a ，分别为对应某一 频率的振动荷载幅值。当列车行使速度v 已知，量测钢轨基本振动波长厶及相 应的振幅，即可求万f = 2 l f ，相互振动荷载幅值a i = m o t f 万f 。 甘惠琳等( 1 9 9 0 ) 根据长沙铁道学院提供的我国铁路一条干线的不平顺谱 密度函数，通过模拟该特定谱密度函数的随机过程得到不平顺的模拟量函数， 随后在动力学平衡方程中计入不平顺函数，从而进行桥梁竖向振动的随机过程 模拟分析。 李军世等( 1 9 9 5 ) 等假设列车无限长，将列车每组轮在视为周期性移动荷 2 第1 章绪论 载同f r o u r i e r 级数形式来表示，并将列车竖向振动引起的附加动载转化为一个 包括振动幅值与频率的指数函数，利用波动的可叠加型，将列车侧行的全部轮 载都加以考虑，此方法是用于波传导单元。 罗雁云等( 1 9 9 7 ) 等根据随机振动基本理论，引入轨道不平顺谱，建立起 轮轨相互作用模型。通过假设轮轨间为线性接触刚度，建立轮轨间运动方程， 采用f o u r i e r 变换得出弹簧下部质量振动引起的动荷载均方差；以半车体为研 究对象，建立车体振动运动方程，应用线性叠加方法，并采用f o u r i e r 变换， 从而得出弹簧上部质量振动引起的动荷载均方差。 g t n e l s o n ( 2 0 0 0 ) 结合多自由度的铁路车辆运行模式，采用地震波反 射法，探讨了适用于多孔各向同性材料的比奥波传播模型，对铁路车辆运行在 非均质各向同性的饱和土壤或岩石上造成的地面振动情况进行预测，发现土体 的饱和导致振动响应的过度衰减，并且除了车辆垂直作用力之外，车轮的颠簸 滚动是地面振动的重要来源。 高峰等( 2 0 0 3 ) 根据车辆一轮轨模型，确定列车振动荷载。通过对地铁结 构体系进行模态分析，得到体系的振型和频率，以确定合理的阻尼系数和时间 积分步长。运用n e w m a r k 隐式时间积分法，分别研究在上行动载，下行动载和 上下交会动载3 种情况下，区间近距离重叠隧道的动力响应，确定在列车振动 荷载作用下衬砌结构的薄弱部位及其相应的位移和应力。 x s h e n g 等( 2 0 0 3 ) 等建立一种理论性的地面振动模型，包含准静态及动 态两种荷载机制，耦合一系列车辆在无限长轨道上的运行动态，并显示列车速 度高于或低于地面振动最低波速的情况下荷载振动频率的影响，通过对比分析 三个地点的实测数据与模型分析结果发现，动态荷载产生更高层次的振动。 r p a o l u c c i 等( 2 0 0 3 ) 等通过土体谱元离散的方法，分析并数值模拟列车 运行导致的地面振动，建立二维及三维的分析模型，在轨道振动及地面峰值波 速随距离的衰减等方面都进行了详细的讨论。 g d e g r a n d e 等( 2 0 0 6 ) 等提出了一个数值模型来预测隧道地铁运营产生的 振动，该模型在自由场内对隧道及土体采用不同方式拟合，限制其中边界的离 散，并对隧道仰拱谐载作用下两种不同类型隧道的动荷响应的数值分析结果进 行了对比，其中一种为埋置在浅的砂层里的巴黎地铁隧道，另一种为埋置在深 的粘土层里的伦敦地铁隧道。 除了以上理论结合计算机数值分析的方法之外，进行现场振动测试是最重 3 第1 章绪论 要、最直观的确定列车振动荷载的途径，国内外学者们也进行了不少相关测试 研究工作。 国外早期阶段，1 9 7 7 年德国柏林与1 9 8 2 年英国伦敦地铁都进行过振动测试 研究。此后，日本学者h i r o k a z ut a k e m i y a ( 2 0 0 3 ) 也对l e d s g a r d 的高速地铁 运营产生的振动进行了现场测试与模拟分析，并结合数值模拟的方法对测试结 果进行验证。国内相关领域的研究起步相对较晚，但随着城市地铁的迅速发展 及对列车振动所产生的环境影响问题的日益重视，该方面研究也越来越多。潘 昌实、谢正光等( 1 9 9 0 ，1 9 9 5 ) 等对北京地铁崇文门一前门区间隧道内进行过 列车振动测试及相应的数值模拟分析。张玉娥等( 2 0 0 0 ) 是在现场测试的基础 上，利用频谱分析方法，得出由于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。王祥秋等( 2 0 0 5 ) 采用先进测试仪器对北京一广州铁路 线路上朱亭地区隧道结构的动力响应进行现场测试，并对测试数据频响特征进 行分析，并以此为基础建立列车振动荷载的分析模型，确定了列车振动荷载的 数定表达式。查文华等( 2 0 0 7 ) 对连盐高速公路一低路堤工程段进行了现场测 试试验，采用强震仪及动土压力盒等仪器，对不同车型、不同车速工况下路面 及路基不同深度的动力响应进行了测试。李伟等( 2 0 0 7 ) 对不同运行速度下的 上海磁悬浮列车产生的振动进行了测试分析，初步揭示了其地面振动传播特性。 1 2 2 循环荷载作用下粘土动力特性研究的发展和现状 地铁行车荷载是一种特殊的长时间往复施加的循环荷载，属于长期循环荷 载范畴。由于荷载形式的特殊性以及工程实际中出现的广泛性，循环荷载作用 下土体的动力特性研究具有较高的理论意义及实用价值，从上个世纪6 0 年代以 来，众多国内外学者都对该领域进行了探索和研究，并取得了较多有价值的研 究成果。循环荷载作用下土体的动力特性研究主要集中于运用室内循环三轴试 验、计算机数值模拟等方法，综合考虑荷载循环应力比、循环次数、振动频率、 土体超固结比、循环加载排水状况等因素的影响，获取土体累积塑性形变、残 余孔隙水压力等方面的变化规律。 s e e d 等( 1 9 6 8 ) 进行饱和软粘土的动强度试验，注意到在一定压力固结稳 定的试件经动荷载作用后产生附加变形，并指出在动应力频率和持续时间不变 4 第1 章绪论 的情况下，该附加变形由固结压力大小、动应力大小以及循环次数等三个因素 决定的。 l ok y ( 1 9 6 9 ) 考察了粘土在循环荷载作用下的孔隙水压力，定义了与预 固结垂直应力有关的孔压比的概念，并探讨了孔压比与应变之间的变化关系， 认为这一特定关系与荷载的作用时间、固结压力大小及固结时间无关。 l e ek l 等( 1 9 7 4 ) 对循环荷载作用下粘土的残余变形作了比较系统的研 究，建立了动应力作用n 次后残余应变口的经验公式，对土坝的振陷量进行估 算。式中为k 固结比，为动应力、c 。、s 4 、c 5 、s 、c 6 、s 。和s 。均为 试验参数，随着土性的不同而变化。公式如下： 旷1 0 f 唑型罐铲幽业r 1 即n 2 ， m a t s u i 等( 1 9 8 0 ) 对重塑正常固结、超固结粘土进行了循环三轴试验，试 验中保证平均主应力为常值，并精确测量了孔隙水压力，分析了影响孔隙水压 力的因素；随后进行后继不排水和排水三轴试验，定性分析了强度和刚度同等 效超固结比的关系。 y a s u h a r a 等( 1 9 8 2 ) 对饱和重塑的软粘土进行了几组循环应力控制三轴试 验，结果表明：循环不排水强度几乎独立于循环荷载的频率和持续时间：由于 土体重塑的影响，循环强度低于静力强度；归一化的孔隙水压力u 0 同循环剪 应变有唯一的双曲线关系。 f u j i w a r a 等( 1 9 8 5 ，1 9 8 7 ) 较为全面地讨论了总荷载、荷载周期、荷载增量 比、加荷方式、胶结程度以及循环次数对粘土变形的影响，发现循环荷载作用 下的固结变形量大于静荷载作用下的固结变形量，这是由循环荷载作用过程中 次固结变形引起的，而次固结变形与重复荷载的大小、荷载增量比、荷载周期、 有机质含量成正比。 y a s u h a r a 等( 1 9 9 2 ，1 9 9 4 ) 提出了预测高塑性重塑粘土在不同侧限压力、 加荷频率及循环应力水平下的退化特性；根据超固结粘土因应力释放引起有效 应力的变化与不排水循环荷载作用下引起的表观超固结状态之间有效应力路径 的相似之处，推导了基于表现超固结比a o c r 的预测强度变化的计算公式。 h y o d o 等( 1 9 9 9 ) 通过对高塑性海积粘土不排水三轴试验结果的整理，引 入相对循环强度和有效应力空间位置的两个应力参数，采用经验模型模拟了软 第1 章绪论 粘土循环加载产生的孔隙水压力和消散过程。 y i l m a zm t 等( 2 0 0 4 ) 在1 9 9 9 年发生在日本东京的7 4 级强震地点获取 淤泥质软粘土，分别对土样实施标准三轴试验、循环三轴试验，结果发现，在 与地震荷载相当的荷载作用下土体的动强度及刚度并没有衰减，且土体的累积 应变关键取决于加荷模式及荷载的应力水平。 国内相关研究起步相对较晚，初期研究主要集中在循环荷载作用下土体累 计应变、孔隙水压力的变化规律，后期研究较多关注与累积应变、孔压的预测 模型及计算方法，关于土体在循环荷载作用前后强度及刚度变化的研究则很少。 杨起敬( 1 9 9 0 ) 对周期荷载作用下软土本构关系及变形进行了预测和研究， 在室内循环三轴试验的基础上提出多级不排水反复应力作用下的残余变形计算 模式，试验级间允许土样完全排水固结，并且强调了预剪的重要性。 阎澎旺( 1 9 9 1 ) 讨论了往复荷载作用下的重塑软粘土的变形特性，提出等 效静荷载的概念，试图把复杂的动荷载作用变形计算问题简化为静的变形计算 问题，从而对土体形变进行预测。 章克凌等( 1 9 9 4 ) 对循环荷载作用下土体的孔隙水压力进行了研究，基于j p 为2 1 6 的饱和软粘土等循环三轴试验结果认为，对于给定的循环次数，荷载频 率越低，土体的动孔压越大。 周健、朱祖亭等( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 在室内试验的基础上提出了动力荷载作用 下软粘土孔隙水压力及残余应变的计算模式，并将计算结果与不排水、部分排 水情况下观测到的孔压及残余应变进行比较，验证了该模式的适用性，最后结 合工程实例，对构筑物在长期动力荷载作用下的振陷进行了计算和分析。 何昌荣( 1 9 9 7 ) 基于试验试验结果发现，静力试验的加荷速率及周期荷载 的振动频率对砂性土的应力一应变特性影响较小，但对粘性土却有一定影响，在 荷载频率小于5 h z 的情况下，粘土动模量及阻尼比随着频率的增大而明显增长。 周建、龚晓南等( 2 0 0 0 ) 利用应力控制的循环三轴试验，研究分析了循环 应力比、加荷周数、频率及超固结比对循环荷载作用下杭州市正常固结饱和软 粘土应变和孔压的影响，确定了杭州市正常固结饱和软粘土的临界循环应力比 和门槛循环应力比，得出了一些有益的结论。 蒋军等( 2 0 0 1 ) 分析了不同加载波形循环荷载作用下的沉降特性，发现土 体固结变形存在三个临界点，分为四个变形阶段，其中前三个阶段与静载时的 固结变形相似，而第四阶段为循环荷载所特有，且在第四个阶段土样将产生翻 6 第1 章绪论 浆冒泥，土体变形量将超过静载，另外，加载波形对临界点的位置没有影响。 唐益群等( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 研究了列车循环荷载作用下淤泥质粉质粘土的动 应变发展情况，充分考虑了土体固结状态、固结比、轴向循环压力的大小及频 率对动应变的影响得到了土体临界动应力比和动应变随振动次数、加载频率 和围压及固结状态而变化的规律，另外，还通过土体动应力一动应变关系得到了 土体的动剪切模量、动抗剪强度的变化规律。 陈云敏、陈颖平等( 2 0 0 6 ) 通过原状、重塑软黏土样测量剪切波速的压缩 试验及循环三轴试验发现：在静荷载作用下，原状土的变形随应力水平变化可 分为3 个阶段，以先期固结应力和结构屈服应力为分界点，而重塑土的变形与 应力水平无关；在循环荷载作用下，两种土在不同固结应力下的应变一振次关系 曲线上均存在着一个转折点，施加的动应力幅值不同，转折点应变也不相同， 但该应变与相应的破坏振次呈线性关系。 黄茂松等( 2 0 0 6 ) 对上海地区典型饱和软粘土进行了不排水循环三轴试验， 分析了影响软粘土塑性累积变形的主要因素：循环荷载的作用次数、初始静偏 应力以及循环加载动偏应力，并基于临界状态土力学理论，引入了相对偏应力 水平参数，研究了不同静、循环动应力组合应力历史影响下饱和软粘土的不排 水循环累积变形特性。 1 2 3 粘土流变特性研究的发展和现状 粘土的流变特性是指粘土应力一应变关系及其随时间变化的性质。在外部荷 载作用下，粘土会因内部孔隙减小而产生变形，孔隙水被排除，但由于粘土颗 粒与孔隙水之间存在的摩擦力，使得孔隙水排除受阻，导致粘土变形延迟，即 粘土应力变化与变形均与时间有关。由于粘土的流变特性对工程实际中的地基 固结、边坡稳定等有着不可忽视的不利影响，许多学者都对其进行了广泛研究。 粘土流变的内容包含蠕变、应力松弛、流动及长期强度四个方面，但到目 前为止，国内大部分学者侧重于研究粘土在静荷载作用下的蠕变、应力松弛特 性，较少部分涉及到粘土的流动及长期强度特性。目前的研究成果也主要集中 在静荷载下的粘土流变试验设计、蠕变经验计算公式、粘土流变元件模型以及 粘土的弹粘塑性模型理论等方面，至于动荷载作用下粘土流变特性的研究成果 则非常少见。 7 第1 章绪论 谢宁( 1 9 9 4 ) 将普通剪切仪改装成土流变试验仪，设计了不同应力状态下 土流变试验，重点讨论了试验加载、加应变的方式及标准，提出了流变试验中 存在时间尺度效应等问题，并讨论了其对试验结果的影响及解决办法。 谢宁、孙均( 1 9 9 6 ) 通过上海地区几种典型饱和软粘土的蠕变及应力松弛 试验，发现上海地区饱和软粘土具有显著的非线性流变特性，初步建立了流变 经验本构模型，并讨论了土体的长期强度问题。 郑榕明等( 1 9 9 6 ) 基于岩土材料的室内蠕变试验结果，提出了一种非线性 流变理论模型及用于数值分析的计算公式，并以上海地铁深基坑开挖工程为实 例进行了有限元分析，验证了模型及公式的适用性。 李建中等( 2 0 0 0 ) 利用内蕴时间理论对粘土流变性进行了理论研究，提出 在假三轴条件下的粘土流变本构方程，并利用室内流变试验验证了方程的适用 性，即采用图解法及数值法求出了方程参数，再回代入方程求解，由此绘制出 流变曲线，发现与试验得出的流变曲线基本吻合。 陈铁林等( 2 0 0 1 ) 将聚合物网络理论及速率过程理论应用到粘土的流变特 性分析中，得出一些有益的结论；将双电层理论应用于试验的设计，得出与理 论分析一致的结果，并从理论上研讨了沈珠江的砌块模型的正确性。 袁静等( 2 0 0 1 ) 基于流变模型的研究现状，把各种流变模型划分为4 类： 元件模型、屈服面模型、内时模型以及经验模型，并从横、纵向对各类模型的 特点及适用范围进行了较为详细的比较与研究。 陈铁林等( 2 0 0 3 ) 将结构性粘土视为由结构体及结构面双重介质组成，其 流变分为滑移流变和损伤流变，在堆砌体模型的基础上，采用过应力理论，建 立结构性粘土的流变模型，并通过试验结果对模拟计算结果进行了验证。 彭轩明等( 2 0 0 3 ) 根据不同荷载条件下土体蠕变破坏的时间数据列，建立 了土体流变破坏时间的灰色预测模型，该模型能根据土体在较高应力下的蠕变 破坏时间预测其在较低应力水平下的蠕变破坏时间，可用于边坡破坏预测、岩 土工程、岩土力学试验等领域。 愈晓等( 2 0 0 4 ) 对室内软土流变试验及其成果整理的方法进行了归类，并 讨论了各种方法的优、缺点，最后还提出了应用c a e 有限元仿真技术作为室内 软土流变试验辅助分析的设想。 朱登峰、黄宏伟等( 2 0 0 5 ) 对上海淤泥质饱和软粘土进行了室内循环三轴 试验，采用分级施加循环荷载的模式，探讨了长期循环荷载作用下的饱和软粘 8 第1 章绪论 土的循环蠕变特性，试验结果发现，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；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 。 周秋娟等( 2 0 0 6 ) 针对广州南沙原状软土进行了一系列室内试验，包括不 考虑预压荷载的固结试验、考虑预压荷载的固结试验、分别加荷的固结试验、 不同排水条件下的三轴蠕变试验等，详细探讨了软土的非线性流变特性，结果 表明，次固结系数主要受到先期固结压力的影响；同一荷载下，分级加载的变 形量大于分别加载的变形量；试验过程中的排水条件及加荷速率对软土的蠕变 有很大影响。 1 3 本文主要研究内容与创新 本文将以上海地区第层饱和淤泥质软粘土为研究对象，通过现场监测试 验、室内循环三轴试验、c u 剪切试验以及微观电镜扫描试验，对地铁行车荷载 作用下上海地区隧道周围饱和淤泥质软粘土的流变效应进行详细的分析与研 究。以期通过本文的研究，为工程实际中控制地铁轴线变形、避免或减轻地面 沉降灾害的发生，指导地铁工程的设计、施工以及地铁沉降的预测评价和防治 提供具有一定理论意义和实际价值的参考依据。 本文的研究内容包括以下四个部分： ( 1 ) 地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的动力响应 ( 2 ) 地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的循环蠕变 ( 3 ) 地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的长期流变 ( 4 ) 地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的微观结构 首先将在地铁运营现场钻孔并预埋土压力盒和孔压计进行监测试验，对地 铁振动荷载作用下隧道周围饱和软粘土的动力响应特性进行实时监测，并通过 整理现场试验数据获取土体动力响应的重要参数及其随距离而衰减的变化规 律。然后在实测结论的基础上，通过室内不排水循环三轴试验，采用分级施加 循环荷载的模式，研究土体循环蠕变的本质构成规律、土体蠕变及孔隙水压力 随荷载应力水平和振动次数增长而变化的趋势。其次结合饱和软粘土循环蠕变 的变化规律，通过多组室内循环三轴试验，模拟地铁行车振动荷载，采用荷载 9 第1 章绪论 应力水平及振动频率等试验控制参数，讨论长期地铁行车荷载作用下隧道周围 饱和淤泥质软粘土的流变特性，主要包括土体累积塑性应变、残余孔隙水压力 及土体的再固结c u 抗剪强度的变化规律，以及循环加载排水状态因素对土体流 变特性的影响。最后将通过室内电镜扫描试验，对原状土样及受荷土样的微观 结构、不同荷载条件下土样微观结构变化的对比情况进行定性分析，试图从“内 因”的角度出发，对饱和淤泥质软粘土在长期循环荷载作用下表现出来的流变 特性进行进一步的印证与解释。 相比前人的研究而言，本文在研究方法及内容上具有以下几处创新： ( 1 ) 将地铁运营现场的监测试验与室内循环三轴试验相结合，采用实测数 据分析得出的结论( 如土体动力响应频率、动力响应应力幅值等) 作为室内试 验的控制参数，尽可能地模拟地铁运行产生的振动荷载，以获取该荷载下更精 确的饱和软粘土的流变特性。 ( 2 ) 将地铁行车荷载作用下饱和软粘土的宏观流变特性研究及微观结构变 化研究相结合，通过室内循环三轴试验前后的原状试样及受荷试样微观结构的 定性比较分析，从“内因”的角度更好地理解和印证饱和淤泥质软粘土在地铁 行车荷载作用下的流变特性。 ( 3 ) 室内循环三轴试验中除了考虑循环应力水平、荷载振动次数等因素之 外，还着重讨论了荷载振动频率对饱和软粘土累积塑性应变、残余孔隙水压力 及受荷再固结c u 抗剪强度的影响，并已现场监测试验得到的不同高低的土体响 应频率为例对该影响进行了比较分析。 ( 4 ) 将土体蠕变试验中的分级加载模式应用于室内循环三轴试验中，对长 期循环荷载作用下饱和软粘土的蠕变特性进行了详细的研究，分析了土体循环 蠕变的本质构成规律、随荷载应力水平及振动次数的变化而发展的土体长期流 变规律，并发现了土体循环蠕变特征曲线及土体临界循环应力比的存在。 1 0 第2 章地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的动力响应 第2 章地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的动力响应 2 1 引言 许多学者进行过循环荷载作用下软粘土的动力特性的相关研究，但大多数 都是基于室内试验的理论分析，并没有较好地模拟地铁实际运营过程中产生的 振动荷载，得到的研究成果虽具一定理论意义，但用于指导解决地铁实际振动 产生的问题时仍具很大的局限性。为了使研究成果更加精确并具更大的工程实 际应用价值，进行地铁运营现场土体的动力响应特性研究十分有必要。 本章通过现场钻孔，在不同深度以及水平偏离地铁隧道轴线不同距离处预 埋土压力盒和孔压计，对其在地铁振动荷载作用下土体特性进行实时监测，并 整理现场试验所得数据资料，从钻孔不同深度和孔间不同距离进行横向及纵向 的分析比较，找出土压力在地铁振动荷载作用下的变化规律，得到隧道周围土 体动力响应的重要参数和动力响应的衰减规律。 2 2 动力响应研究的现场试验设计 2 2 1 试验场地选址 试验场地选择在上海地铁2 号线静安寺站东端南侧。场地示意图见图2 1 。 、匕型 。p 7 r j r 号孔 4 号孔乓 5 号孔 奏 量 jr 0 2 号孔 萤 j r 1 号孔 l 1 5 0 0 01 5 0 0 0 2 2 2 监测仪器选取 图2 1 场地平面图 第2 章地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的动力响应 本次现场监测采用动态监测系统，其采样频率可高达2 0 0 h z ，而其精度可达 0 1 k p a ，完全可以反映周围土体对列车振动荷载的响应。动态监测系统包括： 电阻式传感器，动态应变放大器，数据采集器和电脑。该系统通过计算机系统 记录所有的采样点数据，可以达到实时监测的目的。动态监测系统运行示意图 如图2 2 所示。 图2 2 动态监测系统运行不意图 2 2 3 仪器埋设及地层分布 水平面内，试验布孔采取折线式布孔方式，如图2 1 所示，在地铁隧道轴 线平行向和垂直向分别布设3 个钻孔，钻孔直径为11 0 m m ，布孔位置距离静安 寺地铁车站的隧道出口2 1 0 m 。平行于地铁隧道轴线方向的钻孔为3 、4 、5 号孔， 钻孔孔距为1 5 0 m ，距离地铁隧道管片外侧1 8 m ：垂直于地铁隧道轴线方向的 钻孔为1 、2 、3 号孔，为研究此方向上地铁振动荷载对隧道周围土体的影响随 偏离距离增大而衰减的规律，特将2 号孔和1 号孔的距离设为3 m ，3 号孔和2 号孔的距离设为2 m ，使其有一个递进的过程。 竖直剖面内，仪器埋设位置如如图2 3 所示。由于地铁隧道位于第层灰 色淤泥质粘土层中，故将监测点放置于第层。考虑到隧道项部、隧道中轴线 以及地铁铁轨的实际标高，将土压力盒分别埋设于8 5 m 、1 1 5 m 和1 3 5 m 深处， 土压力盒的传感器朝向地铁隧道，以观测地铁振动时的响应特征。 另外，图中上海地质土层分布依次为，第层为杂填土层；第层为褐黄 色粉质粘土层：第层为灰色淤泥质粉质粘土层；第层为灰色淤泥质粘土层： 第层为灰色粉质粘土层。 1 2 第2 章地铁行车荷载下隧道周围饱和软粘土的动力响应 1 凡队 泠妗必 1 3 0 m泠紧必必 ，j ， 2 7 0 mj 杪。 ，h 移- 。 户夕7 7 一j - , 7 产丘乞 一广二一7何广二 7 一一7 77 8 0 m。 i 85 m夕彳乒 晚高峰时的应力幅值 中午时的应力幅 值。因此，就土层而言，地铁铁轨所在埋深的土层受振动荷载的影响最大；就 荷载而言，早高峰时期的客流量最大。涉及到相关地铁设计与施工计算问题时， 应当采用这两点结论作为参考依据。 2 3 3 水平偏离地铁隧道轴线方向土体的动力响应衰减规律 如绪论中所述，地铁列车运行产生的轮轨作用力是隧道振动的主要发生源， 包括车辆自重构成的静载、列车运行产生的振动荷载两部分。轨道不平顺是列 车振动荷载产生的主要原因。列车运行产生的地面振动随着与振源距离的增加 而衰减的试验和研究主要集中在横向上。陈实( 1 9 9 8 ) 等的试验表明，在距铁 路钢轨2 5 m 处，振动几乎衰减到零，在此距离之外，振动就几乎没有影响。其 他的试验和研究也证明此观点，只是不同条件下得到不同的衰减距离数值而已。 本此试验在水平偏离地铁隧道轴线方向按距离远近设有1 、2 、3 号孔，分 别距离隧道边缘6 8 m 、3 8 m 、1 8 m 。根据上一节的分析结论，选取1 3 5 m 深 土层作为研究对象。将多次地铁列车经过时的该土层监测数据进行均化处理， 整理结果如图2 8 所示。 1 4 1 2 1 生0 8 r 0 6 越o 4 o 2 0 01234567 8 距隧道边缘距离( m ) 图2 8 垂直隧道方向应力衰减趋势图 根据大量监测数据的统计结果，可以得出垂直地铁隧道轴线土体响应