（岩土工程专业论文）地铁隧道洞桩法施工对邻近桥基影响的时间效应分析.pdf

中文摘要 摘要：随着国民经济的不断发展，城市化进程的加速，地铁建设大规模展开， 然而，城市地铁施工往往由于受到线路、空间等条件的限制，遇到的各种特殊工 程问题层出不穷，其中浅埋暗挖隧道穿越上部结构地基基础的问题具有一定代表 性。 北京地铁十号线国贸站工程多处穿越桥梁桩基基础，地铁开挖引起的土层沉 降、应力变化对既有桥梁的正常使用将产生一定的影响，往往会引起桩基础的沉 降，造成桥梁上部结构的变形，当变形过大时将危及结构的使用功能。大量监控 量测数据表明，地铁周边地层、结构及设施对地铁施工的力学反应具有明显的时 间效应，这主要是由岩土材料的流变性质所致。因此，应该考虑岩土材料的流变 性质、以及由此而产生的地铁施工影响的时间效应。 本文以此为背景，针对以上问题进行了相应研究，主要内容如下： 1 ) 通过改装试验仪器、设计实验方案对国贸站周围土体进行了蠕变试验研究， 分析了地铁结构周边典型地层土体的流变与强度特性。 2 ) 针对蠕变试验数据结果，采用了广义k e l v i n 模型、幂函数模型、b u r g e r s 模型进行拟合分析，并与试验数据相比较，最终选取了较为合理的流变本构模型， 并给出了模型参数。 。 3 ) 通过选用广义k e l v i n 蠕变粘塑性模型建立了隧道桥基土体三维数值模型， 研究了地铁隧道洞桩法施工对邻近桥基沉降影响的时间效应，计算结果与实测结 果接近。 4 ) 给出了国贸站桥基变形控制对策。 关键词：流变性质；时间效应；本构模型；洞桩法；邻近桥基 分类号： a b 趼r a i ? w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m i ca n du r b a n i z a t i o n , t h e c o n s t r u c t i o no fs u b w a yi s d e v e l o p e dc o s m i c a l l y h o w e v e r , s o m e t i m e st h es u b w a y c o n s t r u c t i o n sa l er e s t r i c t e dd u et ot h el i m i t a t i o no fl i n ea n d s p a c e t h e r e b yq u a n t i t i e so f s p c c i a le n g i n e e r i n gp r o b l e m sm a ya p p e a r i n p r a c t i c e 1 kp r o b l e mo fs h a l l o w e x c a v a t i o nt r a v e r s i n gt h ef o u n d a t i o n so fs u p e r s t r u c t u r ei so n eo ft h et y p i c a li n s t a n c e s t h eg u o m a os t a t i o no fn e i j i n gs u b w a yn o 1 0l i n et r a v e r s e ss e v e r a lb r i d g ep i l e f o u n d a t i o n s t h ee x c a v a t i o nc a nc a u s eg r o u n ds e t t l e m e n ta n dv a r i a t i o no fs t r e s s e s ， w h i c hw i l lh u r tt h er e g u l a rs e r v i c eo ft h ee x i s t i n gb r i d g ei nt h ea s p e c t ss u c ha sp i l e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t , s u p e r s t r u c t u r ed e f o r m a t i o n , e t c o v e r s i z ed e f o r m a t i o nc a n e n d a n g e rt h en o r m a lf u n c t i o no ft h es t r u c t u r e s a b u n d a n c ed a t ad e r i v e df r o mp r a c t i c a l s u p e r v i s i o n sa n dm e a s u r e ss h o wt h a t , t h e r ei so b v i o u st i m ee f f e c to nt h es u r r o u n d i n g g r o u n d , s t r u c t u r ea n de s t a b l i s h m e n t si ne x c a v a t i o nd u et ot h er h e o l o g i c a lp r o p e r t yo f r o c k a sar e s u l t ，t h et h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt i m ee f f e c ts h o u l db ec o n s i d e r e d + a i m a tt h e s ep r o b l e m s , r e l a t i v er e s e a r c h e sa r ec o n d u c t e da sf o l l o w i n g ： 1 ) c r e e pt e s t sa r ec o n d u c t e do nt h es o i lo ft y p i c a lg r o u n da r o u n dg u o m a os u b w a y s t a t i o nt oa n a l y z et h er h e a l o g i c a la n d s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s t h et e s td a t aa r ef i t t e du s i n gt h eg e n e r a l i z e dk e l v i nm o d e l , p o w e r - f u n c t i o n m o d e l , a n db u r g e r sm o d e l b yc o m p a r i n gt h ef i t t i n gr e s u l t sw i t ht h et e s t sd a t a , ap r o p e r c o n s t i t u t i v em o d e li sa d o p t e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m o d e lp a r a m e t e r sa l eg i v e na s w e l l 3 ) u s i n gt h ek e l v i nv i s c o p l a s t i c i t ym o d e l ，at u n n e l - a b u t m e n t - s o i ln u m e r i c a l m o d e li sc r e a t e dt os t u d yt h et i m ee f f e c to fm e t r ot u n n e l i n gw i t hd r i f t - p i l em e t h o do n a d j a c e n tb r i d g ep i l e s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti sa p p r o x i m a t et ot h ea c t u a lm e a s u r e m e n t 4 、s o m ea d v i c eo ut h eb r i d g ep i l e sd e f o r m a t i o nc o n t r o li sp r o p o s e df o rg 1 o m a o s t a t i o n k e y w o r d s ： r h o e l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；t i m ee f f e c t ；c o n s t i t u t i v em o d e l ；d r i f t - p i l e m e t h o d ；a d j a c e n tb r i d g ep i l e s c l 辐s n o l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名多芝彩 签字日期：刃矽厂年，) ，月，7 日 导师签名： 移；以 签字日期：加a 年f 月，7 曰 致谢 本论文的工作是在我的导师曾巧玲副教授的悉心指导下完成的。从论文的选 题到定稿，每一个环节都凝聚着导师的心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识 和无私奉献的精神都给了我深刻的启迪和奋进的动力；导师在学业上不遗余力的 指导，在精神上的鞭策和鼓励，在生活上的关心和帮助，是我能顺利完成学位论 文的重要前提导师无论从做人还是做学问所给予的指导，将使我受益终生，在 本文即将结束之际，谨向导师致以深深的敬意和诚挚的谢意l 在攻读硕士学位期间，还得到了项彦勇教授和刘建坤教授的热情帮助和大力 支持，正是由于他们的谆谆教导和无私奉献，使我在学业上不断提高，在此向导 师们表示衷心的感谢! 同时也要感谢曾经指导和帮助过我的所有老师l 本文的大量试验是在师兄于海成的指导和帮助下完成的，何海健博士和肖军 华博士对本文提出了建设性意见，在文献资料方面给予了慷慨支持，在此深表感 谢l 感谢同窗学友李春峰、吴刚、唐智伟、魏英华、满高峰、盛杰、姜智平等， 正是与你们朝夕相处、互相学习和互相帮助，使得紧张的学习生活变得生动活泼、 丰富多彩。 最后。我要特别感谢我的父母和家人，正是由于他们不断的鼓励与支持，我 才能不断地进步，顺利完成学业。祝他们身体健康，幸福平安。 1 绪论 1 1工程背景和研究意义 随着我国经济建设的快速发展和城市化进程的加快，城市建设迅猛发展，地 上空间日趋紧张，交通阻塞、环境污染等城市问题日益严重，严重阻碍了城市的 进一步发展。地铁作为现代城市大规模快速客运系统的一个重要组出部分，极大 的缓解了市区地面交通拥挤阻塞状况，对改善城市交通和促进城市经济发展发挥 着重大作用。然而，城市地铁施工往往由于受到线路、空间等条件的限制，遇到 的各种特殊工程问题层出不穷，其中浅埋暗挖隧道穿越上部结构地基基础的问题 具有一定代表性。 北京地铁十号线国贸站工程多处穿越桥梁桩基基础，地铁开挖引起的土层沉 降、应力变化对既有桥梁的正常使用将产生一定的影响，往往会引起桩基础的沉 降，造成桥梁上部结构的变形，当变形过大时将危及结构的使用功能。大量监控 量测数据表明，地铁周边地层、结构及设施对地铁施工的力学反应具有明显的时 间效应，这主要是由岩土材料的流变性质所致。因此，应该考虑岩土材料的流变 性质、以及由此而产生的地铁施工影响的时间效应。 本文以此为背景，拟通过室内流变试验确定地铁结构周边典型地层材料的流 变与强度特性，进而对暗挖隧道开挖过程中桥梁桩基的变化机理进行研究，分析 隧道施工对桥梁桩基影响的基本规律，以及影响桩基承载力和变形的主要因素， 从而确定地铁施工影响的时效过程与特征，为分析与评估地铁施工及工后影响提 供定量的参考数据，具有一定的理论意义和实际应用价值。 1 2 土流变研究概述 1 2 1土的流变问题 在最初的土力学研究中，土被假定为弹性体n 1 ，后来逐步发展到把土作为一 种弹塑性体。1 来研究。但无论是弹性体，还是弹塑性体，其本构关系都仅仅是应 力与应变之间的关系，时间因素是不考虑在内的。越来越多的工程实践表明，时 间是岩土工程中非常重要的因素。如挡土墙的位移随时间的发展，斜坡和边坡随 时间的稳定性破坏，地基的长期沉降和倾斜，隧道旌工时的地表沉降和变形等这 些都说明土不仅具有弹性、塑性，而且还具有一定的粘滞性，是一种粘弹塑性体m 1 。 这样在土的本构关系中，就不再仅仅是应力和应变两者之间的关系，而成为应力、 应变和时间三者之间的关系。土体在外力作用下，由于固体颗粒与孔隙水之间的 粘滞力，孔隙水的渗出受到阻碍，土体变形和应力变化被延滞 1 。土体应力和变 形与时间有关的这种特性，称为土的流变性阻1 。研究土的流变就是研究土中的应 力应变状态及其随时间的变化，它是流变学在土力学中的应用，是土力学和流变 学的交叉学科，能解决岩土工程中随时间变化的问题，从而保证岩土工程的长期 安全。 1 2 2土流变理论的发展概况 流变学是- - n 边缘学科，早在1 8 6 7 年，k e l v i n 首次展开粘弹性方面的研究工 作。1 9 2 8 年b i n g h a m 提出流变学( r h e o l o g y ) 名词，标志着流变学学科的诞生。自1 9 2 9 年起，国际上先后有3 0 多个国家开展流变学研究。到目前为止，经过众多国内外 学者的努力，土流变学的研究取得了丰硕的成果。下面就宏观力学和微观结构两 个方面阐述土流变学的研究现状和发展。 1 土的宏观方面的研究 虽然土流变学成为独立的学科较晚，但早在1 9 2 5 年t e r z a g h i 在其著名的土 力学原理一书中己提出了蠕变的概念哺1 ，阐述了土具有蠕变的特性。1 9 3 6 年， b u i s m a n 研究了土的次固结效应，即为土的压缩蠕变问题，并提出了计算土的次固 结的沉降公式。而真正开始系统研究土的流变性质，是于1 9 4 8 年在荷兰由g e u z e 和当时在荷兰工作的我国陈宗基开始的。当时荷兰的v l a g g em a l l 大桥、z u id e r e z e e 海堤及软土铁路路基因流变而破坏，引起了荷兰科学家的重视，开始了对土流变 的系统研究凹】。而后在1 9 5 3 年第三届土力学和地基基础国际会议上发表了许多关 于土的流变问题的报告陋”】。此后，各国学者开始对土的流变现象进行了大量的 研究并取得了诸多成果，使士的流变研究成为一个新的方向。在以后的各届土力 学和地基基础国际会议上，有关土流变的研究报告越来越多“”，以至在1 9 6 9 年 第七届会议上成为综合报告主要部分。1 9 6 4 年在法国召开了第一届“土的流变 学”讨论会；前苏联也在1 9 6 6 年、1 9 7 3 年、1 9 7 6 年举行了关于土的流变的专门 讨论会；日本1 9 7 6 年在土质工学会内设立了土的本构方程研究委员会，委员长是 村山朔郎；许多国家如荷兰、前苏联、日本、葡萄牙等国家把土的流变问题列为 重点的研究方向”- 2 土的微观方面的研究 从土的微观角度出发，认为土的流变特性是因土粒骨架的微细观变化引起的， 2 以土体的微观构造的变化和机理来推导出整体的流变特性，可以从结构构成上对 造成岩土体产生流变的原因进行定性的分析。1 9 2 5 年t e r z a g h i 首先提出土微观结 构概念抽】，并提出了粘土的蜂窝结构。g o l d s c h m i d t ( 1 9 2 6 ) 提出了粘土的片架排列 结构。c a s a g r a n d e ( 1 9 3 2 ) 发展了t e r z a g h i 的蜂窝结构，提出了蜂窝结构中的基质 粘土或冲填粘土和联结粘土或键合粘土的概念。l a m b e ( 1 9 5 3 1 9 5 8 ) 从胶体化学和 双电层理论出发提出了边一边、边一面接触的开放式非盐絮凝结构，面一面和边 一面接触的“盐絮”结构以及面面接触的分散排列结构。v a no l p h e n ( 1 9 6 3 ) 综 合并扩充了已有的结构模型，提出了边一边、边一面的“絮凝集合”的结构模型“1 。 我国对士流变的研究开展得较早，1 9 5 9 年陈宗基教授从宏观和微观两个方面 先后提出了粘土的流交本构方程，二次时间效应及片架结构理论“”，1 9 8 0 年，武 汉岩土力学研究所通过室内试验研究了上海浅层土的单剪流变特性o ”，并指出上 海浅层土具有流变性质。1 9 8 9 年，夏耀明、孙逸明等在k o 固结仪上进行了饱和软 土的流变试验，发现在排水、不排水情况下饱和软土表现出明显的蠕变特性。1 9 9 3 年，孙钧阿3 等对上海地区软土的流变问题进行了深入的理论分析和试验研究，并 建立了相应的理论模型和经验模型。1 9 9 6 年，李希元从非线性流交的定义出发建 立一个归一化的非线性流变模型，并在此基础上，建立了对土体三维非线性流变 效应系统分析的理论和方法。郑榕明、陆浩亮等口妇根据室内试验结果，提出了一 种非线性流变理论模型和用于数值分析的计算公式。 1 2 3土的流变试验 为了定性和定量的认识土的流变特性，也为了建立土体流变本构模型及确定 模型参数，必须进行流变试验。土流变试验包括宏观和微观两个方面。 1 土的宏观流变实验 土体宏观流变实验包括室内流变试验和现场流变试验，通过宏观流变试验土 体所表现的流变特征，推求其流变方程式。现场流变试验需要到实际工程中测试 土作为介质体材料及工程结构物的流变数据。室内流变实验按研究需要可分为蠕 变试验和松弛试验。蠕变试验有单轴压缩流变试验、三轴蠕变试验和直接剪切蠕 变试验；松弛试验也可分为三轴松弛试验和直接剪切松弛试验一3 。在室内流变 试验中，对于蠕变试验( 或应力松弛试验) 有分别加载( 或加应变) 和分级加载( 或加 应变) 两种做法m 。 2 土的微观流变试验柚】恤8 1 目前土微细观流变试验的研究比较少，一般的微细观试验仅限于静态方面， 即借助光学显微镜或电子扫描显微镜观察土的微细观结构，然后通过分析，提出 3 土流变产生的微细观机理，确定导致土中流变的主要微细观结构形式，或者得出 一些具有明确物理意义的微细观参数来反映土的流变特性。 1 2 4土的流变本构模型 建立土的流变本构模型在流变研究中是至关重要的，只有建立了正确的流变 本构关系，即应力应变和时间三者之问的关系，才能准确地描述土的流变特性 土流变本构关系可以分别从土体的流变的微细观和宏观表现出发来建立，或者把 两者结合起来。 1 从土体流变的微细观表现出发建立流变本构关系 从土流变的微细观表现出发来建立流变本构关系，就是根据土微观构造的变化 机理，运用力学理论，结合土流变的宏观表现来建立土流变本构关系。该流变本 构模型不仅能反映土流变的宏观特征，还能揭示土流变的内部机理，对查明流变 方程式中各参数的物理意义有特别的说服力。但由于目前研究手段、设备的不成 熟和不完善，这种方法至今大都只能对土体流交特性作定性描述，定量的描述成 果极为少见。 2 从土体流变的宏观出发建立流变本构方程 从土流变的宏观出发建立本构关系，就是假设土体为一均匀连续体，通过数 学、力学的推导及解析，综合各种条件下所表现的流变现象来得出流变方程式， 然后通过现场测试资料检验校正。这方面的工作主要可分为三方面：一是从土的流 变特征出发，运用现有的流变理论( 如模型理论侧、遗传理论或记忆理论啪1 、老化 理论“”以及研究材料在动载下的粘弹塑性理论伽 、土的屈服面理论和内时理论等 来建立土流变本构模型；二是从土的流变特性出发，直接总结出土的经验本构关 系；三是两者结合的半经验半理论模型。 ( 1 ) 理论模型 土流变的理论模型大致可以分为元件模型、屈服面流变模型和内时模型。 元件模型是采用一些基本元件来代表物质的某种性质，如用“弹簧”模拟 物质的弹性、“粘壶”模拟物质的粘滞性等。通过这些基本元件的“串联”或“并 联”反映物体主要的粘弹塑性特性。该模型直观形象，物理意义明确，能较全面 地反映流变义介质的各种流变学特性。 将屈服模型与软粘土的粘滞性相结合进行分析，便可以得到不同的屈服面流 型。屈服面流变模型研究弹塑性理论的三要素( 屈服面、关联准则和硬化规律) 随 时间的规律。根据屈服面的多少和特征可以分为单屈服面模型、双屈服面模型、 边界面流变模型和连续面模型等。单屈服面和双屈服面流变模型属于等向加工硬 4 化模型，不能适用于反向大卸荷和周期荷载情况，在这种情况下可以使用边界面 流变模型。连续面模型为单一连续屈服面模型。避免了使用两个或更多屈服面的 不连续性问题，适用于粘性土和软岩1 。 内时理论不以屈服面概念作为其理论发展的基本前提，也不把确定屈服面作 为计算的依据，屈服面概念及运动硬化和等向硬化规则可以作为其特殊情况，通 过理想化和简化得到。该理论大多用于循环加卸载和振动的研究，尤其是砂土的 液化和动本构特性，对于相对静止的流变现象应用较少，且就其在土的动本构关 系研究方面也只是初步的m 。 ( 2 ) 经验本构关系 土的经验本构关系是直接给出的函数形式，对不同的土以及不同的条件，用 不同的经验模型来描述。常见的经验函数有幂函数型、双曲线型、对数型、指数 型、多项式型。在研究土流变时。文献 6 采用两个函数分别代表应力、时间对应 变的贡献，它们有着影响函数的作用，通过两者的组合得到流变方程，并且指出 代表应力对应变贡献的函数最普遍的形式是幂次的、双曲线的和对数的。土的经 验本构关系与流变理论模型相比，缺乏理论指导，物理意义不够明确，通用性不 强，对不同的土要总结出不同的经验本构关系。但它的优点是直观明显，容易直 接使用，所以也一直是工程上土流变研究的一个重要方向。 ( 3 ) 半经验半理论模型m “ 半经验半理论模型主要应用在具体工程中。一般用元件模型来模拟土体的线 性流交部分，用经验公式来模拟土体的非线性流变部分。非线性部分一般用幂次 函数表示。半经验理论模型是一种介于模型理论和经验本构关系之间的模型，它 中和了前两者的优点。同济大学的孙钧院士及其学生在这一方面作了大量的工作。 从宏观角度建立土的本构关系相对来说较为简便实用，也确实解决了一些工 程实践问题，但对宏观现象变化下的土微观结构缺乏研究，无法揭示土的物理本 质，一些模型参数物理意义模糊。 1 2 5土流变问题解析 在土流变计算研究中，时间因素被考虑了进去致使流变问题的求解比一般只 是应力应变之间关系的弹塑性问题更加复杂，土流变问题的解法有解析解、数值 解二方面。 1 解析方法 解析方法”1 是运用对应性原理，采用积分变换技术，具体的做法是先求得弹 性解然后进行拉普拉斯变换后的粘弹性解，最后通过拉普拉斯逆变换得到最终的 粘弹性解。由于只有一些简单和特殊的函数才能找到拉普拉斯逆变换的解析解， 许多问题虽然可解得拉普拉斯变换后的粘弹性解，却无法得到拉普拉斯逆变换的 解析解。加之岩土流变问题边界条件复杂等因素，因此真正能得到解析解的很少， 只适合那些简单的问题及流变模型，如深埋的圆形隧道这种轴对称问题。且对应 性原理只对线性粘弹性问题有效，而不适用于粘塑性及非线性弹性问题，因此解 析解法有很大的局限性。 2 数值方法 由于解析解法只能解决为数不多的一些简单流变问题，因此大多数岩土流变 问题只能通过数值解法来解决。随着电子计算机高速发展，及有限元法、有限差 分法、边界元法、无限单元法等数值技术的发展，岩土流变问题的数值解也发展 很快。数值解法采用的基本方法主要有时步一粘性初应变法，把粘性应变作为初 应变，计算每一时步粘性初应变所引起的粘性附加荷载，加入到该时步的平衡方 程中加以修正并求解，逐步进行，最终得到岩土流变问题的解。 对于土非线性流变问题。更是只能用数值解法，一般是采用时步增量非线性 迭代法。对每一个荷载增量，把非线性流变问题简化为线性流变问题进行求解， 通过不断迭代，即用一系列的线性流变来逼近非线性流变，最终得到非线性流变 问题的解。谢宁提出了一种能方便有效地求解土非线性流变问题的二次初应变 法，该方法在时步上仍采用与线性流变问题相同的粘性初应变法，而在每一时步， 采用非线性弹性初应变法，通过反复迭代，求解非线性平衡方程，最终得到每一 时步非线性流变的解。 1 3土的流变性质 1 3 1土的流变现象 在工程实践中，土的流变现象主要包括： 1 、蠕变一在恒定应力的作用下，变形随时问增长的现象。 2 、应力松弛一在保持变形恒定的情况下，应力随时间逐渐衰减的现象。 3 、流动一在给定时问内，变形速率随应力变化的现象。 4 、长期强度一在长期受力作用下，岩土的强度随历时而改变的性能。 1 3 2土的蠕变性质 岩土的蠕变性质可以通过单轴或三轴压缩、剪切、扭转或弯曲等蠕变试验研 6 究获得。图1 - 1 是一簇比较典型的蠕变曲线，从图中可以看出，当应力水平较低 时，蠕变过程可能以减速进行；当应力水平较高时，蠕变过程可能以加速进行。 第一种情况称为衰减蠕变过程( 图1 - 2 ( a ) ) ；第二种情况称为非衰减蠕变过程( 图 卜2 ( b ) ) 。在这两种情况下，变形等于受荷载后立即发生的瞬时变形与随时问 发展的变形o ) 之和，得： - + ( f ) ( 1 1 ) ：一 图1 - 1 不同应力水平下的蠕变曲线 ( 8 ) 衰减蠕变曲线及卸载曲线 ( b ) 非衰减蠕变曲线及卸载曲线 ( c ) 衰减蠕变过程的应变速率与时间的关系( d ) 非衰减孀变过程的应变速率与时间的关系 图卜2 土的蠕变特征 衰减蠕变过程如图1 - 2 ( a ) 所示，变形( f ) 以减速发展，速率最后趋向于零， 相应地，变形值( f ) 趋向于与荷载值有关的某个有限值。 7 如图1 - 2 ( b ) ，非衰减蠕变除瞬时变形以外，还包括三个阶段：第1 阶段为 衰减蠕变阶段( a b 段) ，在这个阶段里蠕交变形不断增加，但应变速率越来越小； 第阶段为稳定的流动阶段( b c 段) ，即等速蠕变阶段，这时变形速率大体恒定不 变，第阶段为急剧流动阶段( c d 段) ，即加速蠕变阶段，这时变形速率增加，最 终导致土体的破坏，因此有时也称这个阶段为破坏阶段。图卜2 ( d ) 应变速率引墟 时间t 变化的曲线，从中可以看出，应变速率的整个发展变化过程。 图1 - 1 反映了不同的应力水平下土的蠕变曲线，随着应力水平的增加，变形 值亦增长，蠕变过程从衰减变成非衰减，而且荷载越大，土体破坏越快。在小应 力水平下，只出现蠕变的第1 阶段，蠕变具有衰减特征；在中等应力水平下，出 现蠕变的第1 和第阶段，变形( 粘塑性流动) 可以不断的发展，但不过渡到第 阶段；当应力较大时，蠕变的三个阶段都出现了，最后变形加速发展，直至土 体破坏；当应力很大时，蠕变的第阶段几乎是在加载之后立即发生，土体马上 就破坏。 总的蠕变变形由四部分组成：瞬时变形，衰减蠕变ft ，等速蠕变fn ，加 速蠕变f m ，即： 。e o + el + gu +em(i-2) 相应地，总蠕变变形曲线由衰减蠕变曲线s - ( t ) ，等速蠕变曲线8n ( t ) 和 加速蠕变曲线g 。( t ) 组成，如图i - 3 所示。在某一应力水平下，可能只出现其中 几部分，如出现蠕变的第1 阶段时，变形为： 2 e o + el ( 1 3 ) ( a ) 非衰减蠕变( b ) 衰减蠕变 8 ( c ) 等速蟠变( d ) 加速蠕变 图1 - 3 总和形式的非衰减蠕变 若蠕变的第1 ，第阶段都出现，但第阶段不出现时，则变形为： 2 岛+ f 1 4 - 8 ( 卜4 ) 1 3 3影响土流变性质的因素 土的流变性质受许多因素的影响，在不同条件下，显示出不同的性状，主要 的影响因素有： i 、矿物成分的影响，粘粒含量越多，流变性质越显著。 2 、含水量及孔隙水的性质，含水量越大，孔隙水、结合水粘性越大，流交性 质越明显。 3 、应力历史和应力路径的影响。 4 、应力大小的影响。 1 4 本文的主要工作 本文研究的重点方向是北京地铁十号线国贸站附近地层的流变特性之一的蠕 变特性，由于蠕变是土的流变特性中最为常见且最具外在表现性。本文研究的重 点是国贸站附近地层的蠕变特性，而对土体流变特性的其他几个方面则不作太多 探讨。 结合国贸站的地质报告以及结构设计特点，主要考虑了结构上覆地层、结构 上部地层、结构中部地层、结构下部地层、结构下卧地层等5 个典型部位的地层。 其中结构上部地层和结构下部地层为粉质粘土，其他地层为砂性土和卵石。因此， 结构上部地层和结构下部地层是考虑流变特性的重点地层。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 利用试验室现有资源，设计改造三轴流变试验仪； 9 ( 2 ) 设计室内三轴流交试验方案； ( 3 ) 通过一系列的土工试验，测定土样的一般物理特性和抗剪强度特性； ( 4 ) 采用分级加载法对土样进行室内三轴流变试验； ( 5 ) 运用粘弹塑性理论，分析整理实验数据，总结出课题所在地区粘土流变 的变化规律； ( 6 ) 对流变数据进行拟合，选出合适的时效本构方程，并求出方程参数； ( 7 ) 利用前述的流变本构方程及其拟合参数，使用v l a c 3 d 软件建立隧遭一 桥基一土体的三维数值模型，分析国贸站地铁施工对桥基影响的时间效应。 ( 8 ) 给出国贸站桥基变形控制对策。 2 工程概况及研究思路 2 1国贸站地理位置概况 2 1 1国贸站的平面位置 北京地铁1 0 号线国贸站位于东三环中路与建国门外大街的交叉路口，车站主 体与东三环中路走向一致，位于既有国贸桥北部、大北窑桥的北侧。在建国i - l # b 大街下为北京地铁1 号线国贸站( 院大北窑站) 和国贸站大望路站区间隧道， l o 号线国贸站与既有l 号线地铁国贸站在此形成l 型换乘关系，1 号线国贸站在 上，1 0 号国贸站在下，其平面位置受桥桩、既有l 号线的影响，埋深主要受l 号 线地铁国贸站至大望路区间隧道的高程限制，见图2 一l 所示。 图2 - 1 国贸站位置以及与1 号线一国贸桥一大北窑桥的平面位置关系 2 1 2国贸站与邻近桥基的位置关系 车站洞室在国贸桥、大北窑桥桥梁基础之间穿过，国贸站工程与周围桥基的 平面位置关系具体见图2 2 所示。 1 1 型堕苎堕曼里塑墨羞熊 图2 - 2 国贸站结构与桥基的平面位置关系 2 2国贸立交桥概况 既有国贸立交桥位于东三环中路与建国门外大街交叉路口。结构形式复杂多 样，共分三期建成。其中，期工程为南北向的三环住桥，建成于上世纪8 0 年代； 二期工程为南北向的三环匝道桥和东西向的联络匝道桥下部结构，完成于上世纪 9 0 年代中旬；三期工程为东西向的联络匝道桥尚不结构于东西向的大北窑老桥改 造工程。见图2 - 3 所示。 图2 - 3 国贸桥建造史平面图 既有国贸桥桥面俯视图见图2 - 4 ，既有国贸桥总平面图见2 5 。 图2 4 国贸桥桥面俯视图 2 3 国贸站结构概况 图2 - 5 既有国贸桥总平面图 车站起点里程为i ( 2 1 + 2 5 0 4 ，终点里程为i ( 2 1 + 3 8 1 6 ，结构长度1 3 1 2 0 m ，有 效站台中心里程为k 2 1 + 3 1 6 0 ，车站主体属分离岛式站台车站，线间距8 0 m ，单侧 站台宽度8 2 5 m ；车站单侧主洞开挖宽度1 3 2 m 。分离洞体之间设二个客流通道和 一个设备通道连接；外设三个风亭、三个风道、五个出入口、一个换乘联络通道、 一座临时竖井。具体见图2 - 6 所示。 图2 _ 6 国贸站结构平面图 车站建筑面积为1 8 9 5 5 8 m ，其中主体建筑面积为1 0 8 5 9 4m 2 ，风道建筑面积 为3 6 2 9 0m 2 ，出入口建筑面积为4 4 6 7 4m 2 。左右线主洞、北侧风道和设备通道 采用洞桩支撑法施工；出入口水平段、客流通道采用台阶法施工；南侧风道、出 入口斜通道段、换乘联络通道采用c r d 法施工。 2 4工程地质和水文地质概况 2 4 1工程地质 站区位于永定河冲积扇的轴部，地形起伏不大。地层由填土、粘性土、粉土、 中粗砂、圆砾卵石及细中砂等交互沉积而成，上部地层受全新世古河道的孔子， 下部地层主要受永定河充饥扇的控制。 人工填土层主要包括杂填土l 层、粉土填土层；第四纪全新世冲积层主要 包括粉质粘土1 层、粉土 层、粉细砂3 层、粉质粘土层、中粗砂4 层； 第四纪晚更新世冲积层主要包括圆砾卵石层、中粗砂l 层、粉细砂2 层、粉 质粘土层、粉土l 层、粉土2 层、卵石圆砾层、中粗砂1 层、粉细砂2 层、粉质粘土层、粉质粘土l 层。国贸站西北风道地质剖面图见图2 7 所示。 1 4 品铲 吾 。，6 ，?。2 他? ，。+ 。 。 ，#，p 一号一。_ ：争i ，- 。一a ，o = = 一一；一一 n ：，：一 ： i i 勰o 。 t 。，籼 lj j 。t 一0 _ 一? ? ? 。一j ? o | 一j 1 l ，? ， m f 1 1 甲： 叠。盼+ o 。0 o o 。0 。o 。o o 。o 。0 ：。：。o 。 。广f 彳了百t 7 7 ：1 7 ：。4 。4 。9 。1 oa0o0口p d 曲o ooooo o o o - i 。+ 。4 。4 p 。4 。6 。9 。4 。4 。，。 娃oo 。o ：。募努彩彩雳荔彩彩彩形钐杉彩彩形缎 笏笏溅。么 图2 - 7 国贸站西北风道地质剖面图 西北风道标准断面邻近中长桩桥基剖面图见图2 - 8 所示。 图2 - 8 国贸站西北风道标准断面削面图 j e 塞銮适去堂亟堂焦j 金塞王翟攫蕴厘班蕴星蟹 2 4 2水文地质 本工程所涉及到的地下水类型，按地下水的赋存条件属于第四纪松散岩类孔 隙水：按水力性质分为上层滞水、潜水和承压水，分述如下。 ( 1 ) 上层滞水 主要赋存于上部粉土层，粉细砂层，局部为填土层，透水性一般。水位标高 3 1 1 6 3 8 1 3 m ( 水位埋深0 7 7 4 m ) 。 ( 2 ) 潜水 主要赋存于圆砾卵石层、中粗砂层、粉细砂层、粉土层、卵石圆砾层及局部 细中砂层，透水性好。水位标高2 4 3 5 2 6 7 8 m ( 水位埋深为i i 9 2 1 4 7 8 ) 。 ( 3 ) 承压水 主要赋存于粉土层、卵石圆砾层、中粗砂层、粉细砂层及以下租粒土层，渗 透系数大，为强透水层。水位标高为1 5 6 3 1 7 9 m ( 水位埋深为2 3 1 2 5 4 0 ) 。 2 5国贸站施工概况 2 5 1工程主要特点 ( 1 ) 工程环境复杂 工程地处北京中央商务区国贸立交桥十字路口国贸桥的地下，南北是东三环， 东西是建国门外大街，l 号线地铁从南侧地下穿过，四个出入口处于国贸大厦、中 服大厦和招商局大厦等多个重要商务建筑物附近；地下埋有纵横交错的数条市政 管线，地上行人、车辆川流不息，因此复杂的周围环境必然对施工提出严格的限 制条件。 ( 2 ) 工程规模大 本车站工程规模较大，主洞为两个单独的双层大跨度洞室，主洞之间设一个 设备联络通道及两个客流联络通道，外设三个通风道、五个出入口和一个换乘通 道等，形成复杂的地下洞室群结构。 ( 3 ) 工程难度大 地面建筑和地下管线众多，而且车站结构从国贸桥、大北窑桥的基础桩间穿 过，南端与既有1 号线区间擦肩而过，必须确保场地周围建筑物、地下管线、既 有桥、既有线路的安全；附属洞室众多，关键节点多，必须确保施工过程的安全， 特别是开口段施工的安全。车站处于c b 9 中心，位于东三环与建国门外大街交叉 路口，地面交通繁忙，尤其是夜间重载车辆较多，动荷载对施工影响大。必须确 1 6 倮地面交通和行人的安全。 ( 4 ) 工程地质条件复杂 车站站区完全被新建建筑物覆盖，所处地段工程历史复杂，先后多次进行钻 孔桩与管线改易施工。地层由填土，粘性土、粉土、粉细砂、中粗砂、圆砾卵石 等交互沉积而成，上层滞水饱和，潜水位于中层板下1 6 m ，承压水则高于地板1 4 m 。 车站主体结构拱部位于粉细砂地层中，车站主体埋深约9 7 m ，风道埋深约7 7 m 。 地面管线众多，又处于交通要道，地面管井降水布置困难，而且附属洞室与主体 结构接口较多，防水存在较多的薄弱环节。 2 5 2施工总体布署 ( 1 ) 竖井施工 临时竖井与东北风井采用格栅倒挂井壁法施工，西北风井采用逆作法，并与 明挖顺作结合，包括南风井在内于2 0 0 6 年1 0 月完成 ( 2 ) 导洞施工 标准段分台阶进行全断面开挖，斜坡段、下坡段、挑高段与转弯段根据实际 情况采用台阶法进行支护。于2 0 0 6 年3 月完成。 ( 3 ) 洞内桩施工 洞内桩采用正循环施钻，钢筋笼连接采用螺纹钢筋。于2 0 0 5 年6 月完成。 ( 4 ) 桩顶冠梁、回填施工 欲埋格栅直接锚入冠粱混凝土内，并采用模筑混凝土替代喷射混凝土，增加 其丹度。于2 0 0 5 年8 月完成。 ( 5 ) 相交地段壳体施工 壳体结构的拱肋相当于开口处的外置加强环，采用满堂红脚手架进行支护， 预留出后期二衬作业空间。于2 0 0 5 年7 月完成。 ( 6 ) 车站左右线主洞与北侧风道、设备联络通道扣拱篪工 相交地段开口处考虑在1 5 米范围内进行加强，标准段采用一次扣拱。于2 0 0 6 年2 月完成。 ( 7 ) 架设钢支撑并进行大断面开挖 分层架设钢支撑，土方开挖采用小型挖掘机，运输采用农用小型机动三轮车 或翻斗车。于2 0 0 6 年5 月完成。 ( 8 ) 顺作二次衬砌 边墙模板使用单侧支撑体系，中层板采用满堂红脚手架，拱部支撑采用预制 拱架和整体钢模板。于2 0 0 6 年8 月完成。 ( 9 ) 其他地段旌工 南风井与风道：2 0 0 5 年6 月至2 0 0 6 年3 月； 东南出入口：2 0 0 5 年6 月至2 0 0 6 年7 月； 东北出入口：2 0 0 5 年9 月至2 0 0 6 年4 月； 西北出入口：2 0 0 5 年7 月至2 0 0 6 年2 月； 换乘通道：2 0 0 5 年1 0 月至2 0 0 6 年7 月。 2 6国贸立交桥监控概况 国贸站施工过程中，将不可避免地影响周围底层和桥梁基础的变形状态，桥 梁基础的变位将影响桥梁上、下部结构的变形和受力特性，相邻桥基之间还可能 出现差异沉降，这些因素很可能危及桥梁的安全。因此，为保障和监控施工期间 桥梁的安全对桥梁结构进行沉降、变位、受力观测无疑是非常重要的。地铁车 站施工期间对桥梁工作状态的监控量测主要包括桥梁结构沉降、变形监控量测和 桥梁基础土体扰动监控量测两大部分。下图为国贸站监控测点布置图。 u 0 喃 善l 一 ：玉乳；。 。 一 。 j i hill ll l蠢 i 置誊：1i ￥! l 季i l l 醯| 国1 【i 弘1 j = -广而1 。l 。? r f j ； l 球 拳 l l 。ij ，-。 【t i l + f ? yel 罐i ， l 莹 1 1o it ”，譬j t i i ! 一 i i 畦i 若 r - 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