1、 地鐵運(yùn)行荷載作用下飽和軟粘土變形特性分析1黃茂松,劉明同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 (200092E-mail :,cn摘 要:本文以地鐵主要穿越層-上海地區(qū)飽和淤泥質(zhì)粘土為研究對象,運(yùn)用GDS 循環(huán)三軸儀,采用不同動應(yīng)力比來模擬地鐵行車荷載進(jìn)行循環(huán)三軸試驗(yàn)。通過試驗(yàn)結(jié)果與李進(jìn)軍、黃茂松(2005以及黃茂松等(2006提出的飽和軟粘土的累積塑性應(yīng)變的計(jì)算公式得出飽和軟粘土在循環(huán)荷載作用下變形發(fā)展規(guī)律,并得到適合于上海淤泥質(zhì)軟土的相關(guān)參數(shù)。 關(guān)鍵詞:地鐵,行車荷載,飽和軟粘土,累積變形1.引言地鐵作為新型交通工具,已成為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的熱點(diǎn)。但地

2、鐵運(yùn)營時產(chǎn)生的振動對地鐵隧道結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境會產(chǎn)生很大影響,例如會出現(xiàn)地鐵區(qū)間隧道長期運(yùn)行沉降和地鐵工程耐久性問題,尤其是對于上海等軟土層很厚的城市。人們正逐漸重視并展開了循環(huán)荷載下軟土地基的變形特性研究工作,而現(xiàn)在對這一方面的研究鮮見于文獻(xiàn),目前還沒有直接運(yùn)用于地鐵運(yùn)行荷載下軟土長期變形的計(jì)算方法,因此無論是對已經(jīng)建成還是未建成的地鐵工程而言,如何利用基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)結(jié)果,來尋找并預(yù)測地鐵車輛往復(fù)荷載引起的軟土長期變形規(guī)律是非常必要的。本文以上海地鐵主要穿越層-飽和淤泥質(zhì)軟粘土為研究對象,進(jìn)行動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究,通過試驗(yàn)研究總結(jié)出土體變形規(guī)律,得到其累積變形的計(jì)算模型。2.試驗(yàn)方法及結(jié)果分析2

3、.1 試驗(yàn)儀器與方法采用英制GDS 循環(huán)三軸儀,土樣取自上海地區(qū)飽和淤泥質(zhì)軟粘土,采用原狀土樣進(jìn)行不同圍壓(100kPa 、200 kPa不同動應(yīng)力比(針對地鐵行車荷載這種特殊的循環(huán)荷載,動應(yīng)力比較小的情況,采用動應(yīng)力比為c d d p =/=0.1、0.2、0.3條件下的不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)?？紤]到土層實(shí)際固結(jié)狀態(tài),采用偏壓固結(jié)(固結(jié)比為7.011031=K K cc c。2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析圖1為kPa c 100'3=時不同動應(yīng)力比的循環(huán)次數(shù)與累積軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線,循環(huán)應(yīng)力比'3/cd d =,d 為循環(huán)動應(yīng)力,'3c 為初始固結(jié)圍壓?？梢钥闯?小動應(yīng)力比條

4、件下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,累積軸向應(yīng)變初始時迅速增大,土樣逐漸硬化,當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)目后,增長速度逐漸緩慢直至趨于穩(wěn)定,曲線愈益平緩。另外,累積應(yīng)變的增長速度與動應(yīng)力水平有關(guān),相同圍壓作用下動應(yīng)力比越大,土體的變形越大;動應(yīng)力比較小時(如動應(yīng)力比為0.1和0.2,累積變形較快的(幾千次循環(huán)后就變得平滑即試樣的變形很快達(dá)到穩(wěn)定,而當(dāng)動應(yīng)力比較大時,試樣最終會達(dá)到破壞。因此循環(huán)次數(shù)對累積應(yīng)變的影響程度取決于動應(yīng)力水平。圖2為kPac 200'3=時不同動應(yīng)力比的循環(huán)次數(shù)與累積軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線,規(guī)律1本課題得到高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(項(xiàng)目編號:20030247005的資助。

5、 與kPac 100'3=時相同,但累積應(yīng)變值明顯大了許多,這表明圍壓越大,累積變形與孔壓越大。 圖1 上海淤泥質(zhì)粘土不排水動三軸試驗(yàn)曲線 圖2 上海淤泥質(zhì)粘土不排水動三軸試驗(yàn)曲線(kPa c100'3= (kPa c 200'3= Fig1 results of undrained cyclic triaxial tests Fig2 results of undrained cyclic triaxial tests(kPa c 100'3= (kPa c200'3= 3.累積變形規(guī)律3.1 累積塑性變形計(jì)算模型已有的大多數(shù)循環(huán)累積塑性變形模型并沒有

6、合理地考慮靜應(yīng)力和動應(yīng)力相互影響的耦合效應(yīng)。本文所采用的模型為李進(jìn)軍(2005以及黃茂松等(2006提出的基于臨界狀態(tài)理論和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算模型,它將第一次循環(huán)變形與循環(huán)破壞概念結(jié)合起來考慮,可以較為合理地考慮土應(yīng)力歷史對循環(huán)加載特性的影響。下面對此模型作簡單介紹。如圖3所示不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)的應(yīng)力路徑,為了對加載路徑應(yīng)力點(diǎn)的位置進(jìn)行描述,引入偏應(yīng)力水平,如下式表示:ult D q q = (1式中,D 為偏應(yīng)力水平,13q =為偏應(yīng)力,ult q 為不排水破壞強(qiáng)度或極限強(qiáng)度,這樣就可以分別定義出不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)中的靜偏應(yīng)力水平s s ult D q q =、動偏應(yīng)力水平d d ult D

7、 q q =和峰值偏應(yīng)力水平(p d s ult D q q q =+。如何綜合考慮s D 、d D 與p D 的綜合影響,李進(jìn)軍(2005以及黃茂松等(2006在臨界狀態(tài)理論的基礎(chǔ)上提出相對偏應(yīng)力水平*D 的概念:*max p ss D D D D D = (2式中,max D 為可能達(dá)到的最大偏應(yīng)力水平,即max 1D =。通過對試驗(yàn)結(jié)果分析可以建立第一次循環(huán)塑性應(yīng)變與相對偏應(yīng)力水平之間的關(guān)系,如下式表示:*1m aD = (3式中,a 和m 為試驗(yàn)參數(shù)。為方便工程應(yīng)用,也可以采用下面簡單的指數(shù)形式:循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù) a (% *p m b aD N = (4式中,b 為試驗(yàn)常數(shù)。 圖3

8、非等向固結(jié)不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑示意圖3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析圖4為相對偏應(yīng)力水平和第一次循環(huán)塑性應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯?通過考慮s D 、dD 或 p D 的影響,第一次循環(huán)塑性應(yīng)變1隨著相對偏應(yīng)力水平*D 的增大表現(xiàn)出指數(shù)型非線性單調(diào)增大的規(guī)律,并得到其指數(shù)形式趨勢線,a 和m 見表1。 圖4 第一次循環(huán)塑性應(yīng)變與相對偏應(yīng)力水平關(guān)系 圖5 第一次塑性應(yīng)變與累積塑性應(yīng)變(N =10000關(guān)系然后對累積循環(huán)應(yīng)變與相應(yīng)的第一次循環(huán)塑性變形的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合,見圖5,這樣可確定參數(shù)b 的值,見表1。圖6為循環(huán)次數(shù)與累積變形之間的關(guān)系曲線,從試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對比可以看出,循環(huán)累積變形計(jì)算模型可

9、以較好的擬合能力。表1 累積殘余變形計(jì)算參數(shù)表參數(shù)名 a mb參數(shù)值0.41 2.22 0.17qultq sq s dq q +c相對偏應(yīng)力水平第一次循環(huán)塑性應(yīng)變累積塑性應(yīng)變第一次循環(huán)應(yīng)變 圖6 軸向累積變形與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(為模擬結(jié)果;-為試驗(yàn)結(jié)果4.總結(jié)本文針對上海地鐵主要穿越層第層飽和淤泥質(zhì)粘土的靜力及循環(huán)變形特性運(yùn)用GDS 循環(huán)三軸儀進(jìn)行了一些室內(nèi)試驗(yàn)研究,利用試驗(yàn)結(jié)果與李進(jìn)軍、黃茂松(2005以及黃茂松等(2006提出的飽和軟粘土的累積塑性應(yīng)變的計(jì)算公式得出飽和軟粘土在循環(huán)荷載作用下變形發(fā)展規(guī)律,并得到適合于上海淤泥質(zhì)軟土的相關(guān)參數(shù)。(1不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)表明,飽和軟粘土地累積塑

10、性應(yīng)變由動應(yīng)力水平、初始圍壓共同確定:相同圍壓作用下動應(yīng)力比越大,土體的變形與累積孔壓越大;較低的動應(yīng)力條件下,累積軸向應(yīng)變與累積孔壓初期增長很快,當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)目后,增長速度便逐漸緩慢直至趨于穩(wěn)定,而當(dāng)動應(yīng)力較大時試樣最終會達(dá)到破壞。(2本文所采用的模型為李進(jìn)軍(2005以及黃茂松等(2006提出的基于臨界狀態(tài)理論和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算模型,它將第一次循環(huán)變形與循環(huán)破壞概念結(jié)合起來考慮,可以較為合理地考慮土應(yīng)力歷史對循環(huán)加載特性的影響。(3試驗(yàn)結(jié)果的分析也驗(yàn)證了此計(jì)算模型的合理性與良好的適用性,并且得到適合于上海飽和淤泥質(zhì)粘土的相關(guān)參數(shù)。循環(huán)次數(shù)N20004000600080001000

11、0 a (% 參考文獻(xiàn)1 Hyodo M, Yasuhara K, Hirao K. Prediction of clay behaviour in undrained and partially drained cyclic tests. Soils and foundations.1992, 32(4:117-127.2 Hyodo M, Yamamoto etal. Undrained cyclic shear behaviour of normally consolidated clay subjected to initial static shear stress, Soils a

12、nd foundations 1994, 34(4: 1-11.3 Hyodo M, Yasuhara K. Analytical procedure for evaluating porewater pressure and deformation of saturated clay groud subjected to traffic loads. Proceedings of the 6th International Conference on Numerical Methods in Geomechanics. Rotterdam, Balkema, 1988. 653-658.4

13、黃茂松, 李進(jìn)軍, 李興照. 飽和軟粘土的不排水循環(huán)累積變形特性. 巖土工程學(xué)報, 2006, 28(7: 891-895.5 李進(jìn)軍. 交通荷載作用下飽和軟粘土長期沉降分析. 同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文, 2005.6 李進(jìn)軍,黃茂松,王育德.交通荷載作用下軟土路基累積塑性變形分析方法.中國公路學(xué)報, 2006, 19(1: 1-5.Analysis of Saturated Soft Clay under Subway TrafficLoadingHuang Maosong, Liu MingDepartment of Geotechical Engineering, Tongji Univer

14、sity (200092AbstractFor the purpose of subway engineering applications, a series of triaxial compression tests and cyclic triaxial compression tests on anisotropically consolidated soft clay are conducted on GDS triaxial apparatus. Based on semi-empirical model for predicting the accumulative deformations presented by Li(2005 and Huang etal.(200