1、淤泥質(zhì)土孔隙水壓力消散規(guī)律雙擊自動滾屏 發(fā)布者：admin發(fā)布時間：2009-9-19 12:04:16閱讀：2331次【字體：大 中 小】周念清唐益群王建秀張曦洪軍摘要：以上海地鐵二號線某區(qū)間隧道附近的飽和粘性土體為研究對象，在地鐵振動荷載作用下，通 過對不同位置、不同深度土體中預埋孔壓計振動頻率的連續(xù)監(jiān)測，研究飽和粘性土體中孔隙水壓力對 振動荷載的響應特征，得出了飽和粘性土中孔隙水壓力增長和消散的變化規(guī)律，并用土動力學及能量 損失原理對其機理進行了分析。關(guān)鍵詞：孔壓計；飽和粘性土；孔隙水壓力；振動荷載；增長和消散0引言飽和土體中孔隙水壓力對振動荷載的作用反應比較敏感，性質(zhì)不同的土體具有不同

2、的特征，即 使是同一土體，荷載性質(zhì)不同其孔隙水壓力增長和消散規(guī)律也各不相同。過去，人們對多種荷載作用 下飽和砂土中孔隙水壓力增長和消散規(guī)律研究比較深入，如王桂萱等人就循環(huán)荷載下砂質(zhì)混合土孔隙 水壓力特性進行了研究，建立了孔隙水壓力與能量損失的關(guān)系1；張均峰等人研究了沖擊荷載下飽 和砂土中超孔隙水壓力，探討了達到砂土完全液化的沖擊強度臨界值2；張之穎等就粘性土覆蓋層 下粉土及砂土進行研究，模擬地震中超孔隙水壓力的增長規(guī)律3；白冰、楊兵等分別對強夯荷載、 爆炸荷載作用下飽和土層孔隙水壓力變化規(guī)律作了計算和分析4-5； Okada則從土體結(jié)構(gòu)觀點說明 用能量損失來預測孔隙水壓力的合理性6；而對飽和粘

3、性土的研究仍處于探索階段，因為飽和粘性 土在顆粒組成、力學性質(zhì)、孔隙水運動規(guī)律等方面均有別于砂土，振動荷載作用產(chǎn)生的超孔隙水壓力 增長和消散速度相對緩慢，許才軍等人通過室內(nèi)試驗研究了飽和軟粘土在不排水循環(huán)荷載作用下孔隙 水壓力的增長規(guī)律7。地鐵循環(huán)振動荷載作用下，粘性土體中孔隙水壓力隨振動荷載發(fā)生有規(guī)律的 變化，本文通過對不同深度飽和粘性土體中孔隙水壓力變化連續(xù)監(jiān)測，研究孔隙水壓力增長和消散對 振動荷載的響應特征，并用能量損失觀點對其進行了分析和探討。1 飽和粘性土中孔隙水運動規(guī)律粘性土的粒度成分決定了粘性土顆?？紫兜拇笮。紫妒堑叵滤\移的通道，孔隙大小又決 定了地下水的滲透性。本研究在上

4、海地鐵2號線某區(qū)間隧道附近試驗現(xiàn)場，距離隧道邊緣約1.8 m 處，深度分別為12、14和16 m位置采集了 3組樣品進行粒度分析，土質(zhì)均為第層灰色淤泥質(zhì) 粘土。采用美國貝克曼庫特公司生產(chǎn)的LS-230激光粒度儀，通過分析，得到三組飽和粘性土的平均 粒徑為12.33 p m，中值粒徑為8.63 p m，粒徑峰值為11.61 p m。由于飽和粘性土顆粒之間孔隙極其細小，通常情況下把飽和粘性土作為隔水層或弱透水層。然 而在外界荷載作用下，飽和粘性土體中孔隙水除能承受孔隙水壓力外，也能產(chǎn)生壓力差或水頭差，迫 使孔隙水在其中運動，具有一定的滲透性，其滲透性的大小決定了超孔隙水壓力增長和消散的速度， 同時

5、反映了孔隙水壓力傳遞對振動荷載的敏感程度。研究土體滲透性主要考慮滲透速度和滲透壓力， 而土體滲透性大小一般用滲透系數(shù)K和滲透速度V表示。對于飽和粘性土，孔隙水的運動必須克服起 始阻力，且服從滲透規(guī)律V = K （ J - J0），（1）式中，V為滲透速度（m/d），K為滲透系數(shù)（m/d），J為水力坡度，J0為起始水力坡度。水力坡度由水頭差造成，也可由外力作用下土中水所受到的應力（孔隙水壓力）而引起。飽和 粘性土的滲透系數(shù)K 一般為10-710-8 cm/s，要使孔隙水在飽和粘性土體中發(fā)生滲流運動，首先 必須克服起始水力坡度J0這個阻力才能實現(xiàn)。2孔隙水壓力觀測試驗2.1試驗場地選擇與監(jiān)測孔布置

6、試驗場地選擇在上海地鐵#2線某區(qū)間隧道南側(cè)，共布置了 5個鉆孔，距離盾構(gòu)隧道邊緣最近 的試驗孔僅1.8 m，如圖1所示。閣I觀側(cè)Ijg. 1 Ln yj ll華賓/塞iE宴面2.2儀器選型與埋設(shè)儀器采用電阻式孔壓計，通過測量電阻片的電阻變化，計算孔隙水壓力?？讐河嬄裨O(shè)如圖2所示。每個鉆孔中的三個孔壓計均埋設(shè)在第層灰色淤泥質(zhì)粘土層中8.5、11.5和14.0 m的位置，埋設(shè)時孔壓計周圍使用細砂，在上部使用粘土球膨脹壓實，以便能真實地觀測地鐵振動時各自的響應特征，儀器的量測范圍為00.2 MPa。其計算公式為式中Vi p為單位換算輸出電壓（mv）； 為單位應變（p ） ； V ie為橋壓（mv）；

7、 Ki v為靈敏系數(shù)；gaei e為應變片轉(zhuǎn)換系數(shù)；其中，Ki v、gae值由廠家標定，V ie在試驗現(xiàn)場采用 增益檔1000K進行標定。圖2地層剖面與儀囂埋設(shè)示意圖 g. 2 Cross siiio uf siraium mid buried instrLimcnts得出虬之后，則可計算出電阻片的概變值，其計 算公式為（4）M L虹為忌應變（蝦a革目奚奈詣又刷 HYPERLINK 式中1勺為總應變（咨L、為總輸出電（ mv 最后計算出孔隙水壓方式中，K為標盅系數(shù)（kPE!*蚓為初始應變（仃摭3孔隙水壓力對地鐵振動荷載的響應3.1孔隙水壓力隨地鐵振動的變化規(guī)律地鐵列車共6節(jié)車廂，整車長139.

8、46 m,正常運行速度是60 km/h。地鐵在運行過程中，埋設(shè)在不同深度的孔壓計對地鐵振動產(chǎn)生的超孔隙水壓力變化具有不同的響應特征，圖3就是一列地鐵通過某一監(jiān)測點時記錄到的孔隙水壓力對地鐵振動荷載的響應規(guī)律，峰值出現(xiàn)在輪軌相互作用的瞬間。以#3監(jiān)測孔進行具體分析，通過孔壓計的監(jiān)測反映出不同深度孔隙水壓力變化的規(guī)律。圖4為時間11:0012:15分別測得埋深為8.5、11.5和14.0 m處的波形后按照公式（3）（5）計算得到的相應的孔隙水壓力。圄3 列地秩通過酎禮隙水壓力的變化見g_ 3 1he pore water prNEuni in-d u-ecd hy parsing OCR mcLr

9、o.TLfiD 7!.55 丁 L瀏 TM51 TI.44)-卻空遷4糜蠢.藤0 ji(KI 1500 200 2500 3000 4500 4(W 4100 5()01r/s.I 1部 IM如1 14.4(I 14.2ft#4、#5監(jiān)測孔離地鐵的距離與#3監(jiān)測孔相同，均為1.8 m,監(jiān)測到的地鐵振動產(chǎn)生的孔隙水 壓力與圖4基本相同，只是時間上比#3監(jiān)測孔分別滯后1.15 s和2.31s。在垂直地鐵運行方向上，#1、#2監(jiān)測孔與#3監(jiān)測孔比較，除了時間具有一定滯后外，孔隙水壓力響應衰減明顯。3.2孔隙水壓力的消散規(guī)律地鐵在晚間最后一趟車通過和停止運行后，#3監(jiān)測孔孔隙水壓力開始逐漸消散，圖5是

10、埋深為8.5、11.5和14.0 m處孔隙水壓力逐漸消散的變化曲線。4孔隙水壓力對地鐵振動響應分析4.1孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果分析孔隙水壓力監(jiān)測值統(tǒng)計結(jié)果見表1，各監(jiān)測點的水頭和水頭差計算值見表2。表I孔隙水壓力統(tǒng)計lablc 1 Stai-siicsof pore water pressure統(tǒng)計壓;雄典8一5 ET111.5 m14.0m最大值71.63309529M114 一脂 W最小熊71.386694.6388113.7366平均值71.503194為拔1114.08390.24640.6576.1464禧定埴71 一390494.6400113 一 7390表2乳隙水水頭統(tǒng)計Table

11、 2 Siausiics olpiirc water head水頭/ m統(tǒng)計一S.5 m11.5 m14.0 m最大值7.30209.714211.710S最小值7.27699.647211.W 捎平均值9.677111一2 勺 a幅值0.02510.06700.1169稿定值7.27739.6473 邕 HYPERLINK http:/wWw.ce86.oofn wWw.ce86.oofn表1、2結(jié)果顯示，8.5m處孔隙水壓力水頭差為2.51 cm； 11.5 m處孔隙水壓力水頭差為6.70cm； 14.0m處的孔隙水壓力水頭差為11.69 cm。由此可以得出：在地鐵振動荷載作用下，隧道周圍

12、飽和粘性土對地鐵振動的反應與位置密切相關(guān)，離隧道盾構(gòu)越近反應越敏感，隧道側(cè)下部比隧道側(cè)上部反應敏感，超出一定深度范圍之后振動作用力的影響消失。與此同時，孔隙水消散后不同監(jiān)測深度上的水頭壓力均比地鐵振動過程中飽和土體中孔隙水最小壓力略高。4.2地鐵振動荷載對孔隙水壓力影響的機理分析地鐵振動對周圍土體中孔隙水壓力影響的動力學特征主要表現(xiàn)為：振動荷載作用使土體產(chǎn)生彈 性壓縮，使孔隙水壓力迅速上升；當列車經(jīng)過后，由于土體的回彈造成孔隙產(chǎn)生負壓，使壓力下降。 在圖3中，每列地鐵6節(jié)車廂，每節(jié)車廂有4對車輪，四組輪距分別為2.8、13.0、2.8 m，車輪 經(jīng)過同一點時振動產(chǎn)生孔隙水壓力增長和消散遞加，致

13、使孔隙水壓力增長、消散與列車車輪經(jīng)過時相對應。由于不同時段列車通過觀測點時間間隔不等，且列車是相向而行，彼此存在一定的干擾，致使測定的孔隙水壓力增長和消散并不是等間距的規(guī)整波形。同時，高峰期列車比較擁擠，振動荷載較重，相應地傳遞的能量較大，孔壓或水頭波動的振幅 也相對較大，從圖4中就能明顯反映出來。地鐵振動通過輪軌傳遞給管片及襯砌，再由襯砌將能量 傳遞給周圍土水，在土水作用下能量逐漸衰減，除部分能量被土體吸收外，還有部分能量用于克服飽 和粘性土中孔隙水起始水力坡度，引起孔隙水壓力或水頭升高；隨著振動作用的消失，孔隙水壓力開 始消散，水頭逐漸回落。當孔隙水壓力尚未完全消散時，下一班列車又通過，振

14、動表現(xiàn)出同樣的規(guī)律， 致使孔壓或水頭往復不斷發(fā)生波動。當列車停止運行后，孔隙水逐漸消散，最終達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。5結(jié)語飽和粘性土中孔隙水壓力對地鐵振動荷載作用具有明顯的響應特征，且距離盾構(gòu)隧道越 近反應越敏感，下部比上部反映敏感，當振動傳遞到一定深度，其能量不足以克服孔隙水運動的起始阻力時影響就基本消失。飽和粘性土中孔隙水壓力對地鐵振動荷載的作用具有一定的時間滯后效應，除與地鐵振 動點距離有關(guān)外，還與地鐵作用力的方向關(guān)系密切，一般離地鐵越近滯后的時間越短，土體中孔隙壓力或水頭波動的周期與地鐵振動周期基本相同；飽和粘性土中孔隙水壓力對地鐵振動作用引起的孔壓消散過程要比孔壓增大過程緩慢得多。參考文獻

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