地鐵振動對隧道周圍軟粘土微結(jié)構(gòu)影響及動力特性研究.pdf

1、近年來，各大城市為了疏散人流、解決交通擁擠而大力興建地鐵工程，由此而引發(fā)的工程環(huán)境問題也越發(fā)明顯，特別是軟土地區(qū)投入運營的地鐵隧道軸線變形和地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題已經(jīng)引起政府部門和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注。上海地鐵隧道及其周圍環(huán)境的監(jiān)測情況表明，上海投入運營的幾條地鐵隧道全線發(fā)生軸線變形和地面沉降，在地鐵一號線某區(qū)段隧道軸線沉降量已超過25cm，造成地鐵隧道管片破裂、滲水、漏泥等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了地鐵的正常運營。由于地鐵隧道軸線變形誘發(fā)的地

2、面沉降，還引起地鐵線路周圍一些房屋的地基變形、上部結(jié)構(gòu)丌裂等環(huán)境地質(zhì)問題。本文以此為出發(fā)點，針對當(dāng)前在地鐵行車振動荷載的作用下，隧道周圍軟粘土層中軸線變形與地面沉降的問題，開展了地鐵行車振動荷載對隧道周圍軟粘土的微結(jié)構(gòu)影向及動力特性研究。通過在地鐵隧道現(xiàn)場鉆孔測試、室內(nèi)多功能循環(huán)三軸試驗系統(tǒng)(GDS)、電子掃描電鏡(SEM)和壓汞試驗等定性、定量的研究方法，對飽和軟粘土的動力特性及在振動前后其微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了定性與定量的研究，將微觀

3、結(jié)構(gòu)變化與宏觀變形進(jìn)行了耦合分析。并在現(xiàn)有的瞬態(tài)動力有限元分析方法的基礎(chǔ)上塒其進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，建立了模擬地鐵列車經(jīng)過時隧道周圍土體的動力響應(yīng)計算機(jī)三維有限元模型。最終得出一些有價值的結(jié)論和成果： 1．地鐵列車駛過時引起的隧道周圍土體的響應(yīng)頻率有兩個，高頻‰2.4～2.6Hz，低頻n 0.4～0.6 Hz。 2．循環(huán)三軸試驗表明，地鐵行車荷載下隧道周圍孔隙水壓力增長趨勢可分為三個明顯的階段。并由此得出上海地區(qū)飽和軟粘土在地

4、鐵行車荷載作用下的孔隙水壓力增長模型。 3．在循環(huán)三軸試驗中，軸向應(yīng)變在加載丌始后并沒有立即增加，而是發(fā)生朋顯的回彈現(xiàn)象，其性狀與砂土的剪脹性十分相似，并且隧道側(cè)壁深度處的變形相對較小，而隧道底部的軸向應(yīng)變曲線的回彈階段非常短暫，而后立即進(jìn)入塑性變形階段，并產(chǎn)生較大的軸向變形。 4．計算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測資料較好吻合，保證了計算結(jié)果的可靠性。 5．上海地區(qū)第④層淤泥質(zhì)軟粘土主要存在絮凝結(jié)構(gòu)、蜂窩-絮凝結(jié)構(gòu)，

5、結(jié)構(gòu)單元多為薄片狀，容易形成淤泥質(zhì)土高孔隙比的架空結(jié)構(gòu)。 6．在振動過程中，土結(jié)構(gòu)單元有壓密趨勢，但會形成更多的架空結(jié)構(gòu)。在循環(huán)應(yīng)力比較高的情況下，隨著振次的持續(xù)增加，原先有壓密趨勢的各結(jié)構(gòu)單元中尚未牢固的單元將會出現(xiàn)滑移、錯動現(xiàn)象。 7．上海地區(qū)原狀飽和軟粘土的孔隙以大孔為主，且在進(jìn)汞過程中存在“瓶頸”效應(yīng)(ink-bottle effect)。 8．利用分形理論對飽和軟粘土孔隙分布進(jìn)行研究，根據(jù)分形維數(shù)D<,T>與循

6、環(huán)應(yīng)力比CSR的關(guān)系曲線對其變化規(guī)律進(jìn)行了合理的闡釋。 9．可以預(yù)見，在地鐵運營相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，隧道周圍和軌道底部地層都會存在結(jié)構(gòu)單元之間的壓密過程，而由于隧道底部承受來自地鐵的荷載較大，單元之間的錯動將會是變形的主要因素，因此，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，隧道周圍軟粘土的變形仍將繼續(xù)。 10。微觀試驗的結(jié)果表明，采用堆砌體模型解釋超低應(yīng)力條件下飽和軟粘土的變形機(jī)制并不恰當(dāng)。 11．關(guān)于進(jìn)一步工作的方向進(jìn)行了簡要的討論