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文檔簡介

1、 地鐵運行荷載作用下飽和軟粘土變形特性分析1黃茂松,劉明同濟大學地下建筑與工程系,上海 (200092摘 要:本文以地鐵主要穿越層-上海地區飽和淤泥質粘土為研究對象,運用GDS 循環三軸儀,采用不同動應力比來模擬地鐵行車荷載進行循環三軸試驗。通過試驗結果與李進軍、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變的計算公式得出飽和軟粘土在循環荷載作用下變形發展規律,并得到適合于上海淤泥質軟土的相關參數。 關鍵詞: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,已成為城市基礎設施建設的熱點。但地鐵運營時產生的振動對地鐵隧道結構和周圍環境會產生很大影響,例如會出

2、現地鐵區間隧道長期運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荷載下軟土地基的變形特性研究工作,而現在對這一方面的研究鮮見于文獻,目前還沒有直接運用于地鐵運行荷載下軟土長期變形的計算方法,因此無論是對已經建成還是未建成的地鐵工程而言,如何利用基礎理論和試驗結果,來尋找并預測地鐵車輛往復荷載引起的軟土長期變形規律是非常必要的。本文以上海地鐵主要穿越層-飽和淤泥質軟粘土為研究對象,進行動應力-應變關系研究,通過試驗研究總結出土體變形規律,得到其累積變形的計算模型。2.試驗方法及結果分析2.1 試驗儀器與方法采用英制GDS 循環三軸儀,土樣取自上海地區飽

3、和淤泥質軟粘土,采用原狀土樣進行不同圍壓(100kPa 、200 kPa不同動應力比(針對地鐵行車荷載這種特殊的循環荷載,動應力比較小的情況,采用動應力比為c d d p =/=0.1、0.2、0.3條件下的不排水循環三軸試驗。考慮到土層實際固結狀態,采用偏壓固結(固結比為7.011031=K K cc c。2.2 試驗結果與分析圖1為kPa c 100'3=時不同動應力比的循環次數與累積軸向應變之間的關系曲線,循環應力比'3/cd d =,d 為循環動應力,'圖2為kPac 200'3=時不同動應力比的循環次數與累積軸向應變之間的關系曲線,規律1本課題得到高等

4、學校博士學科點專項科研基金(項目編號:20030247005的資助。 與kPac 100'3=時相同,但累積應變值明顯大了許多,這表明圍壓越大,累積變形與孔壓越大。 圖1 上海淤泥質粘土不排水動三軸試驗曲線 圖2 上海淤泥質粘土不排水動三軸試驗曲線(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

5、律3.1 累積塑性變形計算模型已有的大多數循環累積塑性變形模型并沒有合理地考慮靜應力和動應力相互影響的耦合效應。本文所采用的模型為李進軍(2005以及黃茂松等(2006提出的基于臨界狀態理論和室內試驗結果的計算模型,它將第一次循環變形與循環破壞概念結合起來考慮,可以較為合理地考慮土應力歷史對循環加載特性的影響。下面對此模型作簡單介紹。如圖3所示不排水循環三軸試驗的應力路徑,為了對加載路徑應力點的位置進行描述,引入偏應力水平,如下式表示:ult D q q = (1式中,D 為偏應力水平,13q =為偏應力,ult q 為不排水破壞強度或極限強度,這樣就可以分別定義出不排水循環三軸試驗中的靜偏應

6、力水平s s ult D q q =、動偏應力水平d d ult D q q =和峰值偏應力水平(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,李進軍(2005以及黃茂松等(2006在臨界狀態理論的基礎上提出相對偏應力水平*D 的概念:*max p ss D D D D D = (2式中,max D 為可能達到的最大偏應力水平,即max 1D =。通過對試驗結果分析可以建立第一次循環塑性應變與相對偏應力水平之間的關系,如下式表示:*1m aD = (3式中,a 和m 為試驗參數。為方便工程應用,也可以采用下面簡單的指數形式:循環次數循環次數 a

7、(% *p m b aD N = (4式中,b 為試驗常數。 圖3 非等向固結不排水循環三軸試驗應力路徑示意圖3.2 試驗結果與分析圖4為相對偏應力水平和第一次循環塑性應變關系曲線。可以看出,通過考慮s D 、dD 或 p D 的影響,第一次循環塑性應變1隨著相對偏應力水平*D 的增大表現出指數型非線性單調增大的規律,并得到其指數形式趨勢線,a 和m 見表1。 圖4 第一次循環塑性應變與相對偏應力水平關系 圖5 第一次塑性應變與累積塑性應變(N =10000關系然后對累積循環應變與相應的第一次循環塑性變形的關系曲線進行擬合,見圖5,這樣可確定參數b 的值,見表1。圖6為循環次數與累積變形之間的

8、關系曲線,從試驗結果與計算結果的對比可以看出,循環累積變形計算模型可以較好的擬合能力。表1 累積殘余變形計算參數表參數名 a mb參數值0.41 2.22 0.17qultq sq s dq q +c相對偏應力水平第一次循環塑性應變累積塑性應變第一次循環應變 圖6 軸向累積變形與循環次數關系曲線(為模擬結果;-為試驗結果4.總結本文針對上海地鐵主要穿越層第層飽和淤泥質粘土的靜力及循環變形特性運用GDS 循環三軸儀進行了一些室內試驗研究,利用試驗結果與李進軍、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變的計算公式得出飽和軟粘土在循環荷載作用下變形發展規律,并得到適合于上海

9、淤泥質軟土的相關參數。(1不排水循環三軸試驗表明,飽和軟粘土地累積塑性應變由動應力水平、初始圍壓共同確定:相同圍壓作用下動應力比越大,土體的變形與累積孔壓越大;較低的動應力條件下,累積軸向應變與累積孔壓初期增長很快,當循環次數達到一定數目后,增長速度便逐漸緩慢直至趨于穩定,而當動應力較大時試樣最終會達到破壞。(2本文所采用的模型為李進軍(2005以及黃茂松等(2006提出的基于臨界狀態理論和室內試驗結果的計算模型,它將第一次循環變形與循環破壞概念結合起來考慮,可以較為合理地考慮土應力歷史對循環加載特性的影響。(3試驗結果的分析也驗證了此計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

10、質粘土的相關參數。循環次數N200040006000800010000 a (% 參考文獻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 in

11、itial static shear stress, Soils and 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. Ro

12、tterdam, Balkema, 1988. 653-658.4 黃茂松, 李進軍, 李興照. 飽和軟粘土的不排水循環累積變形特性. 巖土工程學報, 2006, 28(7: 891-895.5 李進軍. 交通荷載作用下飽和軟粘土長期沉降分析. 同濟大學博士學位論文, 2005.Analysis of Saturated Soft Clay under Subway TrafficLoadingHuang Maosong, Liu MingDepartment of Geotechical Engineering, Tongji University (200092AbstractFor th

13、e 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.(2006, parameters of

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