飽和粘性土體中孔隙水壓力對(duì)地鐵振動(dòng)荷載響應(yīng)特征分析

1、.飽和粘性土體中孔隙水壓力對(duì)地鐵振動(dòng)荷載響應(yīng)特征分析周念清 唐益群 王建秀 張曦 洪軍摘 要：以上海地鐵二號(hào)線某區(qū)間隧道附近的飽和粘性土體為研究對(duì)象，在地鐵振動(dòng)荷載作用下，通過(guò)對(duì)不同位置、不同深度土體中預(yù)埋孔壓計(jì)振動(dòng)頻率的連續(xù)監(jiān)測(cè)，研究飽和粘性土體中孔隙水壓力對(duì)振動(dòng)荷載的響應(yīng)特征，得出了飽和粘性土中孔隙水壓力增長(zhǎng)和消散的變化規(guī)律，并用土動(dòng)力學(xué)及能量損失原理對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：孔壓計(jì)；飽和粘性土；孔隙水壓力；振動(dòng)荷載；增長(zhǎng)和消散0 引 言 飽和土體中孔隙水壓力對(duì)振動(dòng)荷載的作用反應(yīng)比較敏感，性質(zhì)不同的土體具有不同的特征，即使是同一土體，荷載性質(zhì)不同其孔隙水壓力增長(zhǎng)和消散規(guī)律也各不相同。過(guò)去

2、，人們對(duì)多種荷載作用下飽和砂土中孔隙水壓力增長(zhǎng)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(jìn)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(dá)到砂土完全液化的沖擊強(qiáng)度臨界值2；張之穎等就粘性土覆蓋層下粉土及砂土進(jìn)行研究，模擬地震中超孔隙水壓力的增長(zhǎng)規(guī)律3；白冰、楊兵等分別對(duì)強(qiáng)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(jì)算和分析4-5；Okada 則從土體結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)說(shuō)明用能量損失來(lái)預(yù)測(cè)孔隙水壓力的合理性6；而對(duì)飽和粘性土的研究仍處于探索階段，因?yàn)轱柡驼承酝猎陬w粒組成、力學(xué)性質(zhì)、孔隙水運(yùn)動(dòng)規(guī)律等方面均有別于砂

3、土，振動(dòng)荷載作用產(chǎn)生的超孔隙水壓力增長(zhǎng)和消散速度相對(duì)緩慢，許才軍等人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)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(zhǎng)規(guī)律7。地鐵循環(huán)振動(dòng)荷載作用下，粘性土體中孔隙水壓力隨振動(dòng)荷載發(fā)生有規(guī)律的變化，本文通過(guò)對(duì)不同深度飽和粘性土體中孔隙水壓力變化連續(xù)監(jiān)測(cè)，研究孔隙水壓力增長(zhǎng)和消散對(duì)振動(dòng)荷載的響應(yīng)特征，并用能量損失觀點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了分析和探討。1 飽和粘性土中孔隙水運(yùn)動(dòng)規(guī)律 粘性土的粒度成分決定了粘性土顆?？紫兜拇笮?，而孔隙是地下水運(yùn)移的通道，孔隙大小又決定了地下水的滲透性。本研究在上海地鐵 2 號(hào)線某區(qū)間隧道附近試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，距離隧道邊緣約 1.8 m 處，深度分別為 12、14 和 1

4、6 m 位置采集了 3 組樣品進(jìn)行粒度分析，土質(zhì)均為第層灰色淤泥質(zhì)粘土。采用美國(guó)貝克曼庫(kù)特公司生產(chǎn)的 LS-230 激光粒度儀，通過(guò)分析，得到三組飽和粘性土的平均粒徑為 12.33 m，中值粒徑為 8.63 m，粒徑峰值為 11.61 m。 由于飽和粘性土顆粒之間孔隙極其細(xì)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(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)和消散的速度，同時(shí)反映了孔隙水壓力傳遞對(duì)振動(dòng)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

5、大小一般用滲透系數(shù)K和滲透速度V表示。對(duì)于飽和粘性土，孔隙水的運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(yùn)動(dòng)，首先必須克服起始水力坡度 J0這個(gè)阻力才能實(shí)現(xiàn)。2 孔隙水壓力觀測(cè)試驗(yàn)2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇與監(jiān)測(cè)孔布置 試驗(yàn)場(chǎng)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(gè)鉆孔，距離盾構(gòu)隧

6、道邊緣最近的試驗(yàn)孔僅 1.8 m，如圖 1 所示。2.2 儀器選型與埋設(shè) 儀器采用電阻式孔壓計(jì)，通過(guò)測(cè)量電阻片的電阻變化，計(jì)算孔隙水壓力?？讐河?jì)埋設(shè)如圖 2 所示。每個(gè)鉆孔中的三個(gè)孔壓計(jì)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(shí)孔壓計(jì)周圍使用細(xì)砂，在上部使用粘土球膨脹壓實(shí)，以便能真實(shí)地觀測(cè)地鐵振動(dòng)時(shí)各自的響應(yīng)特征，儀器的量測(cè)范圍為 00.2 MPa。其計(jì)算公式為 式中 Vi p為單位換算輸出電壓（mv）； 為單位應(yīng)變（ ）； V ie為橋壓（mv）； Ki v為靈敏系數(shù)； gaei e為應(yīng)變片轉(zhuǎn)換系數(shù)；其中， Ki v、gae值由廠家標(biāo)定，V ie在試驗(yàn)

7、現(xiàn)場(chǎng)采用增益檔 1000K 進(jìn)行標(biāo)定。3 孔隙水壓力對(duì)地鐵振動(dòng)荷載的響應(yīng)3.1 孔隙水壓力隨地鐵振動(dòng)的變化規(guī)律 地鐵列車共 6 節(jié)車廂，整車長(zhǎng) 139.46 m，正常運(yùn)行速度是 60 km/h。地鐵在運(yùn)行過(guò)程中，埋設(shè)在不同深度的孔壓計(jì)對(duì)地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的超孔隙水壓力變化具有不同的響應(yīng)特征，圖 3 就是一列地鐵通過(guò)某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)記錄到的孔隙水壓力對(duì)地鐵振動(dòng)荷載的響應(yīng)規(guī)律，峰值出現(xiàn)在輪軌相互作用的瞬間。以#3 監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行具體分析，通過(guò)孔壓計(jì)的監(jiān)測(cè)反映出不同深度孔隙水壓力變化的規(guī)律。圖 4 為時(shí)間 11:0012:15 分別測(cè)得埋深為 8.5、11.5 和 14.0 m 處的波形后按照公式（3）（5）計(jì)算

8、得到的相應(yīng)的孔隙水壓力。 #4、#5 監(jiān)測(cè)孔離地鐵的距離與#3 監(jiān)測(cè)孔相同，均為 1.8 m，監(jiān)測(cè)到的地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的孔隙水壓力與圖 4基本相同，只是時(shí)間上比#3 監(jiān)測(cè)孔分別滯后 1.15 s 和2.31s。在垂直地鐵運(yùn)行方向上，#1、#2 監(jiān)測(cè)孔與#3 監(jiān)測(cè)孔比較，除了時(shí)間具有一定滯后外，孔隙水壓力響應(yīng)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(guò)和停止運(yùn)行后，#3 監(jiān)測(cè)孔孔隙水壓力開始逐漸消散，圖5是埋深為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(duì)地鐵振動(dòng)響應(yīng)分析4.1 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1，各監(jiān)測(cè)

9、點(diǎn)的水頭和水頭差計(jì)算值見表 2。 表 1、2 結(jié)果顯示，8.5 m 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 6.70 cm；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(dòng)荷載作用下，隧道周圍飽和粘性土對(duì)地鐵振動(dòng)的反應(yīng)與位置密切相關(guān)，離隧道盾構(gòu)越近反應(yīng)越敏感，隧道側(cè)下部比隧道側(cè)上部反應(yīng)敏感，超出一定深度范圍之后振動(dòng)作用力的影響消失。與此同時(shí)，孔隙水消散后不同監(jiān)測(cè)深度上的水頭壓力均比地鐵振動(dòng)過(guò)程中飽和土體中孔隙水最小壓力略高。4.2 地鐵振動(dòng)荷載對(duì)孔隙水壓力影響的機(jī)理分析 地鐵振動(dòng)對(duì)周圍土體中孔隙水壓力影響的動(dòng)力學(xué)特征主要表現(xiàn)為：振動(dòng)

10、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(dāng)列車經(jīng)過(guò)后，由于土體的回彈造成孔隙產(chǎn)生負(fù)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(duì)車輪，四組輪距分別為 2.8、13.0、2.8 m，車輪經(jīng)過(guò)同一點(diǎn)時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生孔隙水壓力增長(zhǎng)和消散遞加，致使孔隙水壓力增長(zhǎng)、消散與列車車輪經(jīng)過(guò)時(shí)相對(duì)應(yīng)。由于不同時(shí)段列車通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)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(cè)定的孔隙水壓力增長(zhǎng)和消散并不是等間距的規(guī)整波形。 同時(shí)，高峰期列車比較擁擠，振動(dòng)荷載較重，相應(yīng)地傳遞的能量較大，孔壓或水頭波動(dòng)的振幅也相對(duì)較大，從圖 4 中就能明顯反映出來(lái)。地鐵振動(dòng)通過(guò)輪軌傳遞給管片及襯

11、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(dòng)作用的消失，孔隙水壓力開始消散，水頭逐漸回落。當(dāng)孔隙水壓力尚未完全消散時(shí)，下一班列車又通過(guò)，振動(dòng)表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，致使孔壓或水頭往復(fù)不斷發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)列車停止運(yùn)行后，孔隙水逐漸消散，最終達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。5 結(jié) 語(yǔ) （1）飽和粘性土中孔隙水壓力對(duì)地鐵振動(dòng)荷載作用具有明顯的響應(yīng)特征，且距離盾構(gòu)隧道越近反應(yīng)越敏感，下部比上部反映敏感，當(dāng)振動(dòng)傳遞到一定深度，其能量不足以克服孔隙水運(yùn)動(dòng)的起始阻力時(shí)影響就基本消失。 （2）飽和粘性土中孔隙

12、水壓力對(duì)地鐵振動(dòng)荷載的作用具有一定的時(shí)間滯后效應(yīng)，除與地鐵振動(dòng)點(diǎn)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(shí)間越短，土體中孔隙壓力或水頭波動(dòng)的周期與地鐵振動(dòng)周期基本相同； （3）飽和粘性土中孔隙水壓力對(duì)地鐵振動(dòng)作用引起的孔壓消散過(guò)程要比孔壓增大過(guò)程緩慢得多。參考文獻(xiàn)：1 王桂萱,桑野二郎,竹村次朗. 循環(huán)荷載下砂質(zhì)混合土孔隙水壓力特性研究J. 巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(4):541545.(WANG Gui-xuan, KUWANO Jiro, TAKEMURA Jiro. Studyon excess pore water pressures of sands mix

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