地鐵運行荷載作用下飽和軟粘土變形特性分析

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 (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,運用GDS 循環(huán)三軸儀,采用不同動應力比來模擬地鐵行車荷載進行循環(huán)三軸試驗。通過試驗結(jié)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(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)軟土的相關參數(shù)。 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

2、鐵運營時產(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,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(jīng)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(jié)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(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,進行動應力-應變關系研究,通過試驗研究總結(jié)出土體變形規(guī)律,得到其累積變形的計算模型。2.試驗方法及結(jié)果分析2

3、.1 試驗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(huán)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(huán)三軸試驗。考慮到土層實際固結(jié)狀態(tài),采用偏壓固結(jié)(固結(jié)比為7.011031=K K cc c。2.2 試驗結(jié)果與分析圖1為kPa c 1003=時不同動應力比的循環(huán)次數(shù)與累積軸向應變之間的關系曲線,循環(huán)應力比3/cd d =,d 為循環(huán)動應力,3c 為初始固結(jié)圍壓?？梢钥闯?小動應力比條件下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,累積

4、軸向應變初始時迅速增大,土樣逐漸硬化,當循環(huán)次數(shù)達到一定數(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,累積應變的增長速度與動應力水平有關,相同圍壓作用下動應力比越大,土體的變形越大;動應力比較小時(如動應力比為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到穩(wěn)定,而當動應力比較大時,試樣最終會達到破壞。因此循環(huán)次數(shù)對累積應變的影響程度取決于動應力水平。圖2為kPac 2003=時不同動應力比的循環(huán)次數(shù)與累積軸向應變之間的關系曲線,規(guī)律1本課題得到高等學校博士學科點專項科研基金(項目編號:20030247005的資助。 與kPac 1003=時相同,但累積應

5、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曲線 圖2 上海淤泥質(zhì)粘土不排水動三軸試驗曲線(kPa c1003= (kPa c 2003= Fig1 results of undrained cyclic triaxial tests Fig2 results of undrained cyclic triaxial tests(kPa c 1003= (kPa c2003= 3.累積變形規(guī)律3.1 累積塑性變形計算模型已有的大多數(shù)循環(huán)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

6、(2006提出的基于臨界狀態(tài)理論和室內(nèi)試驗結(jié)果的計算模型,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(huán)三軸試驗中的靜偏應力水平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

7、 、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(tài)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(jié)果分析可以建立第一次循環(huán)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(shù)。為方便工程應用,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 為試驗常數(shù)。 圖3 非等向固結(jié)不排水循環(huán)三軸試驗應力路徑示意圖3.2 試驗結(jié)果與分析圖4為相對偏應力水平和第一

8、次循環(huán)塑性應變關系曲線?？梢钥闯?通過考慮s D 、dD 或 p D 的影響,第一次循環(huán)塑性應變1隨著相對偏應力水平*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(huán)應變與相應的第一次循環(huán)塑性變形的關系曲線進行擬合,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系曲線,從試驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比可以看出,循環(huán)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(shù)表參數(shù)名 a mb參數(shù)值0.41 2.22 0

9、.17qultq sq s dq q +c相對偏應力水平第一次循環(huán)塑性應變累積塑性應變第一次循環(huán)應變 圖6 軸向累積變形與循環(huán)次數(shù)關系曲線(為模擬結(jié)果;-為試驗結(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)變形特性運用GDS 循環(huán)三軸儀進行了一些室內(nèi)試驗研究,利用試驗結(jié)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(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)軟土的相關參數(shù)。(1不排水循環(huán)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

10、;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(huán)次數(shù)達到一定數(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(tài)理論和室內(nèi)試驗結(jié)果的計算模型,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力歷史對循環(huán)加載特性的影響。(3試驗結(jié)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質(zhì)粘土的相關參數(shù)。循環(huán)次數(shù)N200040006000800010000 a (% 參考文獻1 Hyodo M, Yasuhara K, Hirao K. Pr

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14、 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,