饱和粘性土体中孔隙水压力对地铁振动荷载响应特征分析

1、.饱和粘性土体中孔隙水压力对地铁振动荷载响应特征分析周念清 唐益群 王建秀 张曦 洪军摘 要：以上海地铁二号线某区间隧道附近的饱和粘性土体为研究对象，在地铁振动荷载作用下，通过对不同位置、不同深度土体中预埋孔压计振动频率的连续监测，研究饱和粘性土体中孔隙水压力对振动荷载的响应特征，得出了饱和粘性土中孔隙水压力增长和消散的变化规律，并用土动力学及能量损失原理对其机理进行了分析。关键词：孔压计；饱和粘性土；孔隙水压力；振动荷载；增长和消散0 引 言 饱和土体中孔隙水压力对振动荷载的作用反应比较敏感，性质不同的土体具有不同的特征，即使是同一土体，荷载性质不同其孔隙水压力增长和消散规律也各不相同。过去

2、，人们对多种荷载作用下饱和砂土中孔隙水压力增长和消散规律研究比较深入，如王桂萱等人就循环荷载下砂质混合土孔隙水压力特性进行了研究，建立了孔隙水压力与能量损失的关系1；张均峰等人研究了冲击荷载下饱和砂土中超孔隙水压力，探讨了达到砂土完全液化的冲击强度临界值2；张之颖等就粘性土覆盖层下粉土及砂土进行研究，模拟地震中超孔隙水压力的增长规律3；白冰、杨兵等分别对强夯荷载、爆炸荷载作用下饱和土层孔隙水压力变化规律作了计算和分析4-5；Okada 则从土体结构观点说明用能量损失来预测孔隙水压力的合理性6；而对饱和粘性土的研究仍处于探索阶段，因为饱和粘性土在颗粒组成、力学性质、孔隙水运动规律等方面均有别于砂

3、土，振动荷载作用产生的超孔隙水压力增长和消散速度相对缓慢，许才军等人通过室内试验研究了饱和软粘土在不排水循环荷载作用下孔隙水压力的增长规律7。地铁循环振动荷载作用下，粘性土体中孔隙水压力随振动荷载发生有规律的变化，本文通过对不同深度饱和粘性土体中孔隙水压力变化连续监测，研究孔隙水压力增长和消散对振动荷载的响应特征，并用能量损失观点对其进行了分析和探讨。1 饱和粘性土中孔隙水运动规律 粘性土的粒度成分决定了粘性土颗粒孔隙的大小，而孔隙是地下水运移的通道，孔隙大小又决定了地下水的渗透性。本研究在上海地铁 2 号线某区间隧道附近试验现场，距离隧道边缘约 1.8 m 处，深度分别为 12、14 和 1

4、6 m 位置采集了 3 组样品进行粒度分析，土质均为第层灰色淤泥质粘土。采用美国贝克曼库特公司生产的 LS-230 激光粒度仪，通过分析，得到三组饱和粘性土的平均粒径为 12.33 m，中值粒径为 8.63 m，粒径峰值为 11.61 m。 由于饱和粘性土颗粒之间孔隙极其细小，通常情况下把饱和粘性土作为隔水层或弱透水层。然而在外界荷载作用下，饱和粘性土体中孔隙水除能承受孔隙水压力外，也能产生压力差或水头差，迫使孔隙水在其中运动，具有一定的渗透性，其渗透性的大小决定了超孔隙水压力增长和消散的速度，同时反映了孔隙水压力传递对振动荷载的敏感程度。研究土体渗透性主要考虑渗透速度和渗透压力，而土体渗透性

5、大小一般用渗透系数K和渗透速度V表示。对于饱和粘性土，孔隙水的运动必须克服起始阻力，且服从渗透规律V = K ( J - J0)， (1) 式中，V 为渗透速度（m/d），K 为渗透系数（m/d），J为水力坡度， J0 为起始水力坡度。 水力坡度由水头差造成，也可由外力作用下土中水所受到的应力（孔隙水压力）而引起。饱和粘性土的渗透系数 K 一般为 10-710-8 cm/s，要使孔隙水在饱和粘性土体中发生渗流运动，首先必须克服起始水力坡度 J0这个阻力才能实现。2 孔隙水压力观测试验2.1 试验场地选择与监测孔布置 试验场地选择在上海地铁#2 线某区间隧道南侧，共布置了 5 个钻孔，距离盾构隧

6、道边缘最近的试验孔仅 1.8 m，如图 1 所示。2.2 仪器选型与埋设 仪器采用电阻式孔压计，通过测量电阻片的电阻变化，计算孔隙水压力。孔压计埋设如图 2 所示。每个钻孔中的三个孔压计均埋设在第层灰色淤泥质粘土层中 8.5、11.5 和 14.0 m 的位置，埋设时孔压计周围使用细砂，在上部使用粘土球膨胀压实，以便能真实地观测地铁振动时各自的响应特征，仪器的量测范围为 00.2 MPa。其计算公式为 式中 Vi p为单位换算输出电压（mv）； 为单位应变（ ）； V ie为桥压（mv）； Ki v为灵敏系数； gaei e为应变片转换系数；其中， Ki v、gae值由厂家标定，V ie在试验

7、现场采用增益档 1000K 进行标定。3 孔隙水压力对地铁振动荷载的响应3.1 孔隙水压力随地铁振动的变化规律 地铁列车共 6 节车厢，整车长 139.46 m，正常运行速度是 60 km/h。地铁在运行过程中，埋设在不同深度的孔压计对地铁振动产生的超孔隙水压力变化具有不同的响应特征，图 3 就是一列地铁通过某一监测点时记录到的孔隙水压力对地铁振动荷载的响应规律，峰值出现在轮轨相互作用的瞬间。以#3 监测孔进行具体分析，通过孔压计的监测反映出不同深度孔隙水压力变化的规律。图 4 为时间 11:0012:15 分别测得埋深为 8.5、11.5 和 14.0 m 处的波形后按照公式（3）（5）计算

8、得到的相应的孔隙水压力。 #4、#5 监测孔离地铁的距离与#3 监测孔相同，均为 1.8 m，监测到的地铁振动产生的孔隙水压力与图 4基本相同，只是时间上比#3 监测孔分别滞后 1.15 s 和2.31s。在垂直地铁运行方向上，#1、#2 监测孔与#3 监测孔比较，除了时间具有一定滞后外，孔隙水压力响应衰减明显。3.2 孔隙水压力的消散规律 地铁在晚间最后一趟车通过和停止运行后，#3 监测孔孔隙水压力开始逐渐消散，图5是埋深为8.5、11.5和 14.0 m 处孔隙水压力逐渐消散的变化曲线。4 孔隙水压力对地铁振动响应分析4.1 孔隙水压力监测结果分析 孔隙水压力监测值统计结果见表 1，各监测

9、点的水头和水头差计算值见表 2。 表 1、2 结果显示，8.5 m 处孔隙水压力水头差为2.51 cm；11.5 m 处孔隙水压力水头差为 6.70 cm；14.0m 处的孔隙水压力水头差为 11.69 cm。由此可以得出：在地铁振动荷载作用下，隧道周围饱和粘性土对地铁振动的反应与位置密切相关，离隧道盾构越近反应越敏感，隧道侧下部比隧道侧上部反应敏感，超出一定深度范围之后振动作用力的影响消失。与此同时，孔隙水消散后不同监测深度上的水头压力均比地铁振动过程中饱和土体中孔隙水最小压力略高。4.2 地铁振动荷载对孔隙水压力影响的机理分析 地铁振动对周围土体中孔隙水压力影响的动力学特征主要表现为：振动

10、荷载作用使土体产生弹性压缩，使孔隙水压力迅速上升；当列车经过后，由于土体的回弹造成孔隙产生负压，使压力下降。在图 3 中，每列地铁 6 节车厢，每节车厢有 4 对车轮，四组轮距分别为 2.8、13.0、2.8 m，车轮经过同一点时振动产生孔隙水压力增长和消散递加，致使孔隙水压力增长、消散与列车车轮经过时相对应。由于不同时段列车通过观测点时间间隔不等，且列车是相向而行，彼此存在一定的干扰，致使测定的孔隙水压力增长和消散并不是等间距的规整波形。 同时，高峰期列车比较拥挤，振动荷载较重，相应地传递的能量较大，孔压或水头波动的振幅也相对较大，从图 4 中就能明显反映出来。地铁振动通过轮轨传递给管片及衬

11、砌，再由衬砌将能量传递给周围土水，在土水作用下能量逐渐衰减，除部分能量被土体吸收外，还有部分能量用于克服饱和粘性土中孔隙水起始水力坡度，引起孔隙水压力或水头升高；随着振动作用的消失，孔隙水压力开始消散，水头逐渐回落。当孔隙水压力尚未完全消散时，下一班列车又通过，振动表现出同样的规律，致使孔压或水头往复不断发生波动。当列车停止运行后，孔隙水逐渐消散，最终达到平衡稳定状态。5 结 语 （1）饱和粘性土中孔隙水压力对地铁振动荷载作用具有明显的响应特征，且距离盾构隧道越近反应越敏感，下部比上部反映敏感，当振动传递到一定深度，其能量不足以克服孔隙水运动的起始阻力时影响就基本消失。 （2）饱和粘性土中孔隙

12、水压力对地铁振动荷载的作用具有一定的时间滞后效应，除与地铁振动点距离有关外，还与地铁作用力的方向关系密切，一般离地铁越近滞后的时间越短，土体中孔隙压力或水头波动的周期与地铁振动周期基本相同； （3）饱和粘性土中孔隙水压力对地铁振动作用引起的孔压消散过程要比孔压增大过程缓慢得多。参考文献：1 王桂萱,桑野二郎,竹村次朗. 循环荷载下砂质混合土孔隙水压力特性研究J. 岩土工程学报,2004,26(4):541545.(WANG Gui-xuan, KUWANO Jiro, TAKEMURA Jiro. Studyon excess pore water pressures of sands mix

13、ed with claysunder cyclic loadingJ. Chinese Journal of GeotechnicalEngineering, 2004,26(4):541545.)2 张均峰, 孟祥跃. 冲击荷载下饱和砂土中超孔隙水压力的建立与消散过程J. 岩石力学与工程学报,2003,22(9):14631468. (ZHANG Jun-feng, MENG Xiang-yue. Build-up anddissipation of excess pore water pressure in saturated sandunder impact loadingJ. Chin

14、ese Journal of Rock Mechanicsand Engineering, 2003,22(9):14631468.)3 张之颖,吕西林,陈跃庆,等. 粘性土覆盖层下土中超孔隙水压力的动力试验研究J.岩石力学与工程学报, 2003, 22(1):131136. (ZHANG Zhi-ying, LU Xi-lin, CHEN Yue-qing,et al. Experimental study on excess pore water pressure ofsoils covered by clay layer J. Chinese Journal of RockMechani

15、cs and Engineering, 2003, 22(1): 131136.)4 白 冰. 强夯荷载作用下饱和土层孔隙水压力简化计算方法J. 岩石力学与工程学报, 2003,22(9): 14691473. (BAIBing. Pore water pressure of saturated stratum under dynamicimpacts J. Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering, 2003,22(9): 14691473.)5 杨 兵, 张志毅, 杨年华, 等. 软弱地基土在爆炸荷载作用期间的孔隙水压力变化分析J. 爆破,2002,19(3):89.(YANG Bing, ZHANG Zhi-yi, YANG Nian-hua, et al. Theanalysis of the change of pore-water pressure in soft soilduring blastingJ. Blasting, 2002,19(3):89.)6 OKADA N, NEMAT-Nasser S. Energy dissipation in inelasticflow of saturated cohesionless granular mediaJ.Geo