地铁运行荷载作用下饱和软粘土变形特性分析

1、 地铁运行荷载作用下饱和软粘土变形特性分析1黄茂松,刘明同济大学地下建筑与工程系,上海 (200092E-mail :,cn摘 要:本文以地铁主要穿越层-上海地区饱和淤泥质粘土为研究对象,运用GDS 循环三轴仪,采用不同动应力比来模拟地铁行车荷载进行循环三轴试验。通过试验结果与李进军、黄茂松(2005以及黄茂松等(2006提出的饱和软粘土的累积塑性应变的计算公式得出饱和软粘土在循环荷载作用下变形发展规律,并得到适合于上海淤泥质软土的相关参数。 关键词:地铁,行车荷载,饱和软粘土,累积变形1.引言地铁作为新型交通工具,已成为城市基础设施建设的热点。但地

2、铁运营时产生的振动对地铁隧道结构和周围环境会产生很大影响,例如会出现地铁区间隧道长期运行沉降和地铁工程耐久性问题,尤其是对于上海等软土层很厚的城市。人们正逐渐重视并展开了循环荷载下软土地基的变形特性研究工作,而现在对这一方面的研究鲜见于文献,目前还没有直接运用于地铁运行荷载下软土长期变形的计算方法,因此无论是对已经建成还是未建成的地铁工程而言,如何利用基础理论和试验结果,来寻找并预测地铁车辆往复荷载引起的软土长期变形规律是非常必要的。本文以上海地铁主要穿越层-饱和淤泥质软粘土为研究对象,进行动应力-应变关系研究,通过试验研究总结出土体变形规律,得到其累积变形的计算模型。2.试验方法及结果分析2

3、.1 试验仪器与方法采用英制GDS 循环三轴仪,土样取自上海地区饱和淤泥质软粘土,采用原状土样进行不同围压(100kPa 、200 kPa不同动应力比(针对地铁行车荷载这种特殊的循环荷载,动应力比较小的情况,采用动应力比为c d d p =/=0.1、0.2、0.3条件下的不排水循环三轴试验。考虑到土层实际固结状态,采用偏压固结(固结比为7.011031=K K cc c。2.2 试验结果与分析图1为kPa c 100'3=时不同动应力比的循环次数与累积轴向应变之间的关系曲线,循环应力比'3/cd d =,d 为循环动应力,'3c 为初始固结围压。可以看出,小动应力比条

4、件下,随着循环次数的增加,累积轴向应变初始时迅速增大,土样逐渐硬化,当循环次数达到一定数目后,增长速度逐渐缓慢直至趋于稳定,曲线愈益平缓。另外,累积应变的增长速度与动应力水平有关,相同围压作用下动应力比越大,土体的变形越大;动应力比较小时(如动应力比为0.1和0.2,累积变形较快的(几千次循环后就变得平滑即试样的变形很快达到稳定,而当动应力比较大时,试样最终会达到破坏。因此循环次数对累积应变的影响程度取决于动应力水平。图2为kPac 200'3=时不同动应力比的循环次数与累积轴向应变之间的关系曲线,规律1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:20030247005的资助。

5、 与kPac 100'3=时相同,但累积应变值明显大了许多,这表明围压越大,累积变形与孔压越大。 图1 上海淤泥质粘土不排水动三轴试验曲线 图2 上海淤泥质粘土不排水动三轴试验曲线(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.累积变形规律3.1 累积塑性变形计算模型已有的大多数循环累积塑性变形模型并没有

6、合理地考虑静应力和动应力相互影响的耦合效应。本文所采用的模型为李进军(2005以及黄茂松等(2006提出的基于临界状态理论和室内试验结果的计算模型,它将第一次循环变形与循环破坏概念结合起来考虑,可以较为合理地考虑土应力历史对循环加载特性的影响。下面对此模型作简单介绍。如图3所示不排水循环三轴试验的应力路径,为了对加载路径应力点的位置进行描述,引入偏应力水平,如下式表示:ult D q q = (1式中,D 为偏应力水平,13q =为偏应力,ult q 为不排水破坏强度或极限强度,这样就可以分别定义出不排水循环三轴试验中的静偏应力水平s s ult D q q =、动偏应力水平d d ult D

7、 q q =和峰值偏应力水平(p d s ult D q q q =+。如何综合考虑s D 、d D 与p D 的综合影响,李进军(2005以及黄茂松等(2006在临界状态理论的基础上提出相对偏应力水平*D 的概念:*max p ss D D D D D = (2式中,max D 为可能达到的最大偏应力水平,即max 1D =。通过对试验结果分析可以建立第一次循环塑性应变与相对偏应力水平之间的关系,如下式表示:*1m aD = (3式中,a 和m 为试验参数。为方便工程应用,也可以采用下面简单的指数形式:循环次数循环次数 a (% *p m b aD N = (4式中,b 为试验常数。 图3

8、非等向固结不排水循环三轴试验应力路径示意图3.2 试验结果与分析图4为相对偏应力水平和第一次循环塑性应变关系曲线。可以看出,通过考虑s D 、dD 或 p D 的影响,第一次循环塑性应变1随着相对偏应力水平*D 的增大表现出指数型非线性单调增大的规律,并得到其指数形式趋势线,a 和m 见表1。 图4 第一次循环塑性应变与相对偏应力水平关系 图5 第一次塑性应变与累积塑性应变(N =10000关系然后对累积循环应变与相应的第一次循环塑性变形的关系曲线进行拟合,见图5,这样可确定参数b 的值,见表1。图6为循环次数与累积变形之间的关系曲线,从试验结果与计算结果的对比可以看出,循环累积变形计算模型可

9、以较好的拟合能力。表1 累积残余变形计算参数表参数名 a mb参数值0.41 2.22 0.17qultq sq s dq q +c相对偏应力水平第一次循环塑性应变累积塑性应变第一次循环应变 图6 轴向累积变形与循环次数关系曲线(为模拟结果;-为试验结果4.总结本文针对上海地铁主要穿越层第层饱和淤泥质粘土的静力及循环变形特性运用GDS 循环三轴仪进行了一些室内试验研究,利用试验结果与李进军、黄茂松(2005以及黄茂松等(2006提出的饱和软粘土的累积塑性应变的计算公式得出饱和软粘土在循环荷载作用下变形发展规律,并得到适合于上海淤泥质软土的相关参数。(1不排水循环三轴试验表明,饱和软粘土地累积塑

10、性应变由动应力水平、初始围压共同确定:相同围压作用下动应力比越大,土体的变形与累积孔压越大;较低的动应力条件下,累积轴向应变与累积孔压初期增长很快,当循环次数达到一定数目后,增长速度便逐渐缓慢直至趋于稳定,而当动应力较大时试样最终会达到破坏。(2本文所采用的模型为李进军(2005以及黄茂松等(2006提出的基于临界状态理论和室内试验结果的计算模型,它将第一次循环变形与循环破坏概念结合起来考虑,可以较为合理地考虑土应力历史对循环加载特性的影响。(3试验结果的分析也验证了此计算模型的合理性与良好的适用性,并且得到适合于上海饱和淤泥质粘土的相关参数。循环次数N20004000600080001000

11、0 a (% 参考文献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 initial static shear stress, Soils a

12、nd 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. Rotterdam, Balkema, 1988. 653-658.4

13、黄茂松, 李进军, 李兴照. 饱和软粘土的不排水循环累积变形特性. 岩土工程学报, 2006, 28(7: 891-895.5 李进军. 交通荷载作用下饱和软粘土长期沉降分析. 同济大学博士学位论文, 2005.6 李进军,黄茂松,王育德.交通荷载作用下软土路基累积塑性变形分析方法.中国公路学报, 2006, 19(1: 1-5.Analysis of Saturated Soft Clay under Subway TrafficLoadingHuang Maosong, Liu MingDepartment of Geotechical Engineering, Tongji Univer

14、sity (200092AbstractFor the 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.(200