循環(huán)荷載下地鐵隧道基底軟巖動力變形試驗研究

趙丹，曹前，黃娟

(1.長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410003；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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循環(huán)荷載下地鐵隧道基底軟巖動力變形試驗研究

趙丹1，曹前1，黃娟2

(1.長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410003；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

全風(fēng)化礫巖是一種受劇烈風(fēng)化作用形成的低強度軟巖。通過對全風(fēng)化礫巖進(jìn)行動三軸循環(huán)加載試驗，對低頻循環(huán)荷載作用下的不可恢復(fù)累積塑性動應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，并分析其受動應(yīng)力幅值、靜偏應(yīng)力大小、圍壓影響、荷載頻率的影響程度。研究結(jié)果表明：巖樣的動力變形以臨界應(yīng)力為界，呈現(xiàn)穩(wěn)定型和破壞型兩種發(fā)展形式；在循環(huán)荷載作用下，全風(fēng)化礫巖的累積塑性動應(yīng)變顯著影響因素是動應(yīng)力幅值與靜偏應(yīng)力幅值；圍壓及荷載頻率因素為次要影響因素。巖樣的變形發(fā)展隨軸向動應(yīng)力和靜偏應(yīng)力增加而增大，并且達(dá)到穩(wěn)定所需的加載時間愈長。

循環(huán)荷載；隧道；全風(fēng)化礫巖；動力變形

全風(fēng)化礫巖是一種受劇烈風(fēng)化作用形成的低強度軟巖[1]。由于全風(fēng)化礫巖的強度較原巖或微風(fēng)化礫巖降低更為顯著，當(dāng)?shù)罔F隧道在風(fēng)化礫巖層中穿越時，全風(fēng)化礫巖在列車長期反復(fù)行車作用下的變形是地鐵隧道運營中值得探討的一個課題。因此，研究全風(fēng)化礫巖在循環(huán)荷載作用下的動力變形發(fā)展規(guī)律，并從中找出影響變形的主要因素顯得非常必要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對各地區(qū)不同的巖土體在三軸動力試驗方面開展了深入的研究[2-15]：劉劍鋒等[2-3]對細(xì)砂巖采用循環(huán)荷載方法研究了巖石阻尼參數(shù)、動彈模及動泊松比等動力參數(shù)的影響；丁祖德[4]對砂質(zhì)泥巖的動應(yīng)變發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了砂質(zhì)泥巖的三階段變形發(fā)展及其破壞模式下的規(guī)律及特點；唐益群等[5]通過對上海地鐵隧道淤泥質(zhì)黏土開展室內(nèi)循環(huán)三軸試驗，指出累積應(yīng)變與孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律之間存在相似性，并指出動荷載頻率越低，累積應(yīng)變越大。劉增榮等[6]對黃土開展了動力試驗，提出了黃土在地鐵循環(huán)荷載下存在臨界動應(yīng)比。

然而，以往的動力試驗多是圍繞我國東部沿海地區(qū)飽和黏土、砂土而進(jìn)行的；實際上，由于各地區(qū)巖土體本身的組成及性質(zhì)的不同，動力特性必然存在差異。在我國廣大的南方地區(qū)，城市軌道交通等地鐵隧道普遍在第四系的各類礫巖、粉砂巖等巖層中穿越，本文中的風(fēng)化礫巖就是其中一種[1]。基于此，本文通過開展室內(nèi)循環(huán)動力三軸試驗，結(jié)合前人的研究成果，對與動力變形密切相關(guān)的因素——動載幅值、靜偏應(yīng)力、圍壓、加載頻率進(jìn)行了試驗研究。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗采用采用微機控制電磁式振動三軸儀DDS- 70。(Dynamic Triaxial Testing Systems)。DDS- 70微機控制電磁式振動三軸試驗系統(tǒng)由主機、電氣系統(tǒng)、靜壓控制系統(tǒng)和微機系統(tǒng)等主要部

分組成。其工作原理是將圓柱形土試樣置于充氣的三軸室內(nèi)上下活塞之間，通過氣體壓力對試樣施加側(cè)向靜壓力與軸向動壓力。

1.2 試樣制備

試驗巖樣取自長沙地區(qū)某地鐵施工現(xiàn)場的全風(fēng)化礫巖層。其上覆蓋有雜填土、砂卵石層、中風(fēng)化礫巖。取樣深度為地表以下10 m～25 m范圍。全風(fēng)化礫巖呈紅褐色，結(jié)構(gòu)松散，巖芯呈碎屑狀、砂狀，局部夾中砂，膠結(jié)程度極差，手捏易散，其主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。采用工程地質(zhì)鉆機XY-100型取試樣，從現(xiàn)場取得試樣并封存。經(jīng)室內(nèi)加工成型的試樣尺寸為直徑Ф39.1 mm，高為80 mm的圓柱體試件。試樣如圖1中(a)所示。

(a)試驗前；(b)試驗后圖1 試驗前后巖樣Fig.1 Rock samples of before and after testing

1.3 敏感試驗工況

考慮動應(yīng)力、靜偏應(yīng)力、圍壓及加載頻率四種因素，并結(jié)合敏感性分析方法，對循環(huán)荷載下全風(fēng)化礫巖不可恢復(fù)累積塑性變形的差別進(jìn)行了比較。試驗的設(shè)置工況見表2。

表1 風(fēng)化礫巖物理力學(xué)指標(biāo)

表2 全風(fēng)化礫巖動力試驗工況

1.4 試驗步驟及加載

先將試樣裝入三軸儀的壓力室內(nèi)進(jìn)行固結(jié)，軸向應(yīng)變≤0.05%固結(jié)完成。關(guān)閉排水開關(guān)，對試樣軸向進(jìn)行加循環(huán)動力荷載，加載波形為正弦波波形。

設(shè)定基本循環(huán)加載次數(shù)為5 000次。試驗中按照1數(shù)/次采集數(shù)據(jù)并存儲。對于部分情況，按照巖樣應(yīng)變破壞值5%進(jìn)行控制，到達(dá)設(shè)定的動應(yīng)變值時加載停止。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)加載累積應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

全風(fēng)化礫巖在循環(huán)動力荷載作用下的應(yīng)變累積過程存在2種典型情況：穩(wěn)定型和破壞型。其相應(yīng)的累積塑性變形發(fā)展規(guī)律分別如圖2和圖3所示。其中，當(dāng)動應(yīng)力幅值小于臨界應(yīng)力值時表現(xiàn)為穩(wěn)定型變化曲線，動應(yīng)力超過臨界應(yīng)力值時表現(xiàn)為破壞型變化曲線。達(dá)到設(shè)定破壞條件后巖樣變形如圖1(b)所示。

分析圖2和圖3可知：

1)當(dāng)動應(yīng)力幅值小于臨界應(yīng)力值時，巖樣的累積動應(yīng)變隨振動次數(shù)的增加，變形發(fā)展曲線呈穩(wěn)定型。 其特點是在循環(huán)加載初期，試樣變形在加荷初期發(fā)展較快；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣逐漸壓密，變形增加趨緩，應(yīng)變值趨于穩(wěn)定值。因此從變形速率的角度，又可進(jìn)一步細(xì)分為變形發(fā)展初始階段和變形發(fā)展穩(wěn)定階段。

2)動應(yīng)力達(dá)到或超過臨界應(yīng)力值情況時，巖樣的累積動應(yīng)變隨振動次數(shù)的增加，變形快速增長，在很短的時間內(nèi)動應(yīng)變超過應(yīng)變控制值并表現(xiàn)為試樣明顯鼓起呈現(xiàn)破壞(圖1(b))。這與典型的巖石破壞變形依次呈變形初始階段、變形等速階段及變形快速增長三階段規(guī)律(圖4)存在一定區(qū)別[6～9]。

分析原因，主要與全風(fēng)化礫巖的微觀結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)。全風(fēng)化礫巖由于風(fēng)化程度較為徹底，顆粒間膠結(jié)程度極差[1]。當(dāng)承受的動應(yīng)力超過臨界應(yīng)力后，變形沿膠結(jié)面薄弱處快速發(fā)展。特別是試驗類別一組中動應(yīng)力幅值由160 kPa增加至170 kPa后，全風(fēng)化礫巖總的變形由1.11%發(fā)展為如圖3中所示的變形，由穩(wěn)定型轉(zhuǎn)化為破壞型。原巖、微風(fēng)化巖體呈完整狀巖體一般最初由微裂紋、細(xì)裂紋擴展經(jīng)過等速變形階段最終發(fā)展成為破壞型。

全風(fēng)化礫巖的破壞變形發(fā)展與完整狀巖石破壞變形三階段規(guī)律既有共性又有不同：由于全風(fēng)化巖自身完整性較差，吸收能量較小，當(dāng)承受超過臨界應(yīng)力的動力荷載時，全風(fēng)化礫巖的破壞變形發(fā)展為快速發(fā)展階段，初始階段和等速階段缺失。因此，全風(fēng)化礫巖的破壞變形是巖石三階段發(fā)展模型的特例，根本原因在于與風(fēng)化礫巖的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

3)對全風(fēng)化巖而言，變形破壞臨界應(yīng)力是客觀存在的。在本次全風(fēng)化巖樣試驗中，臨界動應(yīng)力為160～170 kPa。

圖2 累積變形穩(wěn)定型Fig.2 Stability cumulative deformation

圖3 累積變形破壞型Fig.3 Failure cumulative deformation

圖4 累積變形三階段破壞型Fig.4 Three stages of failure cumulative deformation

2.2 循環(huán)動載幅值影響分析

為分析動應(yīng)力幅值對全風(fēng)化礫巖累積塑性變形總變形的影響程度，在圍壓為150 kPa、靜偏應(yīng)力為100 kPa、加載頻率為2Hz的條件下，取加載動應(yīng)力幅值分別為50，80，100，160和170 kPa共5種工況開展對比試驗。

圖5給出了前4種循環(huán)加載情況下的累積塑性應(yīng)變發(fā)展與加載前5 000次的關(guān)系曲線，圖3給出了第5組動力荷載(170 kPa)作用下破壞型動應(yīng)變與加載次數(shù)前50次加載條件下的關(guān)系曲線，圖6給出了穩(wěn)定型與破壞型累積動應(yīng)變與加載次數(shù)前50次加載條件下的關(guān)系曲線。

圖5 累積穩(wěn)定變形隨循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.5 Curves of accumulative stable deformation versus cyclic number

圖6 累積變形隨循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.6 Curves of accumulative plastic deformation versus cyclic

從圖5和圖6中可以得出：

1)動力荷載幅值越大，累積應(yīng)變越大。對累積應(yīng)變穩(wěn)定型發(fā)展的前4種工況，巖樣的變形在前200次加載時的初始階段為加速變形，加載200次以后變形趨于穩(wěn)定。應(yīng)變的增長速度呈現(xiàn)變形初始階段和變形穩(wěn)定兩階段：第一階段為變形快速增長階段但變形速率隨振次增加逐漸減小，尤其是荷載剛施加的一段時間；第二階段變形不再增長，增長速率漸趨于0，動應(yīng)變趨于一個穩(wěn)定值。

2)動應(yīng)力幅值對巖樣變形影響顯著。當(dāng)動應(yīng)力小于160 kPa時，動應(yīng)變曲線總體發(fā)展趨勢趨于穩(wěn)定；而當(dāng)軸向動應(yīng)力幅值為170 kPa時，動應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣累積變形呈二次曲線形快速發(fā)展。巖樣最終累積塑性應(yīng)變達(dá)到7.81%而破壞。

3)不同動應(yīng)力幅值下，巖樣對應(yīng)的塑性累積應(yīng)變有所不同，對于應(yīng)變穩(wěn)定型巖樣具體表現(xiàn)為：當(dāng)動應(yīng)力幅值為50 kPa時，對應(yīng)變形呈穩(wěn)定型。設(shè)定循環(huán)加載5 000次后其塑性變形已基本趨于穩(wěn)定，取為總應(yīng)變量，對應(yīng)的加載5000次的累積應(yīng)變?yōu)?.357%，而前200次加載的累積應(yīng)變?yōu)?.326%，占總變形量的99.7%；當(dāng)動應(yīng)力幅值為80 kPa，前200次加載、5 000次加載的累積應(yīng)變分別為0.646%和0.708%，初始變形階段占總變形量的91.2%；當(dāng)動應(yīng)力幅值為100 kPa時，相應(yīng)累積應(yīng)變分別為0.826%和0.895%，初始變形階段占總變形量的92.2%；當(dāng)動應(yīng)力幅值為160 kPa時，相應(yīng)累積應(yīng)變分別為1.11%和1.17%，初始變形階段占比總變形量的94.8%。可見，初始階段循環(huán)作用下產(chǎn)生的動力應(yīng)變略占累積總應(yīng)變的90%以上，并且隨著動應(yīng)力幅值的增加，初期循環(huán)作用產(chǎn)生的累積應(yīng)變占總應(yīng)變的比重逐漸減少。

2.2 靜偏應(yīng)力影響分析

在圍壓為150 kPa、動應(yīng)力幅值為75 kPa、加載頻率為2 Hz等壓固結(jié)的試驗因素下，開展了靜偏應(yīng)力分別為0，50，75，90和150 kPa五種水平的循環(huán)加載試驗。圖7為典型工況下的累積軸向應(yīng)變與振動加載循環(huán)次數(shù)前5 000次的關(guān)系曲線。

圖7 不同靜偏應(yīng)力下累積變形隨循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.7 Curves of accumulative plastic deformation versus cyclic number under different static deviator stress

從圖7可知：

1)該組巖樣的累積軸向動應(yīng)變隨振次的增加最終表現(xiàn)為穩(wěn)定型。靜偏應(yīng)力分別為0，50，75，90和150 kPa條件下的累積塑性應(yīng)動應(yīng)變值分別為0.581%，0.568%，0.814%，0.907%和1.75%。對于相同的動應(yīng)力幅值，在不同靜偏應(yīng)力條件下，靜偏應(yīng)力越高時，巖樣產(chǎn)生的累積塑性動應(yīng)變越大。

靜偏應(yīng)力150 kPa與靜偏應(yīng)力為0 kPa加載條件下相比，累積塑性動應(yīng)變增加了2.02倍，靜偏應(yīng)力對巖樣的累積變形影響比較明顯。

2)靜偏應(yīng)力分別為0，50，75，90和150 kPa時對應(yīng)的前200次占總的累積變形量為99.9，99.4，94.7，92.2和87.0%?？芍?，靜偏應(yīng)力越大，達(dá)到穩(wěn)定的變形值所需加載的振次越多，所需加載的時間越長，且該種影響隨偏應(yīng)力的增大而愈加明顯。

3)靜偏應(yīng)力越大，巖樣在相同的動應(yīng)力幅值加載條件下，達(dá)到穩(wěn)定所需要的時間也越長，巖樣在動應(yīng)力加載條件下，靜偏應(yīng)力會促進(jìn)巖樣內(nèi)部裂隙的發(fā)展，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，因此靜偏應(yīng)力對總變形存在時間效應(yīng)。

2.3 圍壓影響分析

在動應(yīng)力幅值為200 N、固結(jié)比為1.0，動載頻率為2 Hz的試驗因素下，開展圍壓分別為150，200，300和400 kPa的循環(huán)加載試驗。圖8給出了不同圍壓水平下巖樣的累積塑性應(yīng)變隨振動加載循環(huán)次數(shù)的變化情況。

圖8 不同圍壓下累積塑性變形隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.8 Curves of accumulative plastic deformation versus cyclic .number under different confining pressure

從圖8分析，圍壓分別為150，200,300和400 kPa時對應(yīng)的累積變形對應(yīng)為0.895%，0.774%，0.509%和0.391%。圍壓每增加100 kPa，累積變形相應(yīng)減少0.11%～0.17%。試樣在相同振次下的累積塑性應(yīng)變值隨圍壓的增加而減小。對應(yīng)的原因是在相同的固結(jié)比條件下，圍壓越大，對應(yīng)的軸壓越大，試樣三向受力越大，在加載的初期會促進(jìn)巖樣裂隙一定程序的密閉。巖樣的物理力學(xué)性能上表現(xiàn)為動彈性模量越大，因此在相同的動載作用下產(chǎn)生應(yīng)變越小。

可見，隨著圍壓的提高，在循環(huán)動應(yīng)力條件下，巖體裂隙變形的發(fā)育減緩，另一方面巖體本身風(fēng)化程度減弱，巖體完整性較好，進(jìn)一步阻礙了變形的發(fā)展。因此，從基底圍巖的長久變形方面分析，加大線路在巖層中的埋深對提高隧道穩(wěn)定是有利的。

2.4 荷載頻率影響分析

荷載的頻率主要是結(jié)合隧道上部列車的運營情況選取了0.5～5 Hz頻段，共開展(a)(b)兩種工況進(jìn)行。(a)組的試驗條件為：動載200 N、圍壓150 kPa、固結(jié)比1.0、靜偏應(yīng)力100 kPa，荷載頻率分別為1，2和5 Hz。(b)組的試驗條件為：動載150 N、圍壓150 kPa、靜偏應(yīng)力0 kPa，荷載頻率分別為0.5，2和5 Hz。

實驗結(jié)果如圖9及圖10所示。從試驗結(jié)果可知：

(a)組試驗，加載前50振次對應(yīng)的累積塑性應(yīng)變分別為0.552%，0.432%和0.432%；加載5 000振次對應(yīng)的累積塑性應(yīng)變分別為0.731%，0.481%和0.512%。 (b)組試驗，加載50振次對應(yīng)的累積塑性應(yīng)變分別為0.593%，0.668%和0.592%；加載5 000振次對應(yīng)的累積塑性應(yīng)變分別為0.722%，0.581%和0.527%?？梢?，隨著荷載頻率的提高，相同振次條件下的累積塑性應(yīng)變略有減小。

在試驗選取的0.5～5 Hz低頻段范圍內(nèi)，荷載頻率為1 Hz時，試樣產(chǎn)生的塑性應(yīng)變最大，但在此頻率范圍內(nèi)巖樣的累積塑性總應(yīng)變小于0.8%，各頻率作用下的變形差別較小。

圖9 靜偏應(yīng)力100 kPa加載下風(fēng)化礫巖樣的變形隨循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.9 Curves of accumulative plastic deformation σs=100 kPa versus cyclic number

圖10 靜偏應(yīng)力0 kPa加載下風(fēng)化礫巖樣的變形隨循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.10 Curves of accumulative plastic deformation under σs=0 versus cyclic number

3 結(jié)論

1)通過比較不同因素對巖樣的軸向累積應(yīng)變的影響，動應(yīng)力幅值對全風(fēng)化礫巖變形影響顯著。當(dāng)應(yīng)力幅值小于臨界應(yīng)力時，軸向累積應(yīng)變曲線為穩(wěn)定型；當(dāng)應(yīng)力幅值高于臨界應(yīng)力時，變形發(fā)展很迅速，變形曲線基本呈拋物線形發(fā)展。這與一般的巖石破壞變形呈三階段規(guī)律即有共性又有不同，其變形的發(fā)展與風(fēng)化巖的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

2)對于穩(wěn)定型變形曲線，根據(jù)變形速率的快慢，分為初期階段和穩(wěn)定階段。全風(fēng)化礫巖的初期階段變形占總變形量的90%以上，并且隨著動應(yīng)力水平的提高，初期循環(huán)作用階段產(chǎn)生的應(yīng)變量占總的累積應(yīng)變的比例有所減小。

3)靜偏應(yīng)力對全風(fēng)化礫巖的變形影響較大，在其它影響因素相同的情況下，靜偏應(yīng)力由0 kPa增加到150 kPa時，總應(yīng)變增加了2.02倍。并且隨著軸向靜偏應(yīng)力增加，巖樣趨于穩(wěn)定階段所需的加載時間愈長。

4)相比較于動應(yīng)力幅與靜偏應(yīng)力幅，圍壓及加載頻率兩個因素對累積動力變形影響較小。圍壓越高，由于越能抑制巖樣加載初期裂隙發(fā)展，巖體總變形隨之減小。在0.5～5 Hz內(nèi)加載頻率范圍內(nèi)，各頻率對總變形差別不到0.2%。其中以循環(huán)荷載為1 Hz的情況對應(yīng)產(chǎn)生的累積變形最大。

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Dynamic deformation of soft rock under cyclic loading in subway tunnel basal

ZHAO Dan1, CAO Qian1, HUANG Juan1

(1. Changsha Metro Group CO.,Ltd, Changsha 410003, China;2. School of Civil Engineering Central South University, Changsha 410075, China)

Weathered-conglomerate is a low-strength soft rock formed by intense weathering of a subway tunnel basement. Using dynamic triaxial cyclic loading test, the law of development of dynamic strain for weathered conglomerate under cyclic loading was studied, while the influence degree of dynamic stress amplitude, static deviator stress, confining pressure impact and loading frequency on dynamic strain for weathered conglomerate was analyzed. The results showed that, the deformation development of weathering conglomerate could be divided into two categories, i.e., stable and failure. Under cyclic loading, the significant factors affecting plastic dynamic strain were the dynamic stress and static deviator stress amplitude, whereas confining pressure and load frequency were secondary factors. The rock deformation increased with the axial dynamic stress and static deviator stress, and greater number of load applications is needed for reaching stable state.

cyclic loading; tunnel; weathered-conglomerate; dynamic deformation

2016-01-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508575，51108461)；長沙市建設(shè)科技資助項目

趙丹(1982-) )，女，湖南長沙人，高級工程師，博士，從事結(jié)構(gòu)與地下工程方面的設(shè)計及施工管理工作；Email: rachelcsu@163.com

TU311.3

A

1672-7029(2016)11-2204-07