地鐵列車荷載作用下地裂縫附近土壓力響應(yīng)特征模型試驗(yàn)研究

劉 蕾，馬 濤，劉雪玲，倪天翔

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，青海 西寧 810001；3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

地鐵列車荷載作用下地裂縫附近土壓力響應(yīng)特征模型試驗(yàn)研究

劉 蕾1，馬 濤2，劉雪玲3，倪天翔4

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，青海 西寧 810001；3.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

為研究地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)地裂縫附近土壓力動(dòng)響應(yīng)的影響機(jī)理，開展了地裂縫與斜交馬蹄形地鐵隧道的物理模型試驗(yàn)，分別制作地鐵隧道模型和土層模型，采用激振器模擬地鐵列車振動(dòng)，通過(guò)壓力盒測(cè)試土壓力分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：地裂縫未活動(dòng)時(shí)，激振點(diǎn)所在的地裂縫一側(cè)的附加土壓力大于另一側(cè)的附加土壓力，離激振點(diǎn)越遠(yuǎn)附加土壓力越小。垂直隧道方向的附加土壓力分布具有隧道軸線處最大、隧道兩側(cè)逐漸減小的規(guī)律。地裂縫活動(dòng)后，位于隧道上部的土體附加壓力呈現(xiàn)上盤大、下盤小的分布規(guī)律，其余部位的附加土壓力呈現(xiàn)下盤大、上盤小的規(guī)律。地裂縫未活動(dòng)時(shí)，土體附加壓力的分布主要受地裂縫的存在及與激振點(diǎn)距離的影響；地裂縫活動(dòng)后土體附加壓力的分布主要受隧道與土體接觸狀態(tài)的影響。

地裂縫；地鐵隧道；列車荷載；土壓力；模型試驗(yàn)

西安地鐵目前已有多條線路運(yùn)行通車，由于西安地鐵具有穿越地裂縫的特殊地質(zhì)環(huán)境，地鐵列車振動(dòng)荷載引起的地裂縫地段土體動(dòng)力響應(yīng)成為目前較為關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。關(guān)于地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及附近地層的動(dòng)力作用問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作[1-10]，取得了較多的成果。針對(duì)地裂縫環(huán)境下地鐵隧道與地層的動(dòng)力作用研究成果相對(duì)較少，袁立群[11-12]通過(guò)馬蹄形隧道與地裂縫正交的物理模型試驗(yàn)，分析了地裂縫、地鐵隧道、地層在列車荷載作用下的相互影響關(guān)系。楊覓[13-14]建立了不同襯砌型式下的隧道-地裂縫-地層相互作用模型，分析了地裂縫鄰近土體振動(dòng)的基本特征，以及正交隧道斷面尺寸和形狀對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。

目前，地裂縫環(huán)境下斜交地鐵隧道與地層的動(dòng)力作用的研究成果尚不多見。本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)地裂縫與地鐵隧道斜交的情況下，地鐵列車振動(dòng)荷載引起的地裂縫附近土體的土壓力動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)試驗(yàn)條件和西安地鐵實(shí)際工程情況確定相似比例，設(shè)計(jì)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。分別制作地鐵隧道模型和土層模型，采用激振器模擬地鐵列車振動(dòng)，通過(guò)壓力盒測(cè)試土壓力，研究地鐵與地裂縫斜交情況下，地鐵振動(dòng)荷載引起的地裂縫附近土體中土壓力的動(dòng)力響應(yīng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D見圖1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械亓芽p與地鐵的交角為60°，地裂縫傾角為80°。

圖1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of test model(unit：cm)

1.2 相似比例設(shè)計(jì)

本文以西安地鐵2號(hào)線的地鐵隧道結(jié)構(gòu)為原型，斷面呈馬蹄形，隧道埋深20 m，結(jié)構(gòu)高度9.55 m。根據(jù)試驗(yàn)條件，本次試驗(yàn)的幾何相似比Cl=20、彈性模量相似比CE=1.5，根據(jù)相似理論原理[15]，計(jì)算各物理量的相似比見表1。

1.3 模型材料

(1)地層

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及多次配比試驗(yàn)，確定采用黏性土、重晶石粉、河砂混合而成，黏土∶重晶石粉∶砂∶水的配比為30∶55∶10∶5。

表1 模型試驗(yàn)各物理量的相似比Table 1 Similitude ratio of the model test

(2)地裂縫

本次試驗(yàn)在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蓄A(yù)設(shè)地裂縫，地裂縫寬度10 mm，傾角80°，裂縫中用粉細(xì)砂填充。

(3)地鐵隧道結(jié)構(gòu)

根據(jù)相似比，模型隧道高47.75 cm，寬47 cm，厚2.75 cm，長(zhǎng)1.8 m；采用細(xì)石混凝土澆筑而成，混凝土標(biāo)號(hào)C15；結(jié)構(gòu)模型內(nèi)縱向配筋為38根Φ2鋼筋，縱筋間距40 mm；橫向配筋為86根Φ2鋼筋，間距20 mm。地鐵隧道斷面見圖2。

圖2 隧道模型斷面圖(單位：cm)Fig.2 Section diagram of tunnel model(unit：cm)

1.4 地鐵列車振動(dòng)荷載設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中采用TST-10型10 kg激振器產(chǎn)生振動(dòng)荷載。西安地鐵2號(hào)線的列車為六輛車編組，列車輪對(duì)荷載P0=160 kN。由激振器產(chǎn)生作用于基底的激振力可表示為：

試驗(yàn)中采取10 Hz的頻率對(duì)輪軌進(jìn)行加載，共設(shè)置4個(gè)激振點(diǎn)，激振點(diǎn)與下盤地鐵隧道邊界的距離分別為60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，具體位置見圖3。

圖3 激振點(diǎn)位置圖(單位：cm)Fig.3 Layout of vibration exciters(unit：cm)

1.5 量測(cè)內(nèi)容及儀器

本次試驗(yàn)采用ZFCY180微型壓力盒測(cè)試土壓力。

分別在填筑高度15 cm、50 cm、85 cm的位置埋設(shè)三層土壓力盒，其中填筑高度15 cm、85 cm的位置分別布設(shè)三條測(cè)線，一條測(cè)線位于地鐵隧道中軸線，另兩條測(cè)線位于隧道中軸線兩側(cè)30 cm的位置；在填筑高度50 cm層于隧道兩側(cè)布設(shè)兩條測(cè)線，測(cè)線與隧道中軸線的距離為30 cm。各測(cè)線均與隧道縱向平行，每條測(cè)線布置土壓力盒5個(gè)，上盤3個(gè)，下盤2個(gè)，各壓力盒距地裂縫的距離分別為：上盤37 cm、20 cm、3 cm；下盤3 cm、20 cm。土壓力盒具體布設(shè)情況見圖4。

圖4 土壓力盒布設(shè)位置圖(單位：cm)Fig.4 Layout of pressure cells (unit：cm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 地裂縫未活動(dòng)時(shí)土壓力響應(yīng)

本文采用附加土壓力分析振動(dòng)荷載導(dǎo)致的土壓力動(dòng)力響應(yīng)，附加土壓力指的是在激振時(shí)測(cè)取的土壓力與未施加激振荷載時(shí)的靜土壓力的差值。圖5～圖7分別為地裂縫未活動(dòng)時(shí)10 hz激勵(lì)下各測(cè)線的附加土壓力曲線。

圖5 地裂縫未活動(dòng)時(shí)15 cm高度附加土壓力曲線Fig.5 Additional earth pressure curves at the height of 15 cm before the ground fissure movement

圖6 地裂縫未活動(dòng)時(shí)50 cm高度附加土壓力曲線Fig.6 Additional earth pressure curves at the height of 50 cm before the ground fissure movement

圖7 地裂縫未活動(dòng)時(shí)85 cm高度附加土壓力曲線Fig.7 Additional earth pressure curves at the height of 85 cm before the ground fissure movement

根據(jù)圖中的測(cè)試結(jié)果，地裂縫未活動(dòng)時(shí)，各條測(cè)線的附加土壓力均為正值。從豎直方向比較，附加土壓力值隨土體高度的增加逐漸減小，其原因主要受測(cè)點(diǎn)位置靜止土壓力的大小及測(cè)點(diǎn)距激振點(diǎn)的距離影響。自下而上的三條測(cè)線，土體埋深逐漸減小，因此靜止土壓力逐漸減小；此外三條測(cè)線距激振點(diǎn)的距離依次增大，距激振點(diǎn)越遠(yuǎn)地層受振動(dòng)的影響越弱。

從隧道縱向比較，激振點(diǎn)所在側(cè)的土體附加壓力普遍大于地裂縫另一側(cè)的土體附加壓力，且距激振點(diǎn)越遠(yuǎn)土體附加壓力越小，跨越地裂縫時(shí)附加土壓力有較大程度的減小。

從垂直隧道的方向比較，隧道軸線部位的附加土壓力均大于相同高度的隧道兩側(cè)土體的附加土壓力。

2.2 地裂縫上盤下降時(shí)土壓力響應(yīng)

圖8～圖10分別為地裂縫上盤下降1 cm時(shí)10hz激勵(lì)下不同高度土體的附加土壓力曲線。

圖8 地裂縫上盤下降時(shí)15 cm高度附加土壓力曲線Fig.8 Additional earth pressure curves at the height of 15 cm after the ground fissure movement

圖9 地裂縫上盤下降時(shí)50 cm高度附加土壓力曲線Fig.9 Additional earth pressure curves at the height of 50 cm after the ground fissure movement

圖10 地裂縫上盤下降時(shí)85 cm高度附加土壓力曲線Fig.10 Additional earth pressure curves at the height of 85 cm after the ground fissure movement

地裂縫上盤下降后，各條測(cè)線的附加土壓力分布與地裂縫未活動(dòng)時(shí)有較大差別。除測(cè)線3-2(位于隧道上部中軸線位置)外，其余測(cè)線的附加土壓力分布規(guī)律大致相同，均表現(xiàn)為上盤的附加土壓力基本為零，下盤的附加土壓力較大。而測(cè)線3-2的附加土壓力分布規(guī)律恰恰相反，表現(xiàn)為上盤的附加土壓力較大，下盤的附加土壓力基本為零。

根據(jù)前期開展的地鐵與地裂縫物理模型試驗(yàn)得知，地裂縫上盤下降后，隧道與土體的接觸關(guān)系發(fā)生變化，隧道與上盤的隧道下部土體、下盤的隧道上部土體產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，上盤的隧道上部土體及下盤的隧道下部土體產(chǎn)生擠密現(xiàn)象。脫空部位的土壓力基本為零，且地鐵列車振動(dòng)時(shí)對(duì)附加土壓力影響不大，因此附加土壓力基本為零。擠密部位的土體在振動(dòng)作用下進(jìn)一步被壓密，導(dǎo)致附加土壓力增大。由此可見，地裂縫活動(dòng)后隧道附近土體附加壓力的分布規(guī)律主要受隧道與土體接觸狀態(tài)的影響。

3 結(jié) 論

通過(guò)斜交馬蹄形地鐵隧道與地裂縫的物理模型試驗(yàn)，研究了地鐵列車荷載作用下地裂縫附近的土體的土壓力響應(yīng)，主要取得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)地裂縫未活動(dòng)時(shí)隧道附近的土體附加壓力具有以下分布規(guī)律：豎直方向隨土體高度的增加附加土壓力逐漸減??；隧道縱向上，激振點(diǎn)所在地裂縫一側(cè)的附加土壓力大于另一側(cè)的附加土壓力，跨越地裂縫時(shí)附加土壓力有較大程度的減小，離激振點(diǎn)越遠(yuǎn)附加土壓力越小。垂直隧道的方向，隧道軸線部位的附加土壓力大于相同高度的隧道兩側(cè)土體的附加土壓力。

(2)地裂縫上盤下降時(shí)，隧道上部的土體附加壓力呈現(xiàn)上盤大、下盤基本為零的分布規(guī)律，其余部位的土體附加壓力呈現(xiàn)下盤大、上盤基本為零的規(guī)律，且激振點(diǎn)從下盤移至上盤時(shí)下盤土體附加壓力有所減小。

(3)地裂縫未活動(dòng)時(shí)，土體附加壓力的分布主要受地裂縫的存在及與激振點(diǎn)距離的影響；地裂縫上盤下降后，隧道附近土體附加壓力的分布主要受土體與隧道接觸狀態(tài)的影響。

[1] 潘昌實(shí)，謝正光. 地鐵區(qū)間隧道列車振動(dòng)測(cè)試與分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào). 1990, 23(2): 21-28.

PAN Changshi，XIE Zhenguang. Measurement and analysis of vibrations caused by passing trains in subway running tunnel[J]. China Civil Engineering Journal，1990，23(2)：21-28.

[2] 張玉娥，白寶鴻. 地鐵列車振動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)激振荷載的模擬[J]. 振動(dòng)與沖擊. 2000, 19(3): 68-70.

ZHANG Yu’e，BAI Baohong. The method of identifying train vibration load acting on subway tunnel structure[J]. Journal of Vibration and Shock，2000，19(3)：68-70.

[3] 劉衛(wèi)豐，劉維寧，Degrande. 地鐵列車運(yùn)行引起地表振動(dòng)的預(yù)測(cè)模型及其試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào). 2010, 23(4): 373-379.

LIU Weifeng，LIU Weining，Degrande. Experimental validation of a numerical model for prediction of metro train-induced ground-surface vibration[J]. Journal of Vibration Engineering，2010，23(4)：373-379.

[4] 莫海鴻，王軍輝，鄧飛皇. 營(yíng)運(yùn)期地鐵盾構(gòu)隧道動(dòng)力響應(yīng)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2006, 25(S2): 3507-3512.

MO Haihong，WANG Junhui，DENG Feihuang. Analysis of dynamic responses of shield tunnle during metro operation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(S2)：3507-3512.

[5] 唐益群, 王艷玲, 黃雨, 等．地鐵行車荷載下土體動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(6):701-704.

TAN Yiqun，WANG Yanling，HUANG Yu，et al. Dynamic strength and dynamic stress-strain relation of silt soil under traffic loading[J]. Journal of Tongji University(Natural Science)，2004,32(6):701-704.

[6] 李德武. 列車振動(dòng)對(duì)隧道襯砌影響的分析[J]. 蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào). 1998, 17(2): 6-11.

LI Dewu. An analysis of dynamic response of tunnel lining to train vibrations[J]. Journal of Lanzhou Railway Institute，1998, 17(2): 6-11.

[7] 王逢朝, 夏禾, 張鴻儒. 地鐵列車振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響 [J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 23(5): 45-48.

WANG Fengchao，XIA He，ZHANG Hongru. Vibration effects of subway trains on surrounding Buildings[J]. Journal of Northern Jiaotong University，1999, 23(5): 45-48.

[8] Forrest J H M H. A three dimentional tunnel model for calculation of train induced ground vibration[J]. Journal of Sound and Vibration. 2006, 294(4): 678-705.

[9] Hussein D H. A power flow method for evaluating vibration from underground railways [J]. Journal of Sound and Vibration. 2006, 293(3): 667-679.

[10] Mohanan V S O. SINGAL S. A noise and vibration survey in an underground railway system[J]. Applied Acoustics, 1989, 28(2): 263-275.

[11] 袁立群，門玉明，劉洪佳，等. 西安出露及隱伏地裂縫與地鐵隧道相互作用數(shù)值模擬分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，2013，28(2)：11-13.

YUAN Liqun，MEN Yuming，LIU Hongjia，et al. A numerical simulation of interactions between ground fissures and Xi’an metro tunnel[J]. Journal of Catastrophology，2013，28(2)：11-13.

[12] 袁立群，門玉明，劉妮娜，等. 與地裂縫正交馬蹄形地鐵隧道動(dòng)力響應(yīng)模擬分析[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2015，35(3)：354-358.

YUAN Liqun，MEN Yuming，LIU Nina，et al. The dynamic response simulation analysis of U-shaped metro tunnel orthogonal with the ground fissure[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2015，35(3)：354-358.

[13] 楊覓，門玉明，袁立群，等. 地裂縫環(huán)境下不同隧道型式的地鐵振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2016，36(2)：188-195.

YANG Mi，MEN Yuming，YUAN Liqun，et al. Numerical analysis of subway vibration responses for different tunnel types in ground fissure areas[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2016，36(2)：188-195.

[14] 楊覓，門玉明，曹蕊，等. 地鐵荷載作用下地裂縫附近土體受力數(shù)值分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2016，12(6)：1545-1552.

YANG Mi，MEN Yuming，CAO Rui，et al. Numerical analysis of stress in soil due to subway moving loads in ground fissure area[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2016，12(6)：1545-1552.

[15] 楊俊杰. 相似理論與結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2005.

YANG Junjie. Similarity theory and construction model experiment[M]. Wuhan：Wuhan University of Technology Press，2005.

Dynamicresponseanalysisoftheearthpressureingroundfissuresareaundervibrationloadsofmetrotrain

LIU Lei1，MA Tao2，LIU Xueling3，NI Tianxiang4

(1.CollegeofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083，China；2.GeologicalEnvironmentalMonitoringCentralStationofQinghaiProvince,Xining,Qinghai810001,China;3.CollegeofGeologicalEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,
Shaanxi710054,China；4.ChinaInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Beijing100081，China)

A large scale model test was carried out to study the dynamic response of the earth pressure in ground fissures area under vibration loads of train. The metro tunnel model and the layer model was built. The metro train vibration was simulated by the vibration exciters. The earth pressure was tested by the pressure cell. The test results show that the additional earth pressure on the side of the vibration exciter is bigger. The additional earth pressure reduces when acrossing the ground fissure. The additional earth pressure on the axes of tunnel is bigger than that on the side of the tunnel. When the halling wall of ground fissue descends, the additional earth pressure above the tunnel has the distributing disciplinarian of that on the side of halling wall is bigger than that on footwall,while the distributing disciplinarian is opposite in the other area of ground fissure. The additional earth pressure becomes small when the vibration exciter moving to the halling wall from the footwall. Before the ground fissure movement, the additional earth pressure distribution is affected mainly by the ground fissure. When the halling wall descends, the additional earth pressure distribution is affected mainly by the contact state of the tunnel and the soil.

ground fissure；metro tunnel；train loads；earth pressure；model test

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.19

P642.22

A

1003-8035(2017)04-0119-06

2017-06-16;

2017-08-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(41172257)青海省自然科學(xué)基金(2017-ZJ-909)；青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究(2014-ZJ-706)

劉 蕾(1983-)，女，博士，主要從事地質(zhì)工程及安全工程等方面的研究。E-mail:2370574038@qq.com