地鐵行車荷載作用下粉質(zhì)黏土累積孔壓特性研究

趙中華，雷 勇

(1.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系， 遼寧 沈陽(yáng) 110167；2.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)， 遼寧 沈陽(yáng) 110004)

近幾年，地鐵工程的大量建設(shè)引發(fā)的工程環(huán)境問(wèn)題較多[1-3]。地鐵在運(yùn)營(yíng)期間，隧道周圍土體的孔隙水壓力會(huì)不斷發(fā)生變化，進(jìn)而影響了土體的力學(xué)性能發(fā)生改變。因此，研究地鐵行車荷載作用下土體的孔隙水壓力變化規(guī)律就顯得極為重要。

目前，一些學(xué)者就地鐵行車荷載作用下土體孔隙水壓力變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。宮全美等[4]對(duì)地鐵隧道地基土中孔隙水壓力的變化進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：在低頻范圍內(nèi)孔隙水壓力變化較小，頻率越高，產(chǎn)生的孔隙水壓力越大。周念清[5]通過(guò)對(duì)上海地鐵某區(qū)間隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：地鐵行車荷載引起的孔隙水壓力，其消散過(guò)程需要的時(shí)間要比增加過(guò)程需要的時(shí)間多得多。王明飛[6]基于ANSYS有限元軟件，研究地鐵隧道周圍飽和粉土的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律，研究表明隨著地鐵列車運(yùn)行速度的增加，飽和粉土的孔隙水壓力逐漸降低。王元東[7]對(duì)地鐵隧道周圍加固軟黏土進(jìn)行了循環(huán)三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)表明在其他條件相同時(shí)，隨著荷載幅值和振動(dòng)次數(shù)的增加，孔隙水壓力也相應(yīng)增加，隨著圍壓和頻率的增加，孔隙水壓力反而減小。魏新江[8]對(duì)杭州地區(qū)飽和軟黏土進(jìn)行了循環(huán)三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)表明固結(jié)程度越高的土體，孔壓發(fā)展越慢。葛世平[9]通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：隨著深度的增加，孔隙水壓力先增加后減小，在拱腰周圍產(chǎn)生的孔隙水壓力最大。黃強(qiáng)[10]基于有限元軟件，對(duì)上海地鐵某區(qū)間隧道下臥層超孔隙水壓力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明隨著離隧道中心距離的增加，水平斷面上超孔隙水壓力不斷衰減，越接近隧道斷面，衰減越快，縱斷面隧道正下方產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨深度增加而減小。謝兵樂(lè)[11]采用動(dòng)態(tài)空心圓柱測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)天津?yàn)I海地區(qū)飽和軟黏土的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究，研究表明隨著圍壓、荷載幅值及振動(dòng)次數(shù)的增加，孔隙水壓力逐漸增大，而隨著頻率的增加，孔隙水壓力反而逐漸降低。丁智[12]基于室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)杭州地區(qū)原狀淤泥質(zhì)黏土的孔壓特性進(jìn)行了研究，研究表明初始固結(jié)度對(duì)孔壓發(fā)展有較大的影響，固結(jié)度越低，峰值孔壓越大，穩(wěn)定后的孔壓也越大。豐土根等[13]研究振動(dòng)頻率對(duì)飽和松砂影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：頻率越高，飽和松砂達(dá)到峰值孔壓所需振動(dòng)次數(shù)越多。逯鵬宇等[14]對(duì)武漢地鐵隧道周圍軟黏土和砂土的孔隙水壓進(jìn)行了研究，研究表明循環(huán)荷載作用下，孔隙水壓經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)、勻速增長(zhǎng)和衰減穩(wěn)定3個(gè)階段。田飛等[15]基于有限元軟件，對(duì)交通荷載的特性進(jìn)行了研究，研究表明交通荷載可簡(jiǎn)化為一種帶參數(shù)的正弦公式。

以上學(xué)者基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)和有限元模擬，研究了不同因素對(duì)孔隙水壓力的影響，雖然得到了一些研究成果，但某一些結(jié)論也并不一致，比如頻率對(duì)孔隙水壓力的影響。由于土體具有極大的結(jié)構(gòu)性和空間變異性，不同地區(qū)土體的特性不同，因此有待進(jìn)一步研究沈陽(yáng)地區(qū)地鐵行車荷載作用下粉質(zhì)黏土孔隙水壓力特性。

1 室內(nèi)GDS試驗(yàn)

本試驗(yàn)土樣選取沈陽(yáng)地鐵九號(hào)線某站附近基坑坑內(nèi)，為減小在取土過(guò)程中土體被擾動(dòng)以及離散性所帶來(lái)的試驗(yàn)誤差，本次取土采用人工取土方式。土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，動(dòng)三軸試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 圍壓對(duì)累積孔壓的影響

圖1為不同圍壓試驗(yàn)條件下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線，從圖1中可以看出，在振動(dòng)初始階段，累積孔壓表現(xiàn)為迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，累積孔壓曲線發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折，增長(zhǎng)的速率雖然有所減緩，但是增長(zhǎng)的絕對(duì)值仍然較大。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間積累后，累積孔壓出現(xiàn)兩種不同的發(fā)展趨勢(shì)，一種是進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，累積孔壓不再隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而增長(zhǎng)，此時(shí)的累積孔壓已經(jīng)達(dá)到極限值，如A2試樣所示；另一種是繼續(xù)隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)的速率逐漸減小，如A6試樣所示。

從整體發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，累積孔壓增長(zhǎng)趨勢(shì)大致經(jīng)歷三個(gè)階段：第一階段發(fā)生在振動(dòng)次數(shù)為0～500之間，此階段的累積孔壓呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；第二階段發(fā)生在振動(dòng)次數(shù)為500～2 000之間，此階段的累積孔壓呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)；第三階段發(fā)生在振動(dòng)次數(shù)為2 000～10 000之間，此階段的累積孔壓呈穩(wěn)定型增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖1不同圍壓下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線

從圖1中還可以看出，在相同試驗(yàn)條件下，圍壓越大，地鐵行車荷載作用下土體產(chǎn)生的累積孔壓越小。這是因?yàn)樵谙嗤墓探Y(jié)應(yīng)力比條件下，圍壓越大，土體受到的軸向壓力越大，在固結(jié)過(guò)程中土體被壓得較密實(shí)，導(dǎo)致孔隙水壓力排水通道越來(lái)越小，故土體產(chǎn)生的累積孔壓就越小。這也充分表明，在地鐵隧道垂直方向內(nèi)，土體越深，孔隙水壓力越難以發(fā)展。

2.2 固結(jié)比對(duì)累積孔壓的影響

圖2為不同固結(jié)比試驗(yàn)條件下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線，從圖2中可以看出，在地鐵行車荷載作用下，土體產(chǎn)生的累積孔壓隨著固結(jié)比的增大而減小。這主要是因?yàn)樵谙嗤脑囼?yàn)條件下，固結(jié)比越大，在圍壓相同的情況下，土體的軸向應(yīng)力越大，土體在固結(jié)過(guò)程中越容易被壓密，導(dǎo)致孔隙水壓力排水通道越來(lái)越小，所以在相同的動(dòng)應(yīng)力幅值和頻率作用下，累積孔壓就難以上升。

通過(guò)整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，累積孔壓達(dá)到極限值時(shí)，固結(jié)比為1.0時(shí)產(chǎn)生的累積孔壓占有效圍壓23.8%，固結(jié)比為1.5時(shí)產(chǎn)生的累積孔壓占有效圍壓17.9%，固結(jié)比為2.0時(shí)產(chǎn)生的累積孔壓占有效圍壓11.5%。由此可知，隨著固結(jié)比的增加，土體的累積孔壓比(即孔壓/有效圍壓)呈線性減小趨勢(shì)。

圖2不同固結(jié)比下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線

2.3 動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)累積孔壓的影響

圖3為不同動(dòng)應(yīng)力幅值試驗(yàn)條件下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線，從圖3中可以看出，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，粉質(zhì)黏土的累積孔壓隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加而增大。這主要是因?yàn)樵谙嗤脑囼?yàn)條件下，動(dòng)應(yīng)力幅值越大，地鐵行車荷載的能量越大，由于土體的孔隙水壓力要比土顆粒骨架敏感，孔隙水壓力首先吸收地鐵振動(dòng)荷載傳來(lái)的能量，與此同時(shí)土體的有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致土單元薄弱連接處發(fā)生松動(dòng)，形成微裂縫，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，微裂縫逐漸被貫通，形成連通的孔隙水壓力通道，致使孔隙水壓力上升。

圖3不同動(dòng)應(yīng)力幅值下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線

從圖3還可以看出，粉質(zhì)黏土的累積孔壓隨動(dòng)應(yīng)力幅值的增加而增大的幅值有所不同。當(dāng)圍壓為80 kPa時(shí)，動(dòng)應(yīng)力幅值每增加10 kPa，累積孔壓增加15.6 kPa～17.1 kPa；當(dāng)圍壓為130 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值每增加10 kPa，累積孔壓增加7.6 kPa～10.4 kPa。由此可見(jiàn)，在低圍壓試驗(yàn)條件下累積孔壓隨動(dòng)應(yīng)力幅值的增加而增大的幅值較高圍壓條件下要明顯。

2.4 頻率對(duì)累積孔壓的影響

圖4為不同頻率試驗(yàn)條件下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線，從圖4中可以看出，粉質(zhì)黏土的累積孔壓發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)一致。在振動(dòng)初始階段，由于土體中孔隙水壓力吸收了大部分能量，使孔隙水壓力瞬間上升，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，土體越來(lái)越密實(shí)，孔隙水壓力的上升速率明顯較振動(dòng)初期緩慢，隨著振動(dòng)次數(shù)的繼續(xù)增加，孔隙水壓力不再上升而是處于穩(wěn)定狀態(tài)保持不變。

從圖4還可以看出，累積孔壓隨著頻率的增大而減小，這是因?yàn)轭l率越低，孔隙水壓力有足夠的時(shí)間來(lái)吸收能量，從而使孔隙水壓力上升幅度越大。通過(guò)整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓為80 kPa時(shí)，0.5 Hz頻率下產(chǎn)生的累積孔壓分別是1 Hz和2 Hz的1.2和1.5倍；當(dāng)圍壓為130 kPa時(shí)，0.5 Hz頻率下產(chǎn)生的累積孔壓分別是1 Hz和2 Hz的1.3和2.1倍。由此可見(jiàn)，在地鐵設(shè)計(jì)時(shí)，要以低頻荷載作為參考指標(biāo)，這將為地鐵正常運(yùn)營(yíng)提供可靠依據(jù)。

圖4不同頻率下累積孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線

2.5 振動(dòng)次數(shù)對(duì)累積孔壓的影響

圖5為不同振動(dòng)次數(shù)下累積孔壓變化曲線圖，從圖5中可以看出，在四種不同試驗(yàn)條件下，累積孔壓的增長(zhǎng)速率均隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸減小。這是因?yàn)殡S著振動(dòng)次數(shù)的增加，土體越來(lái)越密實(shí)，孔隙水壓力通道越來(lái)越小，孔隙水壓力的累積速率越來(lái)越弱，導(dǎo)致孔隙水壓力的上升幅值越來(lái)越低。

通過(guò)整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓為80 kPa、130 kPa、180 kPa時(shí)，振動(dòng)次數(shù)為2 000次產(chǎn)生的累積孔壓分別占極限孔壓的89%、73%、79%；當(dāng)固結(jié)比為1.0、1.5、2.0時(shí)，振動(dòng)次數(shù)為2 000次產(chǎn)生的累積孔壓分別占極限孔壓的82%、73%、85%；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值為20 kPa、30 kPa、40 kPa時(shí)，振動(dòng)次數(shù)為2 000次產(chǎn)生的累積孔壓分別占極限孔壓的90%、85%、86%；當(dāng)頻率為0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz時(shí)，振動(dòng)次數(shù)為2 000次產(chǎn)生的累積孔壓分別占極限孔壓的85%、88%、90%。

從以上述數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，圍壓越小，振動(dòng)初始階段所產(chǎn)生的累積孔壓占極限孔壓的比值較大，而對(duì)于固結(jié)比、動(dòng)應(yīng)力幅值以及頻率因素來(lái)說(shuō)，振動(dòng)初始階段所產(chǎn)生的累積孔壓占極限孔壓的百分比受因素水平的影響并未形成一致的規(guī)律。比如頻率為0.5 Hz和2.0 Hz時(shí)，振動(dòng)次數(shù)為2 000次產(chǎn)生的累積孔壓分別占極限孔壓的85%和90%，從數(shù)據(jù)上來(lái)看，頻率為2.0 Hz時(shí)產(chǎn)生的效果更明顯，這顯然與“低頻荷載作用產(chǎn)生的累積孔壓比高頻荷載作用效果顯著”結(jié)論似乎并不一致。本文仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因：其一是因?yàn)橥馏w本身的結(jié)構(gòu)存在差異所帶來(lái)的試驗(yàn)結(jié)果，其二可能由于頻率和振動(dòng)次數(shù)因素之間存在耦合作用，在一定程度上對(duì)累積孔壓的變化產(chǎn)生影響。但總體來(lái)說(shuō)，在相同試驗(yàn)條件下，低頻荷載作用產(chǎn)生的累積孔壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比高頻荷載作用產(chǎn)生的累積孔壓大。

圖5不同振動(dòng)次數(shù)下累積孔壓變化曲線

3 結(jié) 論

(1) 在相同試驗(yàn)條件下，累積孔壓隨圍壓增大而減小，隨固結(jié)比增大而減小，隨動(dòng)應(yīng)力幅值增大而增大，隨頻率增大而減小，隨振動(dòng)次數(shù)增大而增大。

(2) 在低圍壓試驗(yàn)條件下，累積孔壓隨動(dòng)應(yīng)力幅值的增加而增大的幅值較高圍壓條件下要明顯。

(3) 在四種不同試驗(yàn)條件下，累積孔壓增長(zhǎng)率隨振動(dòng)次數(shù)的增加而變化的規(guī)律一致，即隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，累積孔壓增長(zhǎng)率逐漸減小。