地铁振动荷载作用下饱和软粘土性状微观研究

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1、地铁振动荷载作用下饱和软粘土性状微观研究摘要:位于或穿越饱和软粘土层中的地铁隧道在运营之后,沿轴线产生较大的沉降量,很大程度上与饱和软粘土在地铁振动荷载作用下土体微观结构的变形和破坏、发生残余变形有关.通过扫描电镜试验对饱和软粘土颗粒的微观性状进行了研究,从土的微结构基本单元的形状和大小、基本单元体的接触状态、基本单元体间的联结形式、孔隙的形状和大小以及土体变形3个阶段的力学特性等方面进行较深入的研究.另外,将原状土和循环三轴试验破坏后两种状态的土样作了对比,从微观的角度解释了土体的变形机理.研究成果对有效控制、避免或减轻隧道经过地区地面

2、沉降灾害的发生,指导地铁工程的设计、施工以及地铁运行后沉降的预测评价和防治等提供了有价值的参考.关键词:隧道工程;地铁振动荷载;饱和软粘土;微观结构;变形机理饱和软粘土地区城市(如上海、杭州、广州、天津等地区)人口众多、房屋密集、街道狭窄、车辆拥挤,建设立体交通网络是解决交通拥挤状况的重要途径,而地铁建设就是其中的一个重要组成部分.例如,根据上海市交通规划,在“十五”期间要建设200ｋｍ的地铁,远期规划将投资2000亿元用于地铁建设,使总里程达到780ｋｍ.根据已经营运的1,2号地铁线和正在建设的地铁,其设计深度大多位于或穿越饱和软粘土层

3、.在地铁运营中,几乎在整条线路上都有沉降,而且在某些地段上会出现较大的沉降量.根据有关监测资料,上海地铁1号线隧道在某些区段轴线沉降量比较大[1],很大程度上与饱和软粘土在地铁循环振动荷载作用下土体微观结构的变形和破坏及发生的残余变形有关.伴随孔隙水压力变化的就是土体微结构的变化,虽然国内外有许多学者都在进行土体微结构方面的研究,并取得了可喜的成就,但真正研究地铁振动荷载作用下饱和软粘土微结构的变化规律也不多见.粘土不存在像晶体结构或分子结构那样固定而规整的组合模式,颗粒排列十分复杂,具有相当大的随机性.在循环振动荷载作用下,土体变形和位

4、移主要由内部结构所致,结构单元体在土体变形过程中处于一种动态平衡,不同的时空土体微观结构具有其独特的变化特征.虽然国内外对粘土微观结构研究取得了许多研究成果,但大多处于理论探索阶段,真正利用微观结构研究取得的成果来解决具体的工程问题尚不多见.由于饱和软粘土具有孔隙比大、天然含水量高、渗透性弱、压缩性高、抗剪强度低等特点,其工程性状也表现出自身特有的规律.因此,系统深入地开展对饱和软粘土微结构变形和破坏机理的研究,不仅对有效控制、避免或减轻地面沉降灾害的发生,指导地铁工程的设计、施工以及地铁运行后沉降的预测评价和防治等,而且对弄清不同循环荷

5、载和不同振动频率作用下饱和软粘土的物理力学响应、应力应变特性、微结构的破坏特征及其过程、孔隙水压力消散等均具有重要的理论价值和实际意义.笔者以饱和软粘土在地铁振动荷载作用下的物理力学特性研究为基础,以饱和软粘土微观结构变形和破坏机理为目标,利用扫描电镜试验,结合循环三轴试验对地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软粘土的动力性状的影响开展有关研究工作.通过本课题的研究,有望对饱和软粘土微观结构变形和破坏机理方面做出一点学术探索性工作.1样品制备笔者以上海地铁建设中饱和软粘土的微观结构及其工程性状为研究对象,进行微观结构变化机理的研究.由于上海饱和

6、软粘土地区地铁埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,地铁隧道周围的土体主要是第③层淤泥质粉质粘土和第④层淤泥质粉质粘土,因此本次研究的主要对象是第③层和第④层的饱和软粘土.试样可分为两种:原状土试样和循环三轴试验破坏后土试样.为了保证扫描电镜观察的微结构图像真正反映试样本来的形貌,对试样的制备必须满足以下要求[2]:①采集的样品必须保持其原来的状态(包括原状土和循环三轴试验破坏后两种状态的样品).②土样在失水干燥过程中,应尽量避免形变.③试样制备时,观察表面不要受到扰动和破坏.④喷镀导电物质的厚度要适宜.根据样品不同,厚薄不一.如土样喷镀金膜

7、其厚度一般在20～50ｎｍ.用于微结构研究的土样制备流程为[3]:①按要求取土样的一部分.当土仍有一定的含水量时,用手掰开,尽量不用机械刀具等.粘性较大的土样不易掰开,如果其内部有光滑面存在,则很容易沿着光滑面掰开,而所观察的微结构形态则是该部分光滑面的微结构的特征.所以制备试样时,注意选取能代表该土样微结构特征的部位.②将土样按观察的方向掰成一定尺寸的大小,然后在放大镜下选取断面较平整的试样.③将上述制好的试样进行干燥,本次试验采用烘干法干燥.试样在烘干箱内保持一定的温度(小于100℃)和时间进行烘干.④将干燥的试样置于喷镀仪中,喷镀一

8、层导电物质(金或碳金).按照上述的方法和要求,将循环三轴试验前后的土样制备成符合要求的试样.2观察结果首先,对扫描电镜下的土颗粒的接触状态、形状、大小、联结形式以及孔隙的形状和大小进行观察和描