地铁动静荷载作用下武汉地区软粘土的沉降变形分析,中国城市轨道交通网
 | 收藏 | 联系 | 首页 | 
中国城市轨道交通网 logo 首页
登陆   注册 
地铁动静荷载作用下武汉地区软粘土的沉降变形分析
发布日期:2018-03-06 14:04:34
地铁动静荷载作用下武汉地区软粘土的沉降变形分析

摘要:采用室内循环三轴试验与数值模拟方法相结合,对地铁行车振动荷载作用下武汉地区盾构隧道周围软粘土的变形特性作出分析并研究了隧道运营期的沉降机制。试验结果表明,在长期循环荷载作用下,土体累积塑性变形及孔隙水压的变化均经历了快速增长—匀速增长—衰减稳定三个阶段。以Midas/GTS软件对列车拟静荷载和列车行车荷载作用下隧道地基土体沉降变形情况进行计算分析表明,列车拟静荷载作用下隧道周围土体总的变形量较行车荷载作用下变形量大,但扩散范围明显变小。地铁荷载作用下的的地表沉降呈现类似正态分布形状,隧道轴线上方的地表沉降值最大,沿地基中部向边缘呈衰减趋势。
关键字:地铁振动荷载;三轴试验;孔隙水压;数值模拟

 
1  引言

 新世纪以来我国不少城市修建了地下轨道交通,这些地下轨道交通的建设为改善我国城市交通环境、缓解城市交通拥挤、减少城市污染起到不可替代的作用,并进一步推动我国城市的建设和经济发展。但在隧道施工中将不可避免地会引起地层的扰动,引起地层变形及地面沉降[1]。列车动静荷载扰动导致土体强度和压缩模量的降低也将引起长时间内的初固结和次固结沉降[2] [3]。当地层变形超过一定范围时,就会危及临近建筑物和地下管网的安全,引起一系列的环境岩土问题。武汉地区的深厚软粘土分布广泛,地铁隧道不可避免地需要穿越强度低、压缩性高、灵敏度高的软弱土层。由于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,其工程性状表现出自身特有的规律,影响其强度和变形的因素也较为复杂。本文以武汉地铁二号线沿线软粘土为研究对象,先期采用室内循环三轴试验,研究了软粘土在不同围压、动应力比条件下的累积轴向应变、超静孔压与振动次数之间的关系,并采用有限元软件 MIDAS/GTS 建立地铁隧道计算模型,对地铁行车拟静力荷载和动荷载作用下的地基的沉降变形特性进行研究,为武汉轨道交通地质灾害的预防治理提供一定的参考。
 
2  动荷载作用下土体的变形特征

2.1动三轴试验简介

目前对土体动力特性进行室内试验使用比较普遍的土动力试验仪器是循环三轴仪。在循环试验中,首先需要对圆柱形土样进行反压饱和;为了与现场实际情况接近,试样将在K0条件下进行固结,固结完成后开始进行循环三轴试验;根据相关研究成果和勘察资料K0取0.6。在武汉轨道交通二号线岩土工程勘察报告[4]中指出隧道周围土层的初始固结围压一般分布在100kPa~300kPa之间。为了考虑不同隧道埋深对试验结果的影响,试验中的初始固结围压分别取170Kpa、280Kpa。试验中考虑最不利影响所采用的循环应力幅值取最大的附加应力40Kpa;采用的振动荷载频率为0.5Hz。


表 1 试验方案
编号密度(g/cm-3)天然含水量(%)初始围压(Kpa)动荷载幅值(Kpa)频率(Hz)循环次数
A11.6734.1170400.52000
A21.6734.1280400.52000
 
2.2孔隙水压力增长特征

按经典固结理论,荷载施加瞬间,外荷载由孔隙水承担,伴随着渗透固结过程,外荷载逐渐由超静孔隙水压力向有效应力转移,土的强度和变形主要取决于有效应力。因此,为了研究土的力学性状,首先必须了解在外荷载作用下孔隙水压力的变化规律。由图1可知,在围压170kpa,280kpa下相同动应力比时,孔隙水压力增长趋势可分为急骤增长、缓慢增长和逐渐平稳三个阶段。在初始加载后孔隙水压力迅速上升,且发生时间很短,然后沿曲线发生弯曲,虽然孔隙水压力增长的绝对值仍较大但增长趋势明显放缓,随后孔隙水压力随振次的增加几乎不再上升,稳定在一个一定范围的值,这时孔隙水压力增长进入平稳的增长期。

 

结合武汉地区粘土的工程特性及工程背景,并参考张曦等[7]的研究成果,对试样按式(1)进行拟合,确定其模型参数如表2:
    
 

 
2.3土体动力变形特性

软土地基在遭受连续不断的行车荷载时,即便是经过长期固结过程的软土地基也会产生不同程度的沉降。由图2的曲线可知,当荷载频率及应力水平一定时,土体累积塑性应变随着振动次数的增加而增长;土体累积塑性应变还受到应力水平的影响,荷载频率一定时,初始固结围压越大,累积塑性应变值越小。综合观察图中曲线得到,曲线走势最初较快上升,然后倾斜增长,最终逐渐缓和趋于水平。这表明,在长期循环荷载作用下,土体累积应变特征与孔隙水压力增长特征类似,同样经历快速增长、匀速增长、衰减稳定3个阶段的变化。结合工程实际状况,说明在地铁行车荷载作用下,地铁运营初期隧道周围土体的累积变形比较大,但随着运营时间的增长,土体逐渐趋向密实,其变形速率逐渐减小,累积变形最终趋于稳定。采用式(2)对图2进行曲线拟合,可得表3中的拟合参数。


 
选取武汉地铁隧道穿越段沿线典型软粘土试样进行循环三轴试验,并根据循环三轴试验结果建立不同围压条件下粘土的孔隙水压力及应变发展模型,为地铁隧道在运营期的长期沉降预测提供了依据。

3  动静荷载下武汉地铁盾构法隧道运营期地表沉降数值模拟

3.1计算模型

结合试验结果和相关工程背景,根据莫海鸿等[8]的研究成果建立整体地层区域为 60m×90m×36m的计算模型,相关计算参数见表4。为了简化模型,不考虑节理、层理、剪切带等地质软弱面且地表和各土层均匀水平分布。整体模型的土层左右边界面只受到 X轴方向的位移约束,底部边界面则只受到Z轴的位移约束;根据现场监测结果动荷载作用下引起的X方向振幅值较小因为隧道可以看做是沿隧道轴线方向的无限空间体,可认为隧道在其前后纵向截面上不发生变形,故在模型前后两个纵向边界面上只需设置Y方向的位移约束即可;地表设定为自由面。根据规范《地下铁道设计规范》中的要求需要考虑地面超载对计算的影响,取地面超载20kPa。
 
001         

 

3.2列车荷载的模拟

参考相关研究成果,本文选用目前数值模拟计算中运用较多的潘昌实[8]等人提出的激振力函数的概念来对列车荷载作用进行表达:

参考目前国内已建地铁项目列车运行状况可知地铁列车行车速度值多在30~90km/h之间,因此在数值模拟计算中列车行车速度值分别取30 km/h 、60km/h、90 km/h进行分析 。


3.3计算结果及沉降特征分析

由图5可以看出,虽然列车拟静荷载作用下隧道周围土体总的变形量较行车荷载作用下变形量大,但是静力荷载作用下隧道周围土体的沉降变形比动荷载作用下沉降变形的扩散范围明显要小,沉降变形主要分布在隧道附近土体,不管是静荷载还是行车荷载作用下最大沉降都集中分布于隧道衬砌底部和顶板附近。

图6表明距隧道轴线不同范围内地面沉降曲线在拟静荷载和动荷载作用下都呈现类似正态分布,在隧道轴线中心处上方的地面处的沉降值最大,沿轴线中心向两侧边缘依次衰减;列车荷载作用下对地表沉降的主要影响范围集中在轴线中心两侧大约20m左右范围内。同时地表沉降随列车运行速度的提升而增大,根据不同速度行车荷载作用下与拟静力作用下的地面沉降变形曲线对比可以看出地铁列车在低速状态下运行时不会导致过大地面沉降的发生,相比拟静荷载作用下的地面沉降量反而更小,而随着列车运行速度的提升当达到某一临界速度之后地面沉降变形量超过拟静荷载作用下的地面沉降变形量。
由图7可知列车在拟静荷载或动荷载作用下隧道轴线上方的地层沉降量随着距地面深度的增加而不断增大,当列车速度处于某一临界范围之内时静荷载作用下所引起的沉降变化量较动荷载较大,但是当速度超过临界范围时动荷载作用下所引起的沉降值较静荷载作用下的大。在动静荷载的作用下在衬砌顶部上方约4m至衬砌顶部这一范围内的沉降量增加趋势较为明显。由图8可知,列车静荷载或动荷载作用下隧道轴线下方的地层沉降量随着距离隧道衬砌结构底板往下深度的增加而不断在减少,变化趋势比较明显,且主要沉降区集中在隧道衬砌底部往下约10m的范围内。
由图9中可以看出,随着列车行驶速度的加快所引起的土体沉降量也随之增大,同时隧道在动荷载作用下隧道周围土体沉降量发生了较大突变,但在拟静荷载作用下隧道周围土体的沉降量突变并不明显,这主要是由于土体颗粒对地铁列车行车过程中引起的振动存在一定的“吸收”作用。另外,随着速度的提升列车运行振动荷载引起的周围土体的沉降衰减速度也越快,这是由于列车速度越大产生的高频振动越多,而土体颗粒对相对高频振动吸收要较低频快;隧道下部土体振动位移要比上部衰减的快,在隧道衬砌5m范围外衰减的趋势相对平缓。
4  结论

(1)通过室内循环三轴试验得到软粘土试样在循环动荷载作用下的孔隙水压力变化趋势和土体累积塑性变形可以明显分为快速增长—匀速增长—衰减稳定三个阶段:第一阶段持续时间较短,孔压和塑性变形均急剧增大,增长速率慢慢逐渐减小但整体的增长速率较快;第二阶段持续时间稍长,此时孔压和塑性变形持续增长,但增长速率降低;第三阶段持续时间最长,孔压和塑性变形增长速率逐渐衰减并慢慢趋向于零,逐渐趋于稳定。
(2)通过MIDAS/GTS对列车拟静荷载和列车行车荷载作用下隧道地基土体沉降变形情况进行计算分析,得知列车拟静荷载作用下隧道周围土体总的变形量较行车荷载作用下变形量大,但是静力荷载作用下隧道周围土体的沉降变形比动荷载作用下沉降变形的扩散范围明显要小,沉降变形主要分布在隧道附近土体中。
(3)在地铁隧道投入运营之后地铁列车的振动荷载作用会对地铁隧道周围岩土体和地面的变形产生影响。距隧道轴线不同范围内地面沉降曲线不论在拟静荷载和动荷载作用下都呈现类似正态分布,同时地表沉降随列车运行速度的提升而增大,地铁列车在低速状态下的地面沉降量相比拟静荷载作用下更小,而随着列车运行速度的提升当达到某一临界速度之后地面沉降变形量也超过拟静荷载作用下的地面沉降变形量,因此在实际运行中应合理选择地铁列车的行驶速度。



作者简介:靳晓波(助理工程师)、高振鲲(高级工程师)北京城建勘测设计研究院有限责任公司
 
 
参考文献:
[1]沈培良,张海波,殷宗泽.上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析[J].河海大学学报(自然科学版),2003,05:556-559.
[2] 郑永来,潘杰,韩文星.软土地铁隧道沉降分析[J].地下空间与工程学报,2005,1(1):16-19.
[3] 刘明, 黄茂松, 李进军.地铁荷载作用下饱和软粘土的长期沉降分析[J].地下空间与工程学报, 2006, 2(5): 813-817
[4]武汉市勘测设计研究院, 武汉轨道交通二号线一期工程岩土工程勘察报告,2006.6
[5] 唐益群,王艳玲,黄雨,周载阳. 地铁行车荷载下土体动强度和动应力-应变关系[J]. 同济大学学报(自然科学版),2004,06:701-704.
[6] 张曦. 地铁振动对隧道周围软粘土微结构影响及动力特性研究[D].同济大学,2007.
[7] 莫海鸿,邓飞皇,王军辉. 营运期地铁盾构隧道动力响应分析[J]. 岩石力学与工程学报,2006,S2:3507-3512.
[8] 潘昌实, 谢正光. 地铁区间隧道列车振动测试与分析[J]. 土木工程报,1990,23(2):21-28.
 
 
 
 

> > > 您还没有登录,请登陆后查看全文!!!

下一条:轨道交通出行者均衡特性研究 2018-03-26 09:38:08
上一条:郑州城郊铁路工程独柱车站设计探讨 2018-02-23 10:38:42
 
分享到:
友情链接
主办单位:中国土木工程学会轨道交通分会
协办单位:中国节能协会城市轨道交通节能专业委员会
中国城市轨道交通网 版权所有 CopyRight; 2003-2017 chinametro.net
京ICP证 040257-1 号
京公网安备 11010202007575号