地鐵振動(dòng)荷載作用下飽和軟粘土性狀微觀研究.doc

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1、地鐵振動(dòng)荷載作用下飽和軟粘土性狀微觀研究摘要:位于或穿越飽和軟粘土層中的地鐵隧道在運(yùn)營之后,沿軸線產(chǎn)生較大的沉降量,很大程度上與飽和軟粘土在地鐵振動(dòng)荷載作用下土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞、發(fā)生殘余變形有關(guān).通過掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)飽和軟粘土顆粒的微觀性狀進(jìn)行了研究,從土的微結(jié)構(gòu)基本單元的形狀和大小、基本單元體的接觸狀態(tài)、基本單元體間的聯(lián)結(jié)形式、孔隙的形狀和大小以及土體變形3個(gè)階段的力學(xué)特性等方面進(jìn)行較深入的研究.另外,將原狀土和循環(huán)三軸試驗(yàn)破壞后兩種狀態(tài)的土樣作了對(duì)比,從微觀的角度解釋了土體的變形機(jī)理.研究成果對(duì)有效控制、避

2、免或減輕隧道經(jīng)過地區(qū)地面沉降災(zāi)害的發(fā)生,指導(dǎo)地鐵工程的設(shè)計(jì)、施工以及地鐵運(yùn)行后沉降的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和防治等提供了有價(jià)值的參考.關(guān)鍵詞:隧道工程;地鐵振動(dòng)荷載;飽和軟粘土;微觀結(jié)構(gòu);變形機(jī)理飽和軟粘土地區(qū)城市(如上海、杭州、廣州、天津等地區(qū))人口眾多、房屋密集、街道狹窄、車輛擁擠,建設(shè)立體交通網(wǎng)絡(luò)是解決交通擁擠狀況的重要途徑,而地鐵建設(shè)就是其中的一個(gè)重要組成部分.例如,根據(jù)上海市交通規(guī)劃,在“十五”期間要建設(shè)200ｋｍ的地鐵,遠(yuǎn)期規(guī)劃將投資2000億元用于地鐵建設(shè),使總里程達(dá)到780ｋｍ.根據(jù)已經(jīng)營運(yùn)的1,2號(hào)地鐵線和正在

3、建設(shè)的地鐵,其設(shè)計(jì)深度大多位于或穿越飽和軟粘土層.在地鐵運(yùn)營中,幾乎在整條線路上都有沉降,而且在某些地段上會(huì)出現(xiàn)較大的沉降量.根據(jù)有關(guān)監(jiān)測(cè)資料,上海地鐵1號(hào)線隧道在某些區(qū)段軸線沉降量比較大[1],很大程度上與飽和軟粘土在地鐵循環(huán)振動(dòng)荷載作用下土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞及發(fā)生的殘余變形有關(guān).伴隨孔隙水壓力變化的就是土體微結(jié)構(gòu)的變化,雖然國內(nèi)外有許多學(xué)者都在進(jìn)行土體微結(jié)構(gòu)方面的研究,并取得了可喜的成就,但真正研究地鐵振動(dòng)荷載作用下飽和軟粘土微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律也不多見.粘土不存在像晶體結(jié)構(gòu)或分子結(jié)構(gòu)那樣固定而規(guī)整的組合模式,

4、顆粒排列十分復(fù)雜,具有相當(dāng)大的隨機(jī)性.在循環(huán)振動(dòng)荷載作用下,土體變形和位移主要由內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致,結(jié)構(gòu)單元體在土體變形過程中處于一種動(dòng)態(tài)平衡,不同的時(shí)空土體微觀結(jié)構(gòu)具有其獨(dú)特的變化特征.雖然國內(nèi)外對(duì)粘土微觀結(jié)構(gòu)研究取得了許多研究成果,但大多處于理論探索階段,真正利用微觀結(jié)構(gòu)研究取得的成果來解決具體的工程問題尚不多見.由于飽和軟粘土具有孔隙比大、天然含水量高、滲透性弱、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn),其工程性狀也表現(xiàn)出自身特有的規(guī)律.因此,系統(tǒng)深入地開展對(duì)飽和軟粘土微結(jié)構(gòu)變形和破壞機(jī)理的研究,不僅對(duì)有效控制、避免或減輕地面沉

5、降災(zāi)害的發(fā)生,指導(dǎo)地鐵工程的設(shè)計(jì)、施工以及地鐵運(yùn)行后沉降的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和防治等,而且對(duì)弄清不同循環(huán)荷載和不同振動(dòng)頻率作用下飽和軟粘土的物理力學(xué)響應(yīng)、應(yīng)力應(yīng)變特性、微結(jié)構(gòu)的破壞特征及其過程、孔隙水壓力消散等均具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義.5筆者以飽和軟粘土在地鐵振動(dòng)荷載作用下的物理力學(xué)特性研究為基礎(chǔ),以飽和軟粘土微觀結(jié)構(gòu)變形和破壞機(jī)理為目標(biāo),利用掃描電鏡試驗(yàn),結(jié)合循環(huán)三軸試驗(yàn)對(duì)地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周圍飽和軟粘土的動(dòng)力性狀的影響開展有關(guān)研究工作.通過本課題的研究,有望對(duì)飽和軟粘土微觀結(jié)構(gòu)變形和破壞機(jī)理方面做出一點(diǎn)學(xué)術(shù)探索

6、性工作.1樣品制備筆者以上海地鐵建設(shè)中飽和軟粘土的微觀結(jié)構(gòu)及其工程性狀為研究對(duì)象,進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)變化機(jī)理的研究.由于上海飽和軟粘土地區(qū)地鐵埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,地鐵隧道周圍的土體主要是第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,因此本次研究的主要對(duì)象是第③層和第④層的飽和軟粘土.試樣可分為兩種:原狀土試樣和循環(huán)三軸試驗(yàn)破壞后土試樣.為了保證掃描電鏡觀察的微結(jié)構(gòu)圖像真正反映試樣本來的形貌,對(duì)試樣的制備必須滿足以下要求[2]:①采集的樣品必須保持其原來的狀態(tài)(包括原狀土和循環(huán)三軸試驗(yàn)破壞后兩種狀態(tài)的樣品).②

7、土樣在失水干燥過程中,應(yīng)盡量避免形變.③試樣制備時(shí),觀察表面不要受到擾動(dòng)和破壞.④噴鍍導(dǎo)電物質(zhì)的厚度要適宜.根據(jù)樣品不同,厚薄不一.如土樣噴鍍金膜其厚度一般在20～50ｎｍ.用于微結(jié)構(gòu)研究的土樣制備流程為[3]:①按要求取土樣的一部分.當(dāng)土仍有一定的含水量時(shí),用手掰開,盡量不用機(jī)械刀具等.粘性較大的土樣不易掰開,如果其內(nèi)部有光滑面存在,則很容易沿著光滑面掰開,而所觀察的微結(jié)構(gòu)形態(tài)則是該部分光滑面的微結(jié)構(gòu)的特征.所以制備試樣時(shí),注意選取能代表該土樣微結(jié)構(gòu)特征的部位.②將土樣按觀察的方向掰成一定尺寸的大小,然后在放大鏡

8、下選取斷面較平整的試樣.③將上述制好的試樣進(jìn)行干燥,本次試驗(yàn)采用烘干法干燥.試樣在烘干箱內(nèi)保持一定的溫度(小于100℃)和時(shí)間進(jìn)行烘干.④將干燥的試樣置于噴鍍儀中,噴鍍一層導(dǎo)電物質(zhì)(金或碳金).按照上述的方法和要求,將循環(huán)三軸試驗(yàn)前后的土樣制備成符合要求的試樣.2觀察結(jié)果首先,對(duì)掃描電鏡下的土顆粒的接觸狀態(tài)、形狀、大小、聯(lián)結(jié)形式以及孔隙的形狀和大小進(jìn)行觀察和