地鐵列車循環荷載試驗論證研究①

地鐵列車循環荷載試驗論證研究①

E-mail:dingz@zucc.edu.cn。

丁智1， 張濤2， 魏新江1， 張孟雅1

(1.浙江大學城市學院 土木工程系，浙江 杭州 310015； 2.招商局蛇口工業區有限公司，廣東 深圳 518067)

摘要：地鐵循環荷載作用下飽和軟黏土的動力特性研究對于揭示軟黏土在地鐵荷載下的孔壓、強度以及變形模式具有重要意義，可以為控制地鐵長期沉降、降低運營風險提供理論依據。試驗加載形式的不同會帶來不同的動力特性表征，需選取最能反映地鐵列車真實性質的荷載形式。本文在列車荷載作用下研究土動力特性，采用室內動三軸試驗的方法，對比分析不同形式下動力荷載作用效果。試驗研究表明：偏壓正弦波可以作為簡化波形研究列車荷載，它不僅可以確保加載過程中地基土只有壓應力，而且能較好地模擬列車循環荷載。

關鍵詞：地鐵； 飽和軟黏土； 循環荷載； 動三軸試驗

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：國家自然

作者簡介：丁智(1983-)，男，安徽銅陵人，講師，主要從事地鐵施工及運營對周邊環境影響方面的研究與教學工作。

中圖分類號:TU411.8文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0789

ExperimentalStudyontheCyclicLoadingofMetroTrains

DINGZhi1, ZHANG Tao2, WEI Xin-jiang1, ZHANG Meng-ya1

(1.Department of Civil Engineering, Zhejiang University City College, Hangzhou 310015,Zhejiang，China;

2.China Merchants Shekou Industrial Zone Co., Ltd., Shenzhen 518067,Guangdong,China)

Abstract：Research on the dynamic characteristics of saturated soft soil has important significance for revealing the pore pressure, strength, and deformation mode of soft clay under subway loading. It can also provide a theoretical basis for the control of long-term settlement and the reduction of operational risk. Different forms of loading will bring different dynamic characteristic, so a study method must be identified that can reflect the true nature of subway train loads. In this study, we used the laboratory dynamic triaxial test to examine the dynamic characteristics of soil under a train load, and comparatively analyzed the effects of different dynamic loads. The results show that the biased sine wave can be used as a simplified train load wave. It also can ensure that only compressive stress exists in the soil during the process of loading, and it better simulates the cyclic loading of subways.

Keywords：subway;saturatedsoftclay;cyclicloading;dynamictriaxialtest

0引言

長期以來關于土動力學的研究成果層出不窮，室內動三軸試驗以其操作簡單、數據采集便利、精確度高等優勢被廣泛應用于土體動力特性的研究。近年來由于各領域的工程需要，土動力學界展開了大量關于交通荷載、波浪荷載以及地震荷載等的試驗研究。在這些研究中動三軸儀、空心扭剪儀等試驗系統常作為室內試驗的首選設備。在室內試驗的研究過程中，不同的加載方式會影響土體的動力特性表征。所以有必要在土體動力特性研究過程中對試驗所采用的簡化荷載進行對比分析，根據所研究的問題選取適當的簡化荷載形式。

縱觀幾十年來國內外學者以室內動三軸試驗為基礎對土體動力特性的研究成果，大多數研究者所采用的加載方式是通過和既有研究進行類比，然而當被借鑒的荷載與所研究的方向有區別時試驗結果就會產生較大的誤差。本文通過對近百篇國內外軟黏土動三軸試驗相關文獻的整理，選取比較有代表性的研究成果進行分析，如表1所列。

表 1　已有研究試驗條件歸納表

從表1可以看出：無論是交通荷載、波浪荷載還是地震荷載，在室內試驗研究時動荷載都被簡化為正弦波，少數研究者使用了矩形波和三角形波；固結應力25 kPa到200 kPa不等；動應力比從0.05到1.1不等；頻率從0.01 Hz到8 Hz不等；循環次數基本在10 000次以下少數在50 000次以上。由于真實荷載類型復雜、采集成本高,加之針對某一交通荷載的研究成果不具有對地鐵列車荷載的普遍適用等原因，在室內試驗研究地鐵列車荷載時采用簡化的荷載形式是一種合理的選擇，但需要盡量保留列車荷載的主要特性不至于太失真。在現有研究中很多研究者在沒有加以論證的情況下直接參照了以往的研究成果。為盡量消減試驗所用波形產生的試驗誤差，本文在研究土體動力特性時將對地鐵列車的簡化荷載選取和論證進行研究，以彌補以往研究的不足。

1試樣制備

試驗用土取自杭州地鐵1號線沿線某基坑工地。關于重塑土制備，以往研究大多將某一含水率黏土放入擊實器中分層擊實，這種方法制備的重塑土操作簡單、易于實現，但很難達到土工規范中“同一組試樣密度相同”的標準且均勻性也無法保證，很多成型的試樣仍存在分層問題。為了克服傳統重塑土制作方法的種種弊端，本研究在制備重塑土的過程中采用對攪拌均勻的泥漿進行真空固結的方法，將泥漿在浙江大學城市學院重塑土制備儀中做成均勻的重塑土塊(一般歷時20天)，其含水率42.19%～46.22%，比重2.68，塑限18.4，液限52.5，塑性指數34.1，同一批次制備的土樣物理參數相同，且不同批次制備的土樣性能也相近。根據相應的試驗方案將重塑土塊切成D×H=38 mm×76 mm，D×H=50 mm×100 mm等尺寸的圓柱體，按照土工試驗規程SL237-1999的要求進行真空飽和：將試樣裝入飽和器放置在負壓為-0.1 MPa的真空缸中，抽真空3小時后向真空缸中緩慢注入無氣水直至淹沒試樣，繼續維持0.1 MPa負壓半小時后緩慢打開進氣閥，使試樣在大氣壓中靜置12小時以上，此時試樣飽和度可確保在0.98以上；將試樣裝入動三軸儀的壓力艙后分級施加反壓繼續飽和。為防止反壓迅速變化可能產生的試樣擾動和結構破壞，在分級飽和的過程中始終保持圍壓和反壓的差值為20 kPa，第一級反壓130 kPa，圍壓150 kPa，飽和時間30 min，孔壓穩定后采用線性加載的方式施加第二級飽和荷載(反壓180 kPa，圍壓200 kPa，歷時時間30 min)；采用與第二級相同的加載方式施加第三級荷載(反壓230 kPa，圍壓250 kPa，飽和時間60 min)。飽和后程序立即進入B檢測階段，由于試樣進行了兩次飽和，本組試樣可確保B檢測值在5 min內達到0.98甚至更高。

2驗證方案及結果分析

在進行列車荷載加載時采用杭州地鐵的真實參數：列車共6節車廂，總長度120 m左右，正常運營情況下最高時速可達80 km/h，平均時速37 km/h以上。綜合考慮不同形式荷載的對比性以及列車荷載的不完整性等因素，試驗中將列車通過時間設置為5 s，等效時速86.4 km/h。圖1是杭州地鐵的列車模型，當地鐵經過時地基土某一點所受動荷載形式如圖2。

圖2　列車荷載形式 Fig.2　The form of train load

圖1杭州地鐵列車模型(單位：m)

Fig.1The model of Hangzhou subway train (Unit:m)

2.1試驗方案

為了對比不同形式動荷載與列車荷載作用效果相似度，選取常用的正弦波、三角形波、矩形波和偏壓正弦波。其中偏壓正弦波的施加方式與以往研究不同：本文所施加的偏壓既不在固結階段也不在固結結束時，而是與正弦波同時施加，如此可以反映列車通過的瞬間才產生偏壓的狀態。實驗方案見表2。

2.2試驗結果分析

在不同形式的循環荷載作用下軟黏土所表現出來的動力特性會有所差異，通過這種差異分析，在模擬列車荷載時可以選取最接近真實情況的簡化荷載。

表 2　荷載對比方案

2.2.1孔壓試驗結果分析

圖3是在固結條件相同時不同振動荷載下的軟黏土孔壓發展時程曲線，可以看出：在上述荷載作用下孔壓在初始階段均表現為急驟上升的趨勢，隨著振動次數的增加孔壓增幅變緩,并在后期趨向某一穩定值。但不同振動荷載下孔壓發展情況仍有所不同：在不排水條件下矩形荷載、三角形荷載以及正弦荷載，三者孔壓發展較為接近，相較于列車荷載作用下的孔壓發展趨勢，后者在較少的振動次數下即可進入穩定階段。圖3表明矩形荷載下，孔壓在30 000次循環后基本趨于穩定；三角形荷載、正弦荷載作用下，孔壓在50 000次循環時仍有上升趨勢；而列車荷載作用下15 000次左右時已趨于穩定。偏壓正弦荷載下，孔壓發展模式與列車荷載下的孔壓較為接近，在15 000次左右時也進入穩定階段，只是最終的穩定值要略高于列車荷載下的孔壓。在模擬列車荷載下軟黏土的不排水孔壓時偏壓正弦波比矩形波、三角形波以及正弦波效果更好，且模擬結果偏于保守。

圖3　不同荷載條件下的孔壓發展規律曲線 Fig.3　The curves of pore pressure under different 　　　 loading conditions

在排水條件下，孔壓會經歷迅速上升、下降、趨于穩定三個階段，在本次試驗中經過1 691次振動后，孔壓將達到峰值。

2.2.2應變實驗結果分析

圖4(a)為矩形波下軟黏土軸向應變隨循環次數的發展趨勢。可以看出在矩形荷載下軸向應變在循環開始時拉壓等幅，隨著振動次數增加壓應變出現了先減小后增大的趨勢，而拉應變與之相反，表現為先增大后減小，整個過程拉應變占據主導地位。

圖4(b)在三角形荷載作用下壓縮應變隨著振動次數的增加逐漸增大，拉伸應變逐漸減小，最終壓應變略大于拉應變。

圖4(c)在正弦荷載作用下，循環開始時拉應變與壓應變等幅，隨振次增加拉應變增大，壓應變減小，最終拉伸應變仍然存在，但遠小于壓縮應變。

圖4　不同荷載作用下的應變 Fig.4　The strain under different loads

圖4(d)是偏壓正弦波下的應變發展趨勢。在循環初始階段累計變形迅速增加并逐步趨于穩定，在整個過程中只存在壓縮變形。

圖4(e)是排水條件下施加偏壓正弦波的應變形態。在現實工況下，由于黏土地基處于排水與不排水之間，應適當考慮一定的排水因素。與不排水條件下的變形相比，孔隙水的排出會使土體在動載下的累積變形進一步增加。

在真實的列車荷載作用下不會產生拉力，土體只存在壓縮變形，并且在荷載施加初期變形速率較快，隨著振動次數的增加變形速率逐漸減小，最終達到穩定[圖4(f)]。

對比不同動載下軟黏土軸向應變隨循環次數的發展趨勢，真實的列車荷載作用下：在循環初始階段累計變形迅速增加并逐步趨于穩定，整個過程中只存在壓縮變形，從這一方面來說偏壓正弦荷載更逼近真實的列車荷載。黃博等[18]在研究列車荷載時曾提出用半正弦波來模擬，在半正弦波下雖然土體不會產生拉應力，但半正弦波不能反映列車的瞬時偏壓。王常晶等[19]研究表明列車經過時是存在偏壓的，但在試驗模擬過程中所采用的是先施加偏應力再施加動載的方式。綜合上述分析，偏壓正弦荷載用于模擬列車試驗荷載時比矩形波、三角形波、正弦波、半正弦波更優越，可兼顧真實性、可重復性、簡便易操作等方面的優勢。

3結語

歸納總結近年來采用室內動三軸試驗研究軟黏土動力特性時的加荷條件，在已有研究的基礎上論證室內試驗模擬地鐵列車循環荷載的可行性，對荷載控制方式進行研究并獲得到以下結論：

(1) 在列車荷載作用下，地基土中只有壓應力而沒有拉應力，因而采用正弦波、三角形波、矩形波來模擬列車荷載是不合理的。

(2) 偏壓和正弦波同時施加的偏壓正弦波循環荷載可以較好地模擬列車荷載，該種波形式簡單、可重復性強，在室內試驗中具有普遍適用的優點，方便對比。

(3) 列車荷載下地基土的排水狀態介于排水與不排水之間。在黏土地基中，由于土體自身排水性能差，加之振動時間短，可以根據排水體積的多少對不排水變形的結果進行修正，從而獲得更為精確的結果。

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