循環荷載下濱海軟土孔壓發展規律試驗研究

謝兵樂，張建新,

(天津城建大學a. 土木工程學院；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

循環荷載下濱海軟土孔壓發展規律試驗研究

謝兵樂a，張建新a,b

(天津城建大學a. 土木工程學院；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

地鐵行車荷載會使隧道周圍土體中的孔隙水壓力發生變化，進而致使土體發生變形，甚至產生不均勻沉降，對地鐵安全產生很大威脅．因此，了解土體孔壓在地鐵行車荷載下的發展變化規律極為重要．筆者基于 GCTS空心圓柱測試系統對濱海軟土進行試驗，研究循環振動荷載作用下軟土的孔隙水壓力發展變化規律；同時分析荷載幅值、振動頻率及土體圍壓對孔隙水壓力的影響．試驗結果表明：土體中孔隙水壓力的增長規律表現為快速增長、緩慢增長、平穩三個階段；并且孔壓隨振動次數、循環振動荷載幅值和圍壓的增大而增大，但增大幅率不同，隨加載頻率的增大而減小．

循環振動荷載；飽和軟土；GCTS測試系統；孔隙水壓力

在地鐵行車荷載作用下，地鐵軌道地基承受與地震荷載不相同的循環往復荷載的作用，致使隧道周圍軟土原結構遭到破壞，土體強度降低，應變軟化，孔壓變化，造成地鐵隧道軸線變形和地面沉降增加，進而導致隧道結構和路基發生破壞變形，影響列車的正常行駛．對地鐵行車荷載導致的隧道周圍飽和軟土的變形控制已經成為軟土地基城市地鐵工程中急需解決的安全問題之一，而地鐵行車荷載下土體孔隙水壓力的發展變化是影響土體變形和強度變化的重要因素之一，因此，研究土體在地鐵行車荷載作用下孔隙水壓力的發展變化規律就顯得極為重要[1-2]．

國內、外學者對動荷載下土體中孔隙水壓力的增大和消散規律進行了比較深入的研究[2-6]．魏新江等[5]對地鐵行車荷載作用下不同固結度軟黏土的孔隙水壓力的發展規律進行了研究；王元東等[6]對地鐵行車荷載作用下隧道周圍加固軟黏土的孔隙水壓力的發展特性進行了研究；唐益群等[2]也針對地鐵行車荷載作用下不同深度的地鐵隧道周圍飽和軟黏土的孔隙水壓力的發展規律進行了試驗研究．從已有文獻看，目前的試驗大都基于常規動三軸或 GDS動三軸試驗系統，試驗中模擬土體的應力狀態與現場應力條件并不完全一致．同時，在試驗過程中，由于橡膠模順變性效應阻滯了孔隙水壓力的發展，而使實測到的孔壓值偏低[7-8]；且由于制樣的誤差及國內動三軸試驗機載荷傳感器外置致使上心軸與壓力室蓋接觸面產生的摩擦力也被記錄，并反映到試驗結果中，都會對試驗結果正確與否產生一定的影響．

本文擬采用室內空心圓柱測試系統(GCTS)模擬地鐵行車的循環振動荷載，考慮振次、荷載幅值、頻率、土體圍壓(土層深度)等影響因素，對飽和軟黏土的孔隙水壓力的發展規律進行研究，研究成果可為今后軟土地區地鐵隧道周圍土體的變形分析和沉降處理提供依據．

1 室內GCTS試驗設計

1.1 試驗土樣

本試驗所用土樣取自天津濱海新區飽和軟黏土，取土深度為 12～16,m，土樣飽滿，從表面看光滑無貝殼、石子等雜物，室內測試其基本物理參數如表1所示．

表1 試驗土樣的基本物理性質參數

1.2 試驗設計

本試驗采用美國生產的動態空心圓柱測試系統GCTS(geotechnical consulting and testing systems，簡稱 GCTS)．該測試系統相對于循環三軸試驗系統GDS又有很大改善．試樣采用土樣為空心圓柱狀，如圖1所示，該試樣應力應變分布較為均勻，主應力方向可以撓動，可以進行不同應力路徑的試驗，得到的試驗結果更準確，是一套精度很高的試驗設備．

圖1 空心圓柱試樣

由現場實測資料可知，土體的動力響應頻率有2個范圍，高頻 fh一般為 2.4～2.6,Hz，低頻 fl一般為 0.4～0.6,Hz，故本試驗采用了 3個頻率分別為0.5，1.0，2.5,Hz．試驗時空心圓柱土樣首先進行反壓飽和，取反壓值為100,kPa．根據試驗土樣的實際取土深度，圍壓值分別取180，210，240,kPa．考慮到隧道底部的附加應力一般為 20～40,kPa，試驗采用的循環振動荷載幅值分別為 20，30，40,kPa，此循環振動荷載是以正弦波的形式施加于土樣上．

地鐵運行時，地鐵行車荷載傳至隧道周圍土體引起的動力響應是周而復始的循環響應，試驗采用應力控制式正弦波方式循環加載模塊．試驗控制參數如表2所示．

表2 GCTS試驗控制參數

試驗方案：①將土樣切制成高 200,mm，外徑100,mm，內徑50,mm的空心圓柱體，放置在三軸壓力缸內，將缸體密封；②進行反壓飽和，反壓設定為 100,kPa，飽和時間 60,min，之后進行 B值檢測，當B值達到0.98以上時則認為試樣達到飽和；③等向固結，固結時間 24,h，軸向應變每小時小于0.05%,時則認為固結完成；④施加偏應力 qs并馬上施加循環振動荷載，循環振動荷載采用正弦波的形式．在施加偏應力與施加循環振動荷載過程中，試樣均不排水，振次均為4,000次，一共進行11組試驗．

2 孔隙水壓力的增長規律及對土體變形的影響分析

試驗表明，土體孔隙水壓力隨荷載加載周期而變化，試驗分析時采用的孔隙水壓力值為每一循環周期的最大值．將室內 GCTS試驗數據進行整理分析，得到孔隙水壓力隨振次增長的趨勢．最具代表性的一組是在循環振動荷載幅值為 40,kPa、圍壓為210,kPa、振動頻率為 0.5,Hz、振次 4,000次時所得數據，如圖2所示(其它試驗條件所得數據在下文圖3、圖4中有說明)．

從圖2可以看出，土體孔隙水壓力的增長趨勢總體上表現為 3個階段，分別為快速增長階段、緩慢增長階段、平穩階段，如圖2中 OA、AB、BC所示．在 OA階段，循環振動荷載施加后，孔隙水壓力迅速產生并直線快速上升，在很短的時間內(振次約1,000次時)即達到孔隙水壓力極限值的50%,，但孔隙水壓力的增長速率隨振次的增加衰減很快，在該階段末，增長速率趨于一個較穩定的值；在AB階段初期，隨振次的增加孔隙水壓力仍上升較快但增長速率明顯減慢；在 BC階段，孔隙水壓力幾乎不再隨振次的增加而上升，逐漸穩定在一個確定的值，這個值即為此應力條件下土體孔隙水壓力上升的極限值．

圖2 孔隙水壓力隨振次增長趨勢

地鐵行車荷載作用是通過軌道、襯砌結構傳給隧道周圍土體，且孔隙水的敏感度遠高于土體骨架．因此，試驗中循環振動荷載作用于試樣時，土體中孔隙水將吸收大部分能量，致使孔隙水壓力快速增長，土體有效應力快速降低，土體會發生彈性釋放，此時土體還不會發生太大變形；隨振次的增加，孔隙水壓力逐漸趨于穩定，有效應力也趨于穩定，此時荷載的能量將主要由土體骨架承受，致使土體變形增加，嚴重時隧道結構將產生不均勻沉降．基于天津濱海軟土試驗所得結果與趙書凱等[11]對同樣位于軟土地區的上海地鐵隧道周圍土體的孔壓變化規律的研究所得基本一致．

3 孔隙水壓力變化影響因素分析

3.1 荷載幅值的影響

圖3為頻率為0.5,Hz、不同循環荷載幅值(20，30，40,kPa)時，孔隙水壓力的發展變化規律．由圖3可知，荷載幅值越大，土體會在越短的時間內產生較大的孔隙水壓力，并很快趨于穩定，同時孔隙水壓力的相應極限值也越大．

圖3 不同荷載幅值下孔隙水壓力的變化規律

3.2 振動頻率的影響

考慮循環振動荷載最不利的情況，即取循環振動荷載幅值為40,kPa，頻率分別為0.5，1.0，2.5,Hz時，在圍壓為 180，210，240,kPa三種情況下孔隙水壓力隨振動次數的變化規律，如圖4所示．

圖4 不同頻率下孔隙水壓力發展變化規律

從圖4可以看出，在相同荷載幅值、圍壓及振次下，頻率越大，土體孔隙水壓力越小．分析認為，荷載振動頻率越低荷載變化越慢，荷載作用在土體上的時間就越長，作用到土體上的動能就越多，土體則會產生更大的變形，而且孔隙水壓力來不及消散，從而會產生較大的孔壓．

3.3 圍壓的影響

不同的圍壓是不同土層深度的表現，因此圍壓對土體孔隙水壓力的影響也就是土層深度對土體孔壓的影響，以往關于土層深度對飽和軟黏土的孔隙水壓力的影響研究很少．為研究循環振動荷載作用下圍壓對土體孔隙水壓力的影響，本試驗考慮土樣的取土深度，將圍壓值定為 180，210，240,kpa，同時考慮在最不利荷載幅值 40,kPa情況下，分別施加0.5，1.0，2.5,Hz的循環荷載，在相同的荷載幅值、振動頻率及振次下，試驗所得土體孔壓在不同圍壓下隨振次的變化規律如表3所示．

表3 不同圍壓下孔隙水壓力發展變化規律

由試驗結果可知，在其他條件相同時，飽和軟土孔隙水壓力隨圍壓的增加而變大；在 0.5,Hz時孔壓極限值基本可達到相應有效圍壓的 75%,，隨振動頻率的增加孔壓極限值有所降低．

4 結 論

本文通過室內 GCTS試驗，研究了循環振動荷載作用下，飽和軟土孔隙水壓力的增長變化規律，并進行了其各影響因素分析，得到以下結論．

(1)飽和軟黏土的孔壓發展規律及其極限值受頻率、圍壓(土層深度)、循環振動荷載幅值等多種因素的影響，循環振動荷載下飽和軟土的孔隙水壓力的發展一般可分為快速增長階段、緩慢增長階段和平穩階段3個階段．

(2)在相同頻率、圍壓、振次條件下，飽和軟黏土的孔隙水壓力隨循環振動荷載幅值的增大而增大，且荷載幅值越大，土體會在越短的時間內產生較大的孔壓，越快的趨于穩定，同時孔壓的相應極限值也越大；在相同循環振動荷載幅值、圍壓、振次條件下，飽和軟土的孔隙水壓力隨振動頻率的增大而減小；在相同循環荷載幅值、頻率條件下，飽和軟黏土的孔隙水壓力會隨圍壓的增大而增大．

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Experimental Study of Pore Pressure Development Rule in Littoral Soft Soil under Cyclic Loading

XIE Binglea，ZHANG Jianxina,b
(a. School of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TCU，Tianjin 300384，China)

The subway vehicle load will make the pore water pressure in soil around the tunnel change，thus causing soil deformation，even producing uneven settlement．It’s a great threat to the subway safety，so understanding the development rule of the pore pressure of soil under the subway vehicle load is very important．This paper is based on GCTS hollow cylinder testing system to test coastal soft soil，to study the development rule of the pore water pressure of soft soil under cyclic vibration load and analyze the influence of load amplitude，vibration frequency and confining pressure of soil to the pore water pressure．The results show that the growth regularity of pore pressure in soils is characterized by three phases including rapid growth，slow growth and smooth growth，and pore pressure will increase with the increase of number of vibration，cyclic load amplitude of vibration and confining pressure with different rate．On the contrary，the pore pressure will decreases with the increase of loading frequency.

cyclic vibration load；saturated soft soil；GCTS test system；pore water pressure

TU447

A

2095-719X(2016)05-0339-05

2015-05-10；

2015-06-29

謝兵樂（1988—），男，河北石家莊人，天津城建大學碩士生．