饱和粘性土体中孔隙水压力对地铁振动荷载响应特征分析

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1、饱和粘性土体中孔隙水压力对地铁振动荷载响应特征分析周念清唐益群王建秀张曦洪军摘要：以上海地铁二号线某区间隧道附近的饱和粘性土体为研究对象，在地铁振动荷载作用下，通过对不同位置、不同深度土体中预埋孔压计振动频率的连续监测，研究饱和粘性土体中孔隙水压力对振动荷载的响应特征，得出了饱和粘性土中孔隙水压力增长和消散的变化规律，并用土动力学及能量损失原理对其机理进行了分析。关键词：孔压计；饱和粘性土；孔隙水压力；振动荷载；增长和消散0引言饱和土体中孔隙水压力对振动荷载的作用反应比较敏感，性质不同的土体具有不同的特征，即使是同一土体，荷载性质不同其孔隙水压力增长和消散规律也各不相同。过去，人们对多种

2、荷载作用下饱和砂土中孔隙水压力增长和消散规律研究比较深入，如王桂萱等人就循环荷载下砂质混合土孔隙水压力特性进行了研究，建立了孔隙水压力与能量损失的关系[1]；张均峰等人研究了冲击荷载下饱和砂土中超孔隙水压力，探讨了达到砂土完全液化的冲击强度临界值[2]；张之颖等就粘性土覆盖层下粉土及砂土进行研究，模拟地震中超孔隙水压力的增长规律[3]；白冰、杨兵等分别对强夯荷载、爆炸荷载作用下饱和土层孔隙水压力变化规律作了计算和分析[4-5]；Okada则从土体结构观点说明用能量损失来预测孔隙水压力的合理性[6]；而对饱和粘性土的研究仍处于探索阶段，因为饱和粘性土在颗粒组成、力学性质、孔隙水运动规律等方

3、面均有别于砂土，振动荷载作用产生的超孔隙水压力增长和消散速度相对缓慢，许才军等人通过室内试验研究了饱和软粘土在不排水循环荷载作用下孔隙水压力的增长规律[7]。地铁循环振动荷载作用下，粘性土体中孔隙水压力随振动荷载发生有规律的变化，本文通过对不同深度饱和粘性土体中孔隙水压力变化连续监测，研究孔隙水压力增长和消散对振动荷载的响应特征，并用能量损失观点对其进行了分析和探讨。1饱和粘性土中孔隙水运动规律粘性土的粒度成分决定了粘性土颗粒孔隙的大小，而孔隙是地下水运移的通道，孔隙大小又决定了地下水的渗透性。本研究在上海地铁2号线某区间隧道附近试验现场，距离隧道边缘约1.8m处，深度分别为12、14和

4、16m位置采集了3组样品进行粒度分析，土质均为第④层灰色淤泥质粘土。采用美国贝克曼库特公司生产的LS-230激光粒度仪，通过分析，得到三组饱和粘性土的平均粒径为12.33μm，中值粒径为8.63μm，粒径峰值为11.61μm。由于饱和粘性土颗粒之间孔隙极其细小，通常情况下把饱和粘性土作为隔水层或弱透水层。然而在外界荷载作用下，饱和粘性土体中孔隙水除能承受孔隙水压力外，也能产生压力差或水头差，迫使孔隙水在其中运动，具有一定的渗透性，其渗透性的大小决定了超孔隙水压力增长和消散的速度，同时反映了孔隙水压力传递对振动荷载的敏感程度。研究土体渗透性主要考虑渗透速度和渗透压力，而土体渗透性大小一般用

5、渗透系数K和渗透速度V表示。对于饱和粘性土，孔隙水的运动必须克服起始阻力，且服从渗透规律V=K(J-J0)，(1)式中，V为渗透速度（m/d），K为渗透系数（m/d），J为水力坡度，J0为起始水力坡度。水力坡度由水头差造成，也可由外力作用下土中水所受到的应力（孔隙水压力）而引起。饱和粘性土的渗透系数K一般为10-7～10-8cm/s，要使孔隙水在饱和粘性土体中发生渗流运动，首先必须克服起始水力坡度J0这个阻力才能实现。2孔隙水压力观测试验2.1试验场地选择与监测孔布置试验场地选择在上海地铁#2线某区间隧道南侧，共布置了5个钻孔，距离盾构隧道边缘最近的试验孔仅1.8m，如图1所示。2.2仪

6、器选型与埋设仪器采用电阻式孔压计，通过测量电阻片的电阻变化，计算孔隙水压力。孔压计埋设如图2所示。每个钻孔中的三个孔压计均埋设在第④层灰色淤泥质粘土层中8.5、11.5和14.0m的位置，埋设时孔压计周围使用细砂，在上部使用粘土球膨胀压实，以便能真实地观测地铁振动时各自的响应特征，仪器的量测范围为0～0.2MPa。其计算公式为式中Vip为单位换算输出电压（mv）；ε为单位应变（με）；Vie为桥压（mv）；Kiv为灵敏系数；gaeie为应变片转换系数；其中，Kiv、gae值由厂家标定，Vie在试验现场采用增益档1000K进行标定。3孔隙水压力对地铁振动荷载的响应3.1孔隙水压力随地铁振动

7、的变化规律地铁列车共6节车厢，整车长139.46m，正常运行速度是60km/h。地铁在运行过程中，埋设在不同深度的孔压计对地铁振动产生的超孔隙水压力变化具有不同的响应特征，图3就是一列地铁通过某一监测点时记录到的孔隙水压力对地铁振动荷载的响应规律，峰值出现在轮轨相互作用的瞬间。以#3监测孔进行具体分析，通过孔压计的监测反映出不同深度孔隙水压力变化的规律。图4为时间11:00～12:15分别测得埋深为8.5、11.5和14.0m处的波