冻融作用下软粘土物理力学特性研究现状

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1、1绪论1.1引言自1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁至今，城市地铁工程已经发展了150多年。作为一种解决城市道路交通问题的主要手段，其发展规模越来越大，已遍布全球50多个国家170多个城市，总线路里程将近1万多公里。伴随着我国经济建设的突飞猛进和城市化进程的加快，城市地铁工程建设正在飞速发展，北京、上海、天津等二十多个城市已经建成了地铁并投入运营，南京、杭州、徐州等十几个城市的地铁工程项目也已经在建设中，另外还有四十多个城市的轨道交通项目正在规划中。这些工程项目的修建势必会向岩土工程界提出新的研究问题。

2、软粘土在我国东部地区广泛分布，特别是在沿海地区，如上海地区地表以下的第③~⑤层几乎全部为饱和的淤泥质或粉质软粘土，而软粘土由于自身具有“三高”（含水量、压缩性和灵敏度）“两低”（渗透性和承载力）特性往往成为工程建设中的问题土[1]。目前，最明显的问题就是软粘土地区的城市地面沉降现象，岩溶塌陷，地下矿产、水、石油、天然气等资源的开采等生产活动均可引起城市地面的不均匀沉降，而随着城市的发展，由于工程项目建设而导致的地面沉降问题也越来越不可忽视[2]。上海地区自上世纪90年代以来，城市基础工程建设迅猛发展，地下空

3、间、地铁工程的开挖修建，地面大量高层、超高层建筑的兴起等，使得地面沉降问题日益凸出。地铁在修建过程中，无论是使用明挖法还是暗挖法，都不可避免地会对周围土层带来扰动，这种扰动会使土层的结构形式和应力状态发生变化，导致地基强度和刚度发生退化，使得地面在施工过程中产生沉降。所以，在软土地区修建地铁等城市地下工程，首先需要改善软粘土的力学特性。盾构法以其对线路周围建筑物和环境影响小，对地质条件适应性强的优势，而成为地铁隧道施工的首选；人工冻结法因其能使软粘土克服自身的缺点，在地铁联络通道施工中被广泛采用。但是，人工

4、冻结法会引起地层温度场的变化，在冻结过程中，孔隙中的水结冰体积膨胀，导致粘土中的孔隙体积增大；当施工结束后，地层温度开始回升，土体孔隙中的冰融化，土体会变得异常松软，很容易产生变形。这种冻胀融沉作用，相当于对原状土层产生了一定的扰动，可能会导致周围地铁隧道管片发生开裂、漏水，使得周围土层产生不均匀沉降。在地铁运营期间，由地铁循环荷载产生的振动效应也会导致地面沉降。在地铁长期振动荷载作用下，盾构隧道管片周围的饱和软粘土会产生超孔隙水压力并累积。而由土体的有效应力原理可知，土体中超孔隙水压力的发展会引起土体有效

5、应力的减小，使得地铁隧道周围的软土地基强度降低。在地铁每天运营结束之后，隧道周围土层中累积的超孔隙水压力会逐渐消散，使得软粘土地基发生固结变形，产生附加沉降。尤其是在冻结法施工刚结束，地铁刚开始运营期间，在很长一段时间内都会发生工后的固结变形沉降。再加上地铁行车密度的逐渐增加，在长期振动荷载的作用下，往往会形成地面的不均匀沉降。对此，如果不能合理预测和控制不均匀沉降，可能会造成地基失稳、邻近建筑物倾斜和产生裂缝、地下管线破坏等不良后果[3]。事实上，无论是冻融土还是原状土，地铁振动荷载的作用，都会直接导致土

6、体的应变及孔隙水压力等动力特性发生变化，进而影响地基的承载力强度，甚至是整个隧道的稳定性。因此，研究地铁振动荷载作用下软粘土冻融前后的动力特性变化规律，就显得非常重要。其不仅能够揭示振动荷载下粘土冻融前后的强度、变形机理、孔隙水压力发展模式及能量转化关系等机理，具有一定的理论研究意义，而且能够为以后的地铁建设和正常运营维护带来一定的指导作用，具有很好工程应用前景。1.2国内外研究现状地铁振动荷载作用下粘土冻融前后的动力特性研究与选择的试验材料类型、荷载类型、试验方法、试验控制条件等因素密切相关。试样类型、试

7、验方法和试验控制条件不同以及考虑的侧重点不同就会获得不同的结果。下面对近年来土体的动本构模型、粘土在冻融作用下的物理力学特性和振动荷载作用下的动力特性等研究成果作一归纳性总结。1.2.1土体动本构模型研究现状目前，国内外学者提出了许多关于土体在动荷载作用下的动本构模型，常见的有粘弹性理论和弹塑性理论两种。粘弹性理论其一是求解骨干曲线，它不寻求土体滞回曲线的应力-应变函数关系，而是针对加载过程曲线顶点的动应力-应变关系，利用Seed等[4]提出的线性等效方法，建立土体剪切模量和阻尼比的线性等效模型。其二是以骨

8、干曲线为基础，以Masing加、卸载准则[5]为假设，利用Masing二倍法确定土体在加、卸载过程中滞回曲线的动应力-应变函数关系式。目前最常用的有三种：Konder或Hardin-Drnevich双曲线模型（简称H-D模型）、3参数的Ramberg-Osgood模型（简称R-O模型）和3参数的Davidenkov模型，三个模型的表达式分别如式、式和式所示[6]。由于H-D模型的表达式有两个试验参数和，而R-O模