地鐵列車循環(huán)荷載試驗(yàn)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(xué)城市學(xué)院 土木工程系，浙江 杭州 310015； 2.招商局蛇口工業(yè)區(qū)有限公司，廣東 深圳 518067)

摘要：地鐵循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土的動(dòng)力特性研究對(duì)于揭示軟黏土在地鐵荷載下的孔壓、強(qiáng)度以及變形模式具有重要意義，可以為控制地鐵長(zhǎng)期沉降、降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)。試驗(yàn)加載形式的不同會(huì)帶來(lái)不同的動(dòng)力特性表征，需選取最能反映地鐵列車真實(shí)性質(zhì)的荷載形式。本文在列車荷載作用下研究土動(dòng)力特性，采用室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)的方法，對(duì)比分析不同形式下動(dòng)力荷載作用效果。試驗(yàn)研究表明：偏壓正弦波可以作為簡(jiǎn)化波形研究列車荷載，它不僅可以確保加載過(guò)程中地基土只有壓應(yīng)力，而且能較好地模擬列車循環(huán)荷載。

關(guān)鍵詞：地鐵； 飽和軟黏土； 循環(huán)荷載； 動(dòng)三軸試驗(yàn)

收稿日期：①2014-08-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然

作者簡(jiǎn)介：丁智(1983-)，男，安徽銅陵人，講師，主要從事地鐵施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境影響方面的研究與教學(xué)工作。

中圖分類號(hào):TU411.8文獻(xiàn)標(biāo)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(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于土動(dòng)力學(xué)的研究成果層出不窮，室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)以其操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)采集便利、精確度高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于土體動(dòng)力特性的研究。近年來(lái)由于各領(lǐng)域的工程需要，土動(dòng)力學(xué)界展開了大量關(guān)于交通荷載、波浪荷載以及地震荷載等的試驗(yàn)研究。在這些研究中動(dòng)三軸儀、空心扭剪儀等試驗(yàn)系統(tǒng)常作為室內(nèi)試驗(yàn)的首選設(shè)備。在室內(nèi)試驗(yàn)的研究過(guò)程中，不同的加載方式會(huì)影響土體的動(dòng)力特性表征。所以有必要在土體動(dòng)力特性研究過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)所采用的簡(jiǎn)化荷載進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)所研究的問題選取適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化荷載形式。

縱觀幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者以室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)為基礎(chǔ)對(duì)土體動(dòng)力特性的研究成果，大多數(shù)研究者所采用的加載方式是通過(guò)和既有研究進(jìn)行類比，然而當(dāng)被借鑒的荷載與所研究的方向有區(qū)別時(shí)試驗(yàn)結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。本文通過(guò)對(duì)近百篇國(guó)內(nèi)外軟黏土動(dòng)三軸試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)的整理，選取比較有代表性的研究成果進(jìn)行分析，如表1所列。

表 1　已有研究試驗(yàn)條件歸納表

從表1可以看出：無(wú)論是交通荷載、波浪荷載還是地震荷載，在室內(nèi)試驗(yàn)研究時(shí)動(dòng)荷載都被簡(jiǎn)化為正弦波，少數(shù)研究者使用了矩形波和三角形波；固結(jié)應(yīng)力25 kPa到200 kPa不等；動(dòng)應(yīng)力比從0.05到1.1不等；頻率從0.01 Hz到8 Hz不等；循環(huán)次數(shù)基本在10 000次以下少數(shù)在50 000次以上。由于真實(shí)荷載類型復(fù)雜、采集成本高,加之針對(duì)某一交通荷載的研究成果不具有對(duì)地鐵列車荷載的普遍適用等原因，在室內(nèi)試驗(yàn)研究地鐵列車荷載時(shí)采用簡(jiǎn)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(xiàn)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(yàn)所用波形產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差，本文在研究土體動(dòng)力特性時(shí)將對(duì)地鐵列車的簡(jiǎn)化荷載選取和論證進(jìn)行研究，以彌補(bǔ)以往研究的不足。

1試樣制備

試驗(yàn)用土取自杭州地鐵1號(hào)線沿線某基坑工地。關(guān)于重塑土制備，以往研究大多將某一含水率黏土放入擊實(shí)器中分層擊實(shí)，這種方法制備的重塑土操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但很難達(dá)到土工規(guī)范中“同一組試樣密度相同”的標(biāo)準(zhǔn)且均勻性也無(wú)法保證，很多成型的試樣仍存在分層問題。為了克服傳統(tǒng)重塑土制作方法的種種弊端，本研究在制備重塑土的過(guò)程中采用對(duì)攪拌均勻的泥漿進(jìn)行真空固結(jié)的方法，將泥漿在浙江大學(xué)城市學(xué)院重塑土制備儀中做成均勻的重塑土塊(一般歷時(shí)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(shù)34.1，同一批次制備的土樣物理參數(shù)相同，且不同批次制備的土樣性能也相近。根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程SL237-1999的要求進(jìn)行真空飽和：將試樣裝入飽和器放置在負(fù)壓為-0.1 MPa的真空缸中，抽真空3小時(shí)后向真空缸中緩慢注入無(wú)氣水直至淹沒試樣，繼續(xù)維持0.1 MPa負(fù)壓半小時(shí)后緩慢打開進(jìn)氣閥，使試樣在大氣壓中靜置12小時(shí)以上，此時(shí)試樣飽和度可確保在0.98以上；將試樣裝入動(dòng)三軸儀的壓力艙后分級(jí)施加反壓繼續(xù)飽和。為防止反壓迅速變化可能產(chǎn)生的試樣擾動(dòng)和結(jié)構(gòu)破壞，在分級(jí)飽和的過(guò)程中始終保持圍壓和反壓的差值為20 kPa，第一級(jí)反壓130 kPa，圍壓150 kPa，飽和時(shí)間30 min，孔壓穩(wěn)定后采用線性加載的方式施加第二級(jí)飽和荷載(反壓180 kPa，圍壓200 kPa，歷時(shí)時(shí)間30 min)；采用與第二級(jí)相同的加載方式施加第三級(jí)荷載(反壓230 kPa，圍壓250 kPa，飽和時(shí)間60 min)。飽和后程序立即進(jìn)入B檢測(cè)階段，由于試樣進(jìn)行了兩次飽和，本組試樣可確保B檢測(cè)值在5 min內(nèi)達(dá)到0.98甚至更高。

2驗(yàn)證方案及結(jié)果分析

在進(jìn)行列車荷載加載時(shí)采用杭州地鐵的真實(shí)參數(shù)：列車共6節(jié)車廂，總長(zhǎng)度120 m左右，正常運(yùn)營(yíng)情況下最高時(shí)速可達(dá)80 km/h，平均時(shí)速37 km/h以上。綜合考慮不同形式荷載的對(duì)比性以及列車荷載的不完整性等因素，試驗(yàn)中將列車通過(guò)時(shí)間設(shè)置為5 s，等效時(shí)速86.4 km/h。圖1是杭州地鐵的列車模型，當(dāng)?shù)罔F經(jīng)過(guò)時(shí)地基土某一點(diǎn)所受動(dòng)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(yàn)方案

為了對(duì)比不同形式動(dòng)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(jié)階段也不在固結(jié)結(jié)束時(shí)，而是與正弦波同時(shí)施加，如此可以反映列車通過(guò)的瞬間才產(chǎn)生偏壓的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)方案見表2。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

在不同形式的循環(huán)荷載作用下軟黏土所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)力特性會(huì)有所差異，通過(guò)這種差異分析，在模擬列車荷載時(shí)可以選取最接近真實(shí)情況的簡(jiǎn)化荷載。

表 2　荷載對(duì)比方案

2.2.1孔壓試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3是在固結(jié)條件相同時(shí)不同振動(dòng)荷載下的軟黏土孔壓發(fā)展時(shí)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(xiàn)為急驟上升的趨勢(shì)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加孔壓增幅變緩,并在后期趨向某一穩(wěn)定值。但不同振動(dòng)荷載下孔壓發(fā)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(fā)展較為接近，相較于列車荷載作用下的孔壓發(fā)展趨勢(shì)，后者在較少的振動(dòng)次數(shù)下即可進(jìn)入穩(wěn)定階段。圖3表明矩形荷載下，孔壓在30 000次循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定；三角形荷載、正弦荷載作用下，孔壓在50 000次循環(huán)時(shí)仍有上升趨勢(shì)；而列車荷載作用下15 000次左右時(shí)已趨于穩(wěn)定。偏壓正弦荷載下，孔壓發(fā)展模式與列車荷載下的孔壓較為接近，在15 000次左右時(shí)也進(jìn)入穩(wěn)定階段，只是最終的穩(wěn)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(shí)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(jié)果偏于保守。

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

在排水條件下，孔壓會(huì)經(jīng)歷迅速上升、下降、趨于穩(wěn)定三個(gè)階段，在本次試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)1 691次振動(dòng)后，孔壓將達(dá)到峰值。

2.2.2應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4(a)為矩形波下軟黏土軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。可以看出在矩形荷載下軸向應(yīng)變?cè)谘h(huán)開始時(shí)拉壓等幅，隨著振動(dòng)次數(shù)增加壓應(yīng)變出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)，而拉應(yīng)變與之相反，表現(xiàn)為先增大后減小，整個(gè)過(guò)程拉應(yīng)變占據(jù)主導(dǎo)地位。

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

圖4(c)在正弦荷載作用下，循環(huán)開始時(shí)拉應(yīng)變與壓應(yīng)變等幅，隨振次增加拉應(yīng)變?cè)龃螅瑝簯?yīng)變減小，最終拉伸應(yīng)變?nèi)匀淮嬖?，但遠(yuǎn)小于壓縮應(yīng)變。

圖4　不同荷載作用下的應(yīng)變 Fig.4　The strain under different loads

圖4(d)是偏壓正弦波下的應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)。在循環(huán)初始階段累計(jì)變形迅速增加并逐步趨于穩(wěn)定，在整個(gè)過(guò)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(yīng)變形態(tài)。在現(xiàn)實(shí)工況下，由于黏土地基處于排水與不排水之間，應(yīng)適當(dāng)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(huì)使土體在動(dòng)載下的累積變形進(jìn)一步增加。

在真實(shí)的列車荷載作用下不會(huì)產(chǎn)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(dòng)次數(shù)的增加變形速率逐漸減小，最終達(dá)到穩(wěn)定[圖4(f)]。

對(duì)比不同動(dòng)載下軟黏土軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，真實(shí)的列車荷載作用下：在循環(huán)初始階段累計(jì)變形迅速增加并逐步趨于穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程中只存在壓縮變形，從這一方面來(lái)說(shuō)偏壓正弦荷載更逼近真實(shí)的列車荷載。黃博等[18]在研究列車荷載時(shí)曾提出用半正弦波來(lái)模擬，在半正弦波下雖然土體不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，但半正弦波不能反映列車的瞬時(shí)偏壓。王常晶等[19]研究表明列車經(jīng)過(guò)時(shí)是存在偏壓的，但在試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中所采用的是先施加偏應(yīng)力再施加動(dòng)載的方式。綜合上述分析，偏壓正弦荷載用于模擬列車試驗(yàn)荷載時(shí)比矩形波、三角形波、正弦波、半正弦波更優(yōu)越，可兼顧真實(shí)性、可重復(fù)性、簡(jiǎn)便易操作等方面的優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)語(yǔ)

歸納總結(jié)近年來(lái)采用室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究軟黏土動(dòng)力特性時(shí)的加荷條件，在已有研究的基礎(chǔ)上論證室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M地鐵列車循環(huán)荷載的可行性，對(duì)荷載控制方式進(jìn)行研究并獲得到以下結(jié)論：

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

(2) 偏壓和正弦波同時(shí)施加的偏壓正弦波循環(huán)荷載可以較好地模擬列車荷載，該種波形式簡(jiǎn)單、可重復(fù)性強(qiáng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中具有普遍適用的優(yōu)點(diǎn)，方便對(duì)比。

(3) 列車荷載下地基土的排水狀態(tài)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(dòng)時(shí)間短，可以根據(jù)排水體積的多少對(duì)不排水變形的結(jié)果進(jìn)行修正，從而獲得更為精確的結(jié)果。

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