不同加載頻率及循環應力水平對人工凍融軟土動力特性影響試驗研究

2020-04-16 06:07:38魏新江張孟雅

鐵道學報 2020年3期

丁智，鄭勇，魏新江，張孟雅

(1. 浙江大學城市學院土木工程系，浙江杭州 310015；2. 中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司送電結構室，吉林長春 130021)

凍結法施工是采用人工制冷的方式形成加固型凍土，近年來被廣泛應用于地鐵建設中。然而凍結土融化后土體強度明顯降低，工程性質也將發生顯著變化，在地鐵列車循環荷載下易產生較大不均勻沉降，進而對地鐵的運營安全構成威脅。如杭州地鐵1號線某區間采用凍結法施工后，自地鐵2012年11月正式運營至2013年3月期間，該區間最大沉降量從4.6 mm增長到23.6 mm，其變化值達到19 mm，見圖1。因此，開展地鐵列車循環荷載作用下的凍融軟土的動力特性研究，對凍融土工后沉降預測控制及地鐵安全運營具有重要意義。

目前，循環荷載作用下土的動力特性試驗主要集中在未凍融軟土，如周健等[1]、王元東等[2]、葉俊能等[3]、姚兆明等[4]對頻率、循環應力比、固結比等加載條件下的軟土進行了研究，曹洋等[5]則在宏觀動力特性研究的基礎上加入了微觀結構分析。王軍等[6]通過不同排水條件下的連續和分階段循環加載研究溫州飽和軟黏土的動力特性，提出不同排水條件下間歇加載的孔壓發展不同于連續加載。魏新江等[7]、丁智等[8-9]則通過固結度這一角度進一步分析了循環荷載作用下的軟土動力特性，指出固結度越高的土體，孔壓發展越慢，孔壓值也就越容易到達穩定。

關于地鐵循環荷載作用下的凍融土動力特性研究很少[8-9]，唐益群等[10]主要研究了頻率對凍融后軟土的彈性模量、剪切模量等影響，并進一步分析了凍融軟土的微觀結構。但其僅對動頻率作用下的凍融土應變發展規律進行了探究，且并未考慮地鐵運行荷載0.4～0.6 Hz的頻率區間。丁智等[11]對凍結溫度和凍融周期兩個影響因素進行了研究，并對凍融前后以及加載前后的土體進行了電鏡掃描，分析了凍融軟土的微觀變化機理。但其僅考慮了凍結溫度和凍融周期對凍融土體的影響，未探究頻率、循環應力水平等影響因素，且未對動應變進行深入分析。

迄今國內鮮有學者涉足杭州灣地區人工凍土在開融后的動力性能的研究，而這關系到地鐵隧道運行時的局部穩定及變形?；诖耍槍贾蒈浲灵_展地鐵荷載下凍融軟土動力特性試驗研究，通過設置不同加載頻率、循環應力比、固結壓力對凍融后土體的動孔壓及應變進行研究，建立孔壓發展試驗模型，以便給軟土區地鐵凍結法工后沉降分析提供理論參考依據。

1 GDS動三軸試驗

1.1 試驗儀器及試樣制備

試驗設備選用英國GDS動三軸儀，試驗用土取自于杭州地鐵2號線(豐潭路—良渚站)沿線。采用自主研發的多聯通道重塑土智能成土設備制土，有效解決了土樣均一性差異對試驗結果影響的問題[12]。利用荷蘭QUANTA FEG 650型場發射掃描電鏡對重塑土樣進行水平和垂直斷面孔隙結構掃描試驗，結果表明該重塑土樣具有較好的均一性，滿足試驗精確度和對比性的要求。土體主要物理指標見表 1。

表1 土體物理參數指標

試驗選取的凍結時間依據實際工程按比例進行換算，最大限度保證了試驗凍融循環過程接近工程實際。試驗凍結土樣厚度約10 cm，凍結時間選取為48 h。參考文獻[13]對土樣進行凍結并融化，首先在相應溫度下凍結48 h，然后將其置于恒溫恒濕試驗箱中融化48 h，完成一次凍融循環。最后將凍融完成的試樣制作成D=38 mm、高度H=76 mm的圓柱體。為確保試樣的飽和度，采取兩步法進行：

(1) 真空飽和。參考SL237—1999《土工試驗規程》[14]將圓柱體試樣裝入飽和器中，放置于真空飽水機中抽真空飽和3 h，并在大氣壓下浸泡12 h。

(2) 分級反壓飽和。將試樣裝入動三軸儀器中進行分級反壓：① 反壓130 kPa，圍壓150 kPa，30 min；② 反壓200 kPa，圍壓180 kPa，30 min；③ 反壓250 kPa，圍壓230 kPa，60 min。

通過兩步法后的試樣孔隙水壓力系數檢測值B孔可在5 min內達到0.97以上，滿足動三軸試驗要求。

1.2 動三軸試驗方案

以地鐵列車荷載頻率及循環應力比為變量進行凍融土動三軸試驗，探究土體在不同條件下的動孔壓變化與應變發展規律。實測表明，地鐵運行荷載高頻區間為2.5～2.8 Hz，低頻區間為0.4～0.6 Hz，故本次試驗設置頻率為0.5、1、2、2.5 Hz。試驗中通過改變動應力幅值和固結壓力來設置土體循環應力比。劉莎等[15]的研究表明，地鐵隧道底部附加應力一般為20～40 kPa，故本次試驗動應力幅值采用20、40、60、80 kPa，固結壓力為100、150、200 kPa。

丁智等[16]對比了不同動荷載加載方式與地鐵列車循環荷載的相似程度，認為偏壓正弦波加載可以更好地模擬地鐵列車循環荷載，故本次動三軸試驗加載方式采用偏壓正弦波加載，即循環應力與偏壓應力同步施壓加載。循環應力比為

τ=σd/2p

( 1 )

式中：τ為循環應力比；σd為動應力幅值；p為固結壓力。

統一對孔壓進行歸一化處理

u*=Δu/p

( 2 )

式中：u*為歸一化孔壓值；Δu為超孔隙水壓力。

具體動三軸試驗方案見表2。

表2 動三軸試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 加載頻率對動孔壓、應變影響分析

不同加載頻率下的凍融土動孔壓變化情況見圖2，凍融后土體孔壓發展規律與未凍融土相似，大致可分為三個階段：第一階段，振次較低但孔壓迅速產生并接近線性增長；第二階段，一定振次后孔壓發展速率變慢，但仍持續增長；第三階段，振次達到較高次數后，孔壓增長進一步減緩，孔壓值趨于穩定。在1 Hz加載頻率下，凍融前后的曲線發展趨勢大致相同，但凍融后土體孔壓增長速率更快且孔壓穩定值較未凍融土更高。這是由于凍融之后，凍土內冰晶增大了孔隙體積，雖然融化破壞了土顆粒間的聯結作用，孔隙體積會受土顆粒自重影響有部分減少，但其收縮量始終小于膨脹量[17]。

凍融后動孔壓與荷載頻率的關系見圖3。由圖3可見，歸一化孔壓與荷載頻率接近線性變化，且較低荷載頻率下的凍融土孔壓更大。因為當加載頻率較低時，荷載變化較慢，孔隙水壓力有足夠的上升和消散時間，所以最終達到的穩定值也相對較大，而循環荷載頻率較高時，孔壓則來不及上升和消散，使得穩定動孔壓值相對較小。

章克凌等[18]、張茹等[19]、Yasuhara等[20]研究表明，加載頻率對黏性土應變和孔壓的影響較大，但Brown等[21]則認為頻率對軟土周期應變和孔壓的影響不大。本文認為循環荷載作用下軟土動孔壓規律受土體性質、動荷條件、動應力幅值、固結壓力等影響，故而呈現一定的差異性。凍融土動力特性試驗研究結果表明，在正常地鐵列車荷載頻率下，對于凍融后軟土，其加載頻率越低，動孔隙壓力值越高，這與章克凌等[18]、許才軍等[22]、Matsui等[23]對軟黏土動孔壓的研究成果較為一致。

不同加載頻率對凍融后軟土軸向應變的影響規律見圖4，其軸向應變變化規律曲線與孔壓發展規律曲線相似。對比凍融與未凍融土的應變變化曲線發現凍融后土體應變值有較大的增長，其增長量約為未凍融土加載應變的40%，正如Simonsen等[24]的研究成果表明，一次完整的凍融循環之后，土的強度將會降低20%～60%，特別是對軟土的影響更大。

軟土凍融以后，土體強度明顯降低，且在低頻循環荷載作用下凍融土軟化更為嚴重，強度也更低，即對于地鐵列車循環荷載，加載頻率越低，變形越能充分開展，軸向應變與加載頻率關系見圖5。這與張茹等[19]、Yasuhara等[20]對軟黏土周期應變的研究成果較為一致。由圖4、圖5可得，地鐵隧道周圍凍融土變形較大部分產生于地鐵運營初期，且頻率較低荷載的危害更大。因此，對于地鐵凍結法施工區域，應在試運營以及運營初始階段內對低頻列車荷載進行有效控制，以避免0.5 Hz左右的列車低頻加載頻率，造成地鐵隧道變形過大乃至失穩等工程性災害。

2.2 循環應力水平對動孔壓、應變影響分析

不同靜偏應力幅值、固結壓力以及循環應力比對動孔壓的影響規律見圖6。由圖6可知，不同應力水平下，振次較少時土體能在短時間內產生較大的孔壓，隨著振次增大孔壓增長速率減緩并趨于穩定。靜偏應力幅值、循環應力比越高，其動孔壓發展越快，最終的穩定孔壓值也越高；而固結壓力越高，則其動孔壓發展越慢，最終的穩定孔壓值也越低。未凍融土的孔壓增長速率相比凍融后更慢，最終穩定值也更低些。若凍融土體處于低固結壓力狀態，即較高循環應力水平下，土體的軟化現象將加劇，孔壓發展速率更快，其穩定孔壓值也更大。

不同靜偏應力幅值、固結壓力以及循環應力比對應變的影響規律見圖7，其軸向應變變化規律曲線與孔壓發展規律曲線類似，但應變變化更為明顯。文獻[15]研究表明，地鐵運行時作用在隧道底部土體的動應力幅值為20～40 kPa(即靜偏應力幅值為10～20 kPa)，且從圖6和圖7可知，在該循環應力水平下，凍融土動孔壓及軸向應變均較小。在相近循環應力比下，應力幅值比固結壓力對凍融土動力特性影響更小。同時，由于地鐵隧道埋深決定了地鐵的先期固結壓力，因而在凍結法施工時，應盡量避免該區間段隧道埋深過小，防止固結壓力較小導致循環應力比過大，造成運營期間地鐵隧道較大的不均勻沉降。

由圖7(c)可知，當循環應力比為0.4時(固結壓力為100 kPa)，凍融土動孔壓和軸向應變較其他情況下變化極大，對比同等條件下魏新江等[6]對未凍融土進行的循環加載試驗結果，100 kPa下軸向應變最大值約為1.5%，而本次凍融土試驗中則超過6%，可以推測循環應力比為0.4時已經接近凍融軟土的臨界循環應力比。文獻[1]研究表明，杭州市未凍融軟黏土臨界循環應力比約為0.5，同時可以認為土體凍融后其臨界循環應力比應該有所降低，故凍融土臨界循環應力比區間應在0.4～0.5。

3 孔壓模型建立

地鐵列車循環動力荷載作用下，孔隙水壓力的累積、消散是凍融土體強度降低以及產生變形的主要原因之一，因此建立有效的孔壓預測模型是分析凍融土工后長期變形的重要手段。目前，現有的孔壓模型大多數是針對未凍融土，且沒有考慮不同頻率、動應力幅值和固結壓力等影響因素。參考文獻[6-7, 9, 24]提出的飽和軟土孔壓預測模型，選擇振次發展N為自變量建立復合冪函數的孔壓試驗模型，進一步描述頻率、靜偏應力和固結壓力對孔壓發展的影響，即

( 3 )

式中：N為振次；P為靜偏應力幅值；F為加載頻率；S為固結壓力；A、B和C均為試驗擬合參數。

試驗數據采用七維高科1stOpt軟件擬合，由于篇幅所限，選取部分曲線繪制得孔壓擬合曲線，見圖8，其相關性系數均在0.98以上，擬合效果較好，具體擬合參數見表3。

以標準組試驗孔壓為例，選取目前代表性的孔壓預測模型與本文提出的模型進行擬合對比結果見圖9。從圖9中可以看出，在振次低于2 000次時各孔壓模型擬合效果較為接近，當加載次數大于10 000次葉俊能等[3]與王元東等[2]的孔壓模型與試驗值出現較大差距，孔壓擬合值有持續增長的趨勢。而周建等[1]的一階對數函數模型隨振次增大孔壓趨于穩定與試驗值接近，但仍有較大偏差。由此可見，采用本文提出的模型能夠較好的描述不同加載頻率、靜偏應力幅值和固結壓力影響下的凍融土孔壓發展趨勢。