列車振動循環荷載作用下軟黏土響應特性室內試驗研究

2020-05-24 08:37:52陳蔚

工程建設與設計 2020年8期

陳蔚

（上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海200092）

1 引言

地鐵行車荷載是一種特殊的長時間往復施加的循環荷載，屬于長期循環荷載范疇。循環荷載作用下，土體的動力特性研究主要集中于運用室內循環三軸試驗、計算機數值模擬等方法，綜合考慮荷載循環應力比、循環次數、振動頻率、土體超固結比、循環加載排水狀況等因素的影響，獲取土體累積塑性形變、殘余孔隙水壓力等方面的變化規律。

2 試驗方法

本文采用動三軸試驗分析不同動應力比和頻率對土動強度的影響。選取荷載頻率時，根據現場實測結果，地鐵列車駛過時引起的隧道周圍土體的響應頻率分布區域有2 個，低頻為0.4~0.6Hz，高頻為2.4~2.6Hz，結合設備的循環加載能力后確定動三軸試驗的加載頻率為0.5Hz 和2Hz。

試驗步驟為：（1）將試樣放入壓力室。首先，對試樣進行通水，然后施加100kPa 背壓使試樣飽和。飽和結束后，測定孔壓系數B，若孔壓系數B大于0.96，則認為試樣飽和。本試驗所有試驗試樣測得的孔壓系數B均大于0.97。（2）對飽和后的試樣進行固結。根據不同的分析內容，固結圍壓分別取為50kPa、100kPa、200kPa。待體變管完全穩定后，認為固結完成。（3）固結結束后，根據確定的荷載和頻率大小對試樣進行循環剪切試驗。（4）試樣雙幅應變達到5%時，即認為試樣破壞，試驗停止。如果循環次數達到10 000 次，而試樣沒有破壞，則認為該條件下試樣不會破壞。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

3.1.1 加載頻率f=2Hz 時

應力路徑：在循環荷載的作用下，土的應力路徑表現出循環特性。隨著循環次數的增加，土體的有效應力不斷減小，最終達到破壞。當動應力比較小時（0.15 和0.1），土的有效應力一直維持在較高水平，土樣沒有發生破壞。

應力應變關系：在循環荷載的作用下，土體的應力應變關系形成了滯回曲線。在循環加荷初期，滯回曲線比較狹窄陡峭，說明斜率比較大且比較密集。隨著循環周次的增加，滯回曲線被逐漸拉長，斜率逐漸減小，并且越來越“肥胖”。說明了在循環荷載作用下飽和軟黏土動模量的衰減。

3.1.2 加載頻率f=0.5Hz

3.2 飽和軟黏土動力變形的影響因素

3.2.1 循環次數的影響

動荷載頻率為2Hz 時，動應力比為0.4、0.3、0.2 時，土的雙向應變隨循環次數的變化為在初始階段，應變增長比較緩慢，應變達到2%時，應變增長速度明顯加快，并快速達到破壞。

動荷載頻率為0.5Hz 時，動應力比為0.4 和0.2 時，土應變隨循環次數的變化和頻率為2Hz 時規律相似，在初始階段，應變增長比較緩慢，當應變達到2%時，應變增長速度明顯加快，并快速達到破壞。

由于應變速率效應，頻率為2Hz 時，試樣破壞所需的循環次數要大于頻率為0.5Hz 時的循環次數。并且動應力比為0.1 和0.15 時，試樣并沒有破壞（雙向應變沒有達到10%，累積塑性應變沒有達到5%），當動應力比為0.2 時，試樣開始發生動循環破壞。由此可知，試樣破壞所需的循環次數與荷載的頻率有關。

3.2.2 圍壓的影響

頻率為2Hz 時，動應力幅值為40kPa，不同循環次數時，圍壓對應變的影響不同。循環次數一定時，圍壓越大，土樣的應變越小。可以得出，當動應力幅值一定時，圍壓越大，對應變的影響越小。頻率為0.5Hz 時，動應力幅值為40kPa，不同循環次數時，圍壓對應變的影響不同。和頻率為2Hz 時規律一致，循環次數一定時，圍壓越大，土樣的應變越??；當動應力幅值一定時，圍壓越大，對應變的影響越小。

3.2.3 動應力比的影響

據研究表明，動應力比0.3~0.4 段的斜率明顯陡于動應力比0.2~0.3 段，說明動應力達到0.3 后，對土破壞的影響更快。