振動荷載作用下飽和軟粘土性狀微觀研究

地鐵振動荷載作用下飽和軟粘土性狀微觀研究摘要:位于或穿越飽和軟粘土層中的地鐵隧道在運營之后,沿軸線產生較大的沉降量,很大程度上與飽和軟粘土在地鐵振動荷載作用下土體微觀結構的變形和破壞、發生殘余變形有關.通過掃描電鏡試驗對飽和軟粘土顆粒的微觀性狀進行了研究,從土的微結構基本單元的形狀和大小、基本單元體的接觸狀態、基本單元體間的聯結形式、孔隙的形狀和大小以及土體變形3個階段的力學特性等方面進行較深入的研究.另外,將原狀土和循環三軸試驗破壞后兩種狀態的土樣作了對比,從微觀的角度解釋了土體的變形機理.研究成果對有效控制、避免或減輕隧道經過地區地面沉降災害的發生,指導地鐵工程的設計、施工以及地鐵運行后沉降的預測評價和防治等提供了有價值的參考.關鍵詞:隧道工程;地鐵振動荷載;飽和軟粘土;微觀結構;變形機理 飽和軟粘土地區城市(如上海、杭州、廣州、天津等地區)人口眾多、房屋密集、街道狹窄、車輛擁擠,建設立體交通網絡是解決交通擁擠狀況的重要途徑,而地鐵建設就是其中的一個重要組成部分.例如,根據上海市交通規劃,在“十五”期間要建設200ｋｍ的地鐵,遠期規劃將投資2000億元用于地鐵建設,使總里程達到780ｋｍ.根據已經營運的1,2號地鐵線和正在建設的地鐵,其設計深度大多位于或穿越飽和軟粘土層.在地鐵運營中,幾乎在整條線路上都有沉降,而且在某些地段上會出現較大的沉降量.根據有關監測資料,上海地鐵1號線隧道在某些區段軸線沉降量比較大[1],很大程度上與飽和軟粘土在地鐵循環振動荷載作用下土體微觀結構的變形和破壞及發生的殘余變形有關. 伴隨孔隙水壓力變化的就是土體微結構的變化,雖然國內外有許多學者都在進行土體微結構方面的研究,并取得了可喜的成就,但真正研究地鐵振動荷載作用下飽和軟粘土微結構的變化規律也不多見.粘土不存在像晶體結構或分子結構那樣固定而規整的組合模式,顆粒排列十分復雜,具有相當大的隨機性.在循環振動荷載作用下,土體變形和位移主要由內部結構所致,結構單元體在土體變形過程中處于一種動態平衡,不同的時空土體微觀結構具有其獨特的變化特征.雖然國內外對粘土微觀結構研究取得了許多研究成果,但大多處于理論探索階段,真正利用微觀結構研究取得的成果來解決具體的工程問題尚不多見. 由于飽和軟粘土具有孔隙比大、天然含水量高、滲透性弱、壓縮性高、抗剪強度低等特點,其工程性狀也表現出自身特有的規律.因此,系統深入地開展對飽和軟粘土微結構變形和破壞機理的研究,不僅對有效控制、避免或減輕地面沉降災害的發生,指導地鐵工程的設計、施工以及地鐵運行后沉降的預測評價和防治等,而且對弄清不同循環荷載和不同振動頻率作用下飽和軟粘土的物理力學響應、應力應變特性、微結構的破壞特征及其過程、孔隙水壓力消散等均具有重要的理論價值和實際意義. 筆者以飽和軟粘土在地鐵振動荷載作用下的物理力學特性研究為基礎,以飽和軟粘土微觀結構變形和破壞機理為目標,利用掃描電鏡試驗,結合循環三軸試驗對地鐵振動荷載作用下隧道周圍飽和軟粘土的動力性狀的影響開展有關研究工作.通過本課題的研究,有望對飽和軟粘土微觀結構變形和破壞機理方面做出一點學術探索性工作.1 樣品制備 筆者以上海地鐵建設中飽和軟粘土的微觀結構及其工程性狀為研究對象,進行微觀結構變化機理的研究.由于上海飽和軟粘土地區地鐵埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,地鐵隧道周圍的土體主要是第③層淤泥質粉質粘土和第④層淤泥質粉質粘土,因此本次研究的主要對象是第③層和第④層的飽和軟粘土. 試樣可分為兩種:原狀土試樣和循環三軸試驗破壞后土試樣. 為了保證掃描電鏡觀察的微結構圖像真正反映試樣本來的形貌,對試樣的制備必須滿足以下要求[2]:①采集的樣品必須保持其原來的狀態(包括原狀土和循環三軸試驗破壞后兩種狀態的樣品).②土樣在失水干燥過程中,應盡量避免形變.③試樣制備時,觀察表面不要受到擾動和破壞.④噴鍍導電物質的厚度要適宜.根據樣品不同,厚薄不一.如土樣噴鍍金膜其厚度一般在20～50ｎｍ. 用于微結構研究的土樣制備流程為[3]:①按要求取土樣的一部分.當土仍有一定的含水量時,用手掰開,盡量不用機械刀具等.粘性較大的土樣不易掰開,如果其內部有光滑面存在,則很容易沿著光滑面掰開,而所觀察的微結構形態則是該部分光滑面的微結構的特征.所以制備試樣時,注意選取能代表該土樣微結構特征的部位.②將土樣按觀察的方向掰成一定尺寸的大小,然后在放大鏡下選取斷面較平整的試樣.③將上述制好的試樣進行干燥,本次試驗采用烘干法干燥.試樣在烘干箱內保持一定的溫度(小于100℃)和時間進行烘干.④將干燥的試樣置于噴鍍儀中,噴鍍一層導電物質(金或碳金). 按照上述的方法和要求,將循環三軸試驗前后的土樣制備成符合要求的試樣.2觀察結果 首先,對掃描電鏡下的土顆粒的接觸狀態、形狀、大小、聯結形式以及孔隙的形狀和大小進行觀察和描述.然后基于這些觀察結果,對土體的微觀結構變形機理做進一步研究.2.1 基本單元體的接觸狀態 粘土豎直面具有較多的片狀或板狀聚體,多呈面—面、邊—面、邊—邊、邊—角等接觸狀態(如圖1所示);而水平面具有較多的粒狀聚體,較難分出面和邊,呈現直接接觸、鑲嵌接觸等狀態,有的是通過膠結物質使之相互連接接觸(如圖2所示).2.2 微結構基本單元的形狀和大小 在一定的放大倍數下,具有明顯物理界限者,稱之為微結構的基本單元體,單元體分為一級和二級,一級單元體為具有較強的原始內聚力,一般是較難分開的微凝聚體,二級單元體一般是由一級微凝聚體集合或片狀或板狀的聚集體或粒狀集合體. 從圖3和圖4中可以清楚地觀察到原狀和循環三軸破壞后的飽和軟粘土水平面和豎直面上的基本單元體的形狀和大小.對比兩圖可以看出振動破壞后的土顆粒較為破碎,而且具有一定的定向性,這是由于經過振動后,土顆粒經過了重排的過程.2.3基本單元體間的聯結形式 從上述幾張照片中可以發現有的單元體直接接觸聯結,說明單元體外有某種物質(可能是電荷、水膜、膠膜等,在電鏡下難以觀察到)起到直接聯結的作用;有的可以明顯看出是膠結物質連接.至于聯結物質及聯結作用力,可以借助于化學分析或其他方法進一步研究,但這已不是本文研究的內容了.2.4 孔隙的形狀和大小 在掃描電鏡下,能夠觀察到基本單元體之間的孔隙和跨幾個單元體間的大孔隙,其形狀和大小決定于單元體的邊界條件和排列緊密狀況.對比圖3和圖4可以看出經循環荷載振動后土體的孔隙明顯變小,即土體顆粒有被壓密的趨勢.3變形機理分析 飽和軟粘土主要為多孔疏松的蜂窩狀結構,具有高孔隙比和水分.當地鐵列車循環荷載作用到土體上時,土顆粒會因振動的影響而受到一定的慣性力.實質上主要是一種剪切力.由于飽和軟粘土顆粒表面都有一層結合膜,從而使其具有一定的內聚力.當受到剪切力比較小(小于土顆粒表面的內聚力)時,土顆粒不發生移動,也就不會產生超孔壓,其宏觀表現為似彈性.荷載撤除后,變形恢復.即存在著一個似彈性的應力區,在此應力范圍內,土體不產生殘余變形(如圖5所示,應力比小于臨界應力比[4,5],循環次數Ｎ很小時);隨著荷載的加大,土顆粒將發生滑移,從而產生一定的變形量;當剪力繼續增大,超過一定的數值時(即應力比大于臨界應力比時),就會破壞土顆粒之間的聯結強度和結構狀態,而使土結構疏松,部分脫離接觸,起先由土顆粒通過其接觸點而傳遞的壓力(有效壓力),就要傳給孔隙水來承擔,引起孔隙水壓力的顯著增大,產生超孔隙水壓.此時由于土體的強度破壞,當增大荷載時,極易產生殘余變形[6].　　 利用循環三軸試驗,采用典型正弦波加載,加荷頻率為2.0Ｈｚ(圖4照片就是利用該土樣拍攝的,因而達到了宏觀微觀的一致性),得出循環荷載作用下動剪應力與剪應變關系圖,如圖5所示.綜上所述,可將變形階段歸納為以下三個階段(如圖5所示): Ⅰ階段:所受剪應力較小,外力卸除后,變形基本能恢復,土體微結構完整,土顆粒狀態與圖3所示的狀態相近似,振動前后土顆粒的結構無明顯變化,荷載撤除后土顆粒結構恢復原來的狀態,因而無殘余變形,土體表現為彈性狀態,為似彈性階段. Ⅱ階段:所受剪應力超過一定值時,土顆粒滑移,土體微結構發生變形.這是一個能量積累的過程,當剪應力能積累到一定的程度,大于部分土顆粒之間的結合能時,土顆粒發生滑移,土體的微結構發生部分破壞,從而土體發生殘余變形,這一階段反映土體的彈塑性性狀,為彈塑性階段. Ⅲ階段:所受剪應力繼續增大時(應力比大于臨界應力比),土體微結構完全破壞,土體強度降低,應變趨于無窮大,土體發生“軟化”,稱為軟化階段.這一階段是由于剪應力的增大,導致了剪應力能的繼續增大,當剪應力能大于所有土顆粒之間的結合能時,土體的微結構就完全破壞,土顆粒之間的聯結力完全消失.在振動荷載的作用下,土顆粒就會發生水平、豎直方向的移動和旋轉,最終達到一個最穩定的狀態,這就是前文提到的“重排”現象.從能量的原理可以知道,經重排后的土顆粒應具有一定的定向性.由于振動的作用土顆粒之間的孔隙被壓密,從而產生了殘余變形. 隨著振動次數的增長,土體的結構強度將發生疲勞,土顆粒間的粘聚力下降,將使土體產生變形,如果應力不是很大,并且維持不變,此變形將趨于一個定值,這也就與循環三軸試驗結果相一致. 由以上結果可以得出,在不同的應力階段,土體的微結構變形機理是不同的.同樣,這一結果可較好地驗證循環三軸試驗所得到的試驗結果. 可見,地鐵行車時隧道周圍土體應處于第Ⅰ階段(似彈性階段).如果超出這一階段,土顆粒滑移,土體微結構破壞,土體就會產生殘余變形,隧道軸線將產生較大的沉降量,就會影響地鐵列車的正常運行. 本次試驗的對象為上海市第③層淤泥質粉質粘土和第④層淤泥質粉質粘土,上海飽和軟粘土地區地鐵埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,因此試驗結果具有一定的代表性.在工程實踐中可以通過對隧道周圍的土體進行變形監測,使土體的剪應變小于臨界值(本次試驗得出的臨界值為0.0028～0.0033),把土體的變形控制在第Ⅰ階段,使其不產生殘余變形,從而使地鐵列車正常運行.4結論 飽和軟粘土地區地鐵隧道在運營以后,沿軸線產生較大沉降量的問題,雖然是受多種影響因素控制的,但在很大程度上與飽和軟粘土在地鐵循環振動荷載作用下發生殘余變形有關,而飽和軟粘土的殘余變形始于地鐵荷載作用下孔隙水壓力的變化、土體微觀結構的變形和破壞,其發生和發展表現為一個從量變到質變的過程.本文僅僅從土體微觀結構的變形和破壞機理方面進行初步的研究.當然,地鐵隧道盾構施工、地鐵附近的樁基與基坑開挖的施工等都會引起地鐵隧道周圍飽和軟粘土結構擾動.目前,筆者正在進行地鐵振動荷載作用下隧道周圍飽和軟粘土在受壓應力、剪切應力、旋轉應力條件下土的微觀結構形態特征和變化規律的研究,施工引起應力場變化與地鐵振動荷載的耦合作用以及時空效應也將作為本科研項目的研究重點,通過研究不同應力條件下土的這些微結構變化特征,從而反過來驗證行駛列車振動后隧道周圍飽和軟粘土的應力變化特點. 通過掃描電鏡試驗對土體的微觀結構進行研究,觀察到粘土豎直面具有較多的片狀或板狀聚體,多呈面—面、邊—面、邊—邊、邊—角等接觸狀態;而水平面具有較多的粒狀聚體,較難分出面和邊,呈現直接接觸、鑲嵌接觸等狀態,有的是通過膠結物質使之相互連接接觸.并且對土顆粒的微觀形狀、大小、聯結形式以及孔隙的形狀和大小也進行了觀察. 土體在循環荷載作用下大致分為3個變形階段:似彈性階段、彈塑性階段和軟化階段.筆者從微觀結構形態特征和變化規律的角度為這3個變形階段作了合理的解釋.在地鐵隧道運營以后,通過對剪應變監測和控制,把土體的變形控制在第Ⅰ階段(似彈性階段),從而保證地鐵列車的正常運行.參考文獻:[1] 林永國,廖少明,劉國彬.地鐵隧道縱向變形影響因素的探討[Ｊ].地下空間,2000,20(4):264-267.　　ＬＩＮＧＹｏｎｇ ｇｕｏ,ＬＩＡＯＳｈａｏ ｍｉｎｇ,ＬＩＵＧｕｏ ｂｉｎ.Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｎａｘｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌ[Ｊ].Ｕｎ ｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅ,2000,20(4):264-267.[2] 唐益群,黃　雨,葉為民,等.地鐵列車荷載作用下隧道周圍土體的臨界動應力比和動應變分析[Ｊ].巖石力學與工程學報,2003,22(9):1566-1570.　　ＴＡＮＧＹｉ ｑｕｎ,ＨＵＡＮＧＹｕ,ＹＥＷｅｉ ｍｉｎ,ｅｔａｌ.Ｃｒｉｔｉｃａｌｄｙｎａｍｉｃｓｔｒｅｓｓｒａｔｉｏａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｔｒａｉｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｉｌａｒｏｕｎｄｔｈｅｔｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒｓｕｂｗａｙｔｒａｆｆｉｃｌｏａｄｉｎｇ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,2003,22(9):1566-1570.[3] 李榴芬.珠江三角洲軟土微結構的掃描電鏡研究[Ｊ].中山大學學報(自然科學版),2001,40(4):102-105.ＬＩＬｉｕ ｆｅｎ.Ｓｔｕｄｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｓｏｆｔ ｓｏｉｌｆｒｏｍｔｈｅｐｅａｒｌｒｉｖｅｒｄｅｌｔａｂｙｍｅａｎｓｏｆＳＥＭ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳＵＮＹＡＴ ＳＥＮＵｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ),2001,40(4):102-105.[4]王艷玲.循環荷載作用下地鐵隧道-土層的動力穩定性研究[Ｄ].上海:同濟大學地下建筑與工程系,2002.　　ＷＡＮＧＹａｎ ｌｉｎｇ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｏｉｌｌａｙｅｒｉｎｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇ[Ｄ].Ｓｈａｎｇｈａｉ:ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ,2002.[5]周　建,龔曉南,李劍強.循環荷載作用下飽和軟粘土特性試驗研究[Ｊ].工業建筑,2000,30(11):43-47.　　ＺＨＯＵＪｉａｎ,ＧＯＮＧＸｉａｏ ｎａｎ,ＬＩＪｉａｎ ｑｉａｎｇ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｆｔｃｌａｙｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇ[Ｊ].ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｎｓｔｒｕｃ ｔｉｏｎ,2000,30(11):43-47.[6]ＨｕＲＬ,ＹｅｕｎｇＭＲ,ＬｅｅＣＦ,ｅｔａｌ.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｍｉ ｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｌｏｅｓｓｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ[Ｊ].Ｅｎ ｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ,2001,59(3-4):203-217.