本科论文（设计）地铁振动荷载作用下粘土冻融前后动力特性研究.docx

摘 要 随着城市轨道交通建设的飞速发展，人工冻结法在软土地区地铁隧道联络通道施工中的应用越来越广泛；冻结法施工之后，地铁隧道周围会残留大量的冻融土。在振动荷载作用下，隧道周围的冻融土和原状土会产生不均匀沉降，影响地铁的安全运营。本文以上海第⑤层灰色粉质粘土为研究对象，通过室内GDS循环三轴试验和标准应力路径静三轴试验，对循环荷载作用下饱和软粘土冻融前后的宏观动力特性进行研究；通过扫描电镜（SEM）试验和压汞（MIP）试验对循环荷载作用下饱和软粘土冻融前后的微观结构进行研究；通过有限元软件对列车经过地铁隧道某一断面隧道周围土体的动力响应进行了数值模拟研究。主要研究成果包括以下6个方面。 （1）土体的动本构关系具有非线性、滞后性和变形积累性三个特点；土体的骨干曲线主要包括粘弹性和弹塑性两种，通过屈服应力的概率密度函数，可以将Iwan模型与H-D模型、修正H-D模型以及M-D模型联系起来；H-D模型、修正H-D模型和M-D模型能够较好的拟合上海软粘土的骨干曲线；运用双曲线函数对加、卸载过程中土体的滞回曲线进行了拟合，通过积分得到加、卸载过程围成的面积；滞回曲线与横坐标围成的面积代表了土体在循环荷载作用下的能量变化，加载阶段为储能，卸载阶段释放能量，形成的滞回圈为阻尼耗散能；土体的阻尼耗散能实际为土体中颗粒之间的摩擦耗散能，土体内部颗粒的相互作用和重排，导致土体颗粒结构产生损伤，表现为土体试样发生塑性变形以及孔隙水压力的发展。 （2）静三轴试验中，对于不同的围压，试样的抗剪强度是不同的，强度随围压的增大而增大，而产生的超孔隙水压力也越大，试样越早破坏。对于围压分别为160kPa、200kPa和240kPa的冻融土试样，其最终破坏强度值比原状土试样分别高了5.8%、17.6%和40%。冻融土试样的有效内摩擦角和有效粘聚力分别为28°和8.699kPa；而原状土试样的有效内摩擦角和有效粘聚力分别为30°和7.461kPa，软粘土经过冻融作用之后，其有效内摩擦角是减小的，而粘聚力是增大的。冻融土试样的有效应力路径呈“S”形，而原状土试样呈“7”字形。将冻融土和原状土的极限应力状态点分别相连，所得到??临界状态线斜率M值分别为1.17和1.19，与根据临界状态线斜率公式计算所得M值1.167和1.2十分接近。 （3）动三轴试验中，发现随着加载次数的增加，土体的轴向应变和孔隙水压力逐渐发展并累积，呈现出先快后慢的趋势，而能量耗散、土体刚度和阻尼比是逐渐下降的；超孔隙水压力与加载次数的对数之间存在二次函数的关系；加载频率越低，动应力幅值越大，循环荷载作用于土体的时间越长，传递给土体的能量越多，土体应变和孔隙水压力发展越大，能量耗散也越大；加载频率1.0Hz与试样的本征模频率十分相近，试样由于产生共振效应而导致此时的阻尼比最大；在一个加、卸载过程中，土体的能量耗散能大约为加载做功能量的2%~10%；软粘土经过冻融之后，孔隙体积增大，在相同的循环荷载作用下产生的轴向应变和超孔隙水压力要比原状土试样大，冻结温度越低，试样变形越大，能量被土体的阻尼吸收越明显，但变形增量却由于土体的硬化而减小，阻尼耗散能逐渐减少。 （4）软粘土的土颗粒主要以片状形式分布，孔径较小的孔隙数量较多，土体孔隙体积越大，土体的形状越狭长；经过冻融后，土颗粒出现“组团”的现象，颗粒体积变大，颗粒之间的孔隙体积也变大，总孔隙率比原状土增大了10%左右；循环荷载作用会破坏土体的微观结构，导致颗粒散体、重排，孔隙体积被压缩，加载频率越低，动应力幅值越大，对土体颗粒的挤压破坏越严重，土体孔径分布越分散，而孔隙定向角分布越集中，各向异性率越高；冻融土试样的孔隙各向异性率较原状土高，而加载频率越小，动应力幅值越大的土样的孔隙定向分布各向异性率越高。粘土SEM图像中孔隙结构的分形维数值均在1.15~1.27之间，冻融土和原状土的分形维数随加载频率的增大先增加后减小，在1.0Hz处出现拐点；随循环应力比的增大是减小的，并与试样的残余应变近似呈线性分布。 （5）土体孔隙半径与进汞压力是一一对应的，进汞压力越高，进汞孔径越小；进汞体积与进汞压力的曲线呈非常明显的“Γ形”；进汞过程存在着“瓶颈”效应，出汞过程存在着“迟滞效应”；由于冻融作用，冻融土的孔隙体积要比原状土的孔隙体积大；加载频率越低，应力幅值越大，荷载传递给试样的能量越多，土体颗粒结构破坏的越多，孔径分布越分散，但孔径较小的孔隙所占的比例越大，孔径较小的孔隙比表面积越大，最可几孔径值越小。在MIP试验下，软粘土孔隙的分形维数值在2.65~2.88之间，冻融土和原状土的分形维数随着加载频率和循环应力比的变化趋势是相反的。 （6）通过数值模拟软件对地铁振动荷载作用下隧道周围土体的动力响应进行了数值分析，考虑了模型的粘土体阻尼、单元网格尺寸大小