CN110186788A - 一种越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法 - Google Patents

一种越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法 Download PDF

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Abstract

一种越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，包括以下步骤：(1)在双向动三轴仪中装好土样，打开排水阀门，设定相应的固结压力对黏土试样进行排水固结；(2)排水固结完成后调整围压至相应的大小，保持排水阀门开启，待孔隙水压大小与反压大小相同；(3)关闭排水阀门，施加频率为1HZ的竖直向循环应力与水平向循环应力；(4)循环加载过程中记录土体的轴向应变的变化，循环采集一次数据；(5)根据试验数据，拟合轴向应变随加载次数变化的函数关系式。本发明方法试验操作简单，得到的结果简洁，便于推广和使用。

Description

一种越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法
技术领域
本发明涉及地铁地基软黏土的动力特性试验技术领域，尤其涉及一种检测和预测越江地铁荷载作用下软黏土的轴向累积应变的方法。
背景技术
在城市地铁建造过程中，由于线路、环境等因素的制约，难免要穿越江、河、湖泊乃至海洋等特殊区域，形成富水区域条件下的城市地铁越江隧道，目前我国有越来越多的城市相继开建或已建成穿越软弱土区的过江地铁隧道。由于上覆土层变动以及水位变化明显，越江地铁隧道的变形往往更大；且越江地铁对于防渗的要求高，若隧道的变形过大，将对地铁的安全运营造成不利的影响。
地铁循环荷载造成的软黏土轴向累积应变式软土地区地铁工后变形的重要组成部分，通过试验得到越江地铁荷载作用下软黏土的轴向应变的变化情况可用于地铁沉降的预测。已有的软黏土动三轴动力特性试验可分为常规的单向循环加载试验以及双向循环加载试验。地铁荷载为双向动应力，因此采用常规动三轴单向循环加载试验与实际的荷载情况不符；已有的双向循环加载试验在试验波形、动应力大小、加载条件等方面各有不同，都与越江地铁荷载具有一定的差异，得到的结果往往也无法反映越江地铁作用下软黏土真实的动力特性。因此，亟待提供一种有效的试验测定越江地铁荷载作用下软黏土的动力特性的方法来克服上述缺陷。
发明内容
为了克服现有技术无法有效试验测定越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的不足，本发明提出一种有效的动三轴试验方法，得到越江地铁荷载作用下软黏土的轴向应变，并预测随循环加载次数的增加轴向应变增长的情况，以解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
一种越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，包括以下步骤：
(1)在双向动三轴仪中装好土样，打开排水阀门，设定相应的固结压力对黏土试样进行排水固结；
(2)待2小时内试样的反压排水量小于0.012cm3，结束排水固结，调整围压至相应的大小，排水阀门保持开启状态，待孔隙水压大小与反压大小相同方可进行步骤(3)；
(3)关闭排水阀门，施加频率为1HZ的竖直向循环应力与水平向循环应力，；
(4)循环加载过程中记录土体的轴向应变的变化，循环采集一次数据，每次循环采集设定数量个数据点；
(5)根据试验数据，拟合轴向应变随加载次数变化的函数关系式。
进一步，所述步骤(1)中，所采用的固结应力为有效固结应力p′c，有效固结应力根据地勘报告中越江地铁隧道穿越江底主要土层的土体先期固结应力进行取值。
再进一步，所述步骤(2)中，所述的围压为有效围压p′，与越江地铁上覆土层的厚度有关；取值时根据该河床冲於线进行确定，根据淤积最大值得到的上覆土层厚度计算最大围压，根据冲刷最大值得到的上覆土层厚度计算最小围压；在最大围压与最小围压之间选取3～5个不同的围压模拟越江地铁上覆冲於的不同工况。
更进一步，所述步骤(3)中，竖直向循环应力与水平向循环应力为偏压正弦波，波形的示意图分别如图1和图2所示。竖直向循环应力大小为30kPa±20kPa，水平向循环应力的幅值与竖直向循环应力幅值之比分别取0.8、0.5、0.2、0，模拟地铁轨道下方0～2m、2～4m、4～8m以及8m以下土体所受到的水平向动应力。
所述步骤(4)中，所述轴向累积应变为一个周期内以0.05s的时间间隔取20个轴向累积应变所得到的平均值。
所述步骤(5)中，对越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变随加载次数的变化进行拟合时采用的函数为其中a、b、c分别为拟合参数，N为循环加载的次数，τr为水平向循环应力幅值与竖直向循环应力幅值之比，p′为循环加载时的有效围压。
本发明的有益效果为：采用双向动三轴仪对越江地铁隧道地基土进行双向动三轴试验，获得越江地铁循环荷载作用下软黏土轴向应变的变化规律，从而预测越江地铁运行时地基土体的轴向应变随循环加载次数的增长情况。试验的加载条件、波形、动应力根据越江荷载的特征进行选取，能够较为准确地反映实际工况；同时动三轴仪普及度高，在实际工程中应用较为方便。
附图说明
图1为本发明竖直向循环应力的波形图；
图2为本发明水平向循环应力的波形图；
图3为本发明的实现流程图；
图4为本发明得到的轴向累积应变拟合曲线。
具体实施方式
现结合附图以及具体的实施例对本发明进行进一步描述。
参照图1～图4，一种越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，包括以下步骤：
(1)在双向动三轴仪上安装好土样，打开排水阀门，分级对试样进行反压饱和，待土体的孔隙水压系数B值达到0.97时可认为土体试样达到饱和；排水阀门保持开启状态，采用有效固结应力p′c＝250kPa对试样进行等向固结。
(2)记录固结阶段试样的反压体积变化，待2小时内试样的排水量小于0.012cm3，结束排水固结阶段，根据河床冲於线，将不同试样的有效围压分别调整至150kPa、200kPa及250kPa以模拟地铁隧道上覆土层分别为8m、13m和18m的工况，围压调整后，待孔隙水压大小与反压大小相同方可进行动力加载；
(3)关闭排水阀门，设置竖直向循环应力与水平向循环应力的参数；对试样施加循环荷载，加载次数为20000次。
进一步地，该步骤包括：
3.1)竖直向循环应力的型式如图2所示，是频率为1HZ的偏压正弦波，循环应力的大小在10～50kPa之间，循环应力的基准值为30kPa，循环应力的幅值为20kPa。
3.2)水平向循环应力的型式如图3所示，水平向循环应力与竖直向循环应力相位频率均相等；水平向循环应力的幅值与竖直向循环应力幅值之比分别取0.8、0.5、0.2、0以模拟不同深度土体水平向动应力情况，因此不同试样水平向循环应力幅值分别为16kPa、10kPa、4kPa和0kPa。
(4)在循环加载过程中记录土体轴向累积应变的大小，每5个周期采集一次数据，每周期采集20个数据点，所述轴向累积应变与孔隙水压力为一个周期内20个数据点的平均值。
(5)根据试验数据，拟合轴向应变随加载次数变化的函数关系式。
进一步地，该步骤过程如下：采用函数对越江地铁循环荷载作用下软黏土的轴向应变随循环加载次数增长的情况进行拟合。
采用本发明的方法，取钱塘江附近杭州机电职业技术学院的粉质黏土进行动力特性试验，根据本发明提出的加载方式对越江地铁循环荷载进行模拟，得到土体的轴向累积应变，并用本发明提出的数据处理方法对二者进行拟合，以预测在越江地铁荷载作用下土体轴向应变εd的增长情况，得到的拟合参数见表1。拟合曲线如图4所示。
表1
本发明提出的越江地铁荷载作用下软黏土轴向累积应变的检测及预测方法，可以用于越江地铁工后沉降的计算。该方法操作简便，试验仪器普及度高，试验数据处理方法简单，得到的轴向应变简洁，便于在计算中使用，因此具有良好的推广前景。

Claims (6)

1.一种越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在双向动三轴仪中装好土样，打开排水阀门，设定相应的固结压力对黏土试样进行排水固结；
(2)排水固结完成后，调整有效围压至相应的大小，有效围压p′须根据越江地铁上覆土层厚度进行取值；保持排水阀门开启，待孔隙水压大小与反压大小相同方可进行动力加载；
(3)关闭排水阀门，分别在竖直方向上和水平方向上施加频率为1HZ偏压正弦波，竖直向循环应力与水平向循环应力的相位须一致；
(4)循环加载过程中记录土体的轴向应变的数值，循环采集一次数据，每个循环周期采集设定数量个数据点，对一个周期内设定数量个数据点取平均得到该周期内轴向累积应变εd的大小；
(5)根据试验数据，拟合轴向应变随加载次数变化的函数关系式。
2.如权利要求1所述的越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所采用的固结应力为有效固结应力p′c，有效固结应力根据地勘报告中越江地铁隧道穿越江底主要土层的土体先期固结应力进行取值。
3.如权利要求1或2所述的越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述的有效围压p′与越江地铁上覆土层的厚度有关；取值时根据该河床冲於线进行确定，根据淤积最大值得到的上覆土层厚度计算最大围压，根据冲刷最大值得到的上覆土层厚度计算最小围压；在最大围压与最小围压之间选取3～5个不同的围压模拟越江地铁上覆冲於的不同工况。
4.如权利要求1所述的越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，竖直向循环应力的大小在10～50kPa之间，基准值为30kPa，循环应力的幅值为20kPa。不同试样水平向循环应力的幅值与竖直向应力幅值之比分别取0.8、0.5、0.2、0，模拟地铁轨道下方0～2m、2～4m、4～8m以及8m以下土体所受到的水平向动应力。
5.如权利要求1或2所述的越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述轴向累积应变为一个周期内以0.05s的时间间隔取20个轴向累积应变所得到的平均值。
6.如权利要求1或2所述的越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变的试验及预测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，对越江地铁荷载作用下软黏土轴向应变随加载次数的变化进行拟合时采用的函数为其中a、b、c分别为拟合参数，N为循环加载的次数，τr为水平向循环应力幅值与竖直向循环应力幅值之比，p′为循环加载时的有效围压。
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