摘要:位于或穿越饱和软粘土层中的地铁隧道在运营之后,沿轴线产生较大的沉降量,很大程度上与饱和软粘土在地铁振动荷载作用下土体微观结构的变形和破坏、发生残余变形有关.通过扫描电镜试验对饱和软粘土颗粒的微观性状进行了研究,从土的微结构基本单元的形状和大小、基本单元体的接触状态、基本单元体间的联结形式、孔隙的形状和大小以及土体变形3个阶段的力学特性等方面进行较深入的研究.另外,将原状土和循环三轴试验破坏后两种状态的土样作了对比,从微观的角度解释了土体的变形机理.研究成果对有效控制、避免或减轻隧道经过地区地面沉降灾害的发生,指导地铁工程的设计、施工以及地铁运行后沉降的预测评价和防治等提供了有价值的参考.
关键词:隧道工程;地铁振动荷载;饱和软粘土;微观结构;变形机理
饱和软粘土地区城市(如上海、杭州、广州、天津等地区)人口众多、房屋密集、街道狭窄、车辆拥挤,建设立体交通网络是解决交通拥挤状况的重要途径,而地铁建设就是其中的一个重要组成部分.例如,根据上海市交通规划,在“十五”期间要建设200ｋｍ的地铁,远期规划将投资2000亿元用于地铁建设,使总里程达到780ｋｍ.根据已经营运的1,2号地铁线和正在建设的地铁,其设计深度大多位于或穿越饱和软粘土层.在地铁运营中,几乎在整条线路上都有沉降,而且在某些地段上会出现较大的沉降量.根据有关监测资料,上海地铁1号线隧道在某些区段轴线沉降量比较大[1],很大程度上与饱和软粘土在地铁循环振动荷载作用下土体微观结构的变形和破坏及发生的残余变形有关.
伴随孔隙水压力变化的就是土体微结构的变化,虽然国内外有许多学者都在进行土体微结构方面的研究,并取得了可喜的成就,但真正研究地铁振动荷载作用下饱和软粘土微结构的变化规律也不多见.粘土不存在像晶体结构或分子结构那样固定而规整的组合模式,颗粒排列十分复杂,具有相当大的随机性.在循环振动荷载作用下,土体变形和位移主要由内部结构所致,结构单元体在土体变形过程中处于一种动态平衡,不同的时空土体微观结构具有其独特的变化特征.虽然国内外对粘土微观结构研究取得了许多研究成果,但大多处于理论探索阶段,真正利用微观结构研究取得的成果来解决具体的工程问题尚不多见.
由于饱和软粘土具有孔隙比大、天然含水量高、渗透性弱、压缩性高、抗剪强度低等特点,其工程性状也表现出自身特有的规律.因此,系统深入地开展对饱和软粘土微结构变形和破坏机理的研究,不仅对有效控制、避免或减轻地面沉降灾害的发生,指导地铁工程的设计、施工以及地铁运行后沉降的预测评价和防治等,而且对弄清不同循环荷载和不同振动频率作用下饱和软粘土的物理力学响应、应力应变特性、微结构的破坏特征及其过程、孔隙水压力消散等均具有重要的理论价值和实际意义.
笔者以饱和软粘土在地铁振动荷载作用下的物理力学特性研究为基础,以饱和软粘土微观结构变形和破坏机理为目标,利用扫描电镜试验,结合循环三轴试验对地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软粘土的动力性状的影响开展有关研究工作.通过本课题的研究,有望对饱和软粘土微观结构变形和破坏机理方面做出一点学术探索性工作.
1 样品制备
笔者以上海地铁建设中饱和软粘土的微观结构及其工程性状为研究对象,进行微观结构变化机理的研究.由于上海饱和软粘土地区地铁埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,地铁隧道周围的土体主要是第③层淤泥质粉质粘土和第④层淤泥质粉质粘土,因此本次研究的主要对象是第③层和第④层的饱和软粘土.
试样可分为两种:原状土试样和循环三轴试验破坏后土试样.
为了保证扫描电镜观察的微结构图像真正反映试样本来的形貌,对试样的制备必须满足以下要求[2]:①采集的样品必须保持其原来的状态(包括原状土和循环三轴试验破坏后两种状态的样品).②土样在失水干燥过程中,应尽量避免形变.③试样制备时,观察表面不要受到扰动和破坏.④喷镀导电物质的厚度要适宜.根据样品不同,厚薄不一.如土样喷镀金膜其厚度一般在20～50ｎｍ.
用于微结构研究的土样制备流程为[3]:①按要求取土样的一部分.当土仍有一定的含水量时,用手掰开,尽量不用机械刀具等.粘性较大的土样不易掰开,如果其内部有光滑面存在,则很容易沿着光滑面掰开,而所观察的微结构形态则是该部分光滑面的微结构的特征.所以制备试样时,注意选取能代表该土样微结构特征的部位.②将土样按观察的方向掰成一定尺寸的大小,然后在放大镜下选取断面较平整的试样.③将上述制好的试样进行干燥,本次试验采用烘干法干燥.试样在烘干箱内保持一定的温度(小于100℃)和时间进行烘干.④将干燥的试样置于喷镀仪中,喷镀一层导电物质(金或碳金).
按照上述的方法和要求,将循环三轴试验前后的土样制备成符合要求的试样.
2 观察结果
首先,对扫描电镜下的土颗粒的接触状态、形状、大小、联结形式以及孔隙的形状和大小进行观察和描述.然后基于这些观察结果,对土体的微观结构变形机理做进一步研究.
2.1 基本单元体的接触状态
粘土竖直面具有较多的片状或板状聚体,多呈面—面、边—面、边—边、边—角等接触状态(如图1所示);而水平面具有较多的粒状聚体,较难分出面和边,呈现直接接触、镶嵌接触等状态,有的是通过胶结物质使之相互连接接触(如图2所示).
2.2 微结构基本单元的形状和大小
在一定的放大倍数下,具有明显物理界限者,称之为微结构的基本单元体,单元体分为一级和二级,一级单元体为具有较强的原始内聚力,一般是较难分开的微凝聚体,二级单元体一般是由一级微凝聚体集合或片状或板状的聚集体或粒状集合体.
从图3和图4中可以清楚地观察到原状和循环三轴破坏后的饱和软粘土水平面和竖直面上的基本单元体的形状和大小.对比两图可以看出振动破坏后的土颗粒较为破碎,而且具有一定的定向性,这是由于经过振动后,土颗粒经过了重排的过程.
2.3 基本单元体间的联结形式
从上述几张照片中可以发现有的单元体直接接触联结,说明单元体外有某种物质(可能是电荷、水膜、胶膜等,在电镜下难以观察到)起到直接联结的作用;有的可以明显看出是胶结物质连接.至于联结物质及联结作用力,可以借助于化学分析或其他方法进一步研究,但这已不是本文研究的内容了.
2.4 孔隙的形状和大小
在扫描电镜下,能够观察到基本单元体之间的孔隙和跨几个单元体间的大孔隙,其形状和大小决定于单元体的边界条件和排列紧密状况.对比图3和图4可以看出经循环荷载振动后土体的孔隙明显变小,即土体颗粒有被压密的趋势.
3 变形机理分析
饱和软粘土主要为多孔疏松的蜂窝状结构,具有高孔隙比和水分.当地铁列车循环荷载作用到土体上时,土颗粒会因振动的影响而受到一定的惯性力.实质上主要是一种剪切力.由于饱和软粘土颗粒表面都有一层结合膜,从而使其具有一定的内聚力.当受到剪切力比较小(小于土颗粒表面的内聚力)时,土颗粒不发生移动,也就不会产生超孔压,其宏观表现为似弹性.荷载撤除后,变形恢复.即存在着一个似弹性的应力区,在此应力范围内,土体不产生残余变形(如图5所示,应力比小于临界应力比[4,5],循环次数ｎ很小时);随着荷载的加大,土颗粒将发生滑移,从而产生一定的变形量;当剪力继续增大,超过一定的数值时(即应力比大于临界应力比时),就会破坏土颗粒之间的联结强度和结构状态,而使土结构疏松,部分脱离接触,起先由土颗粒通过其接触点而传递的压力(有效压力),就要传给孔隙水来承担,引起孔隙水压力的显著增大,产生超孔隙水压.此时由于土体的强度破坏,当增大荷载时,极易产生残余变形[6].
利用循环三轴试验,采用典型正弦波加载,加荷频率为2.0ｈｚ(图4照片就是利用该土样拍摄的,因而达到了宏观微观的一致性),得出循环荷载作用下动剪应力与剪应变关系图,如图5所示.
综上所述,可将变形阶段归纳为以下三个阶段(如图5所示):
ⅰ阶段:所受剪应力较小,外力卸除后,变形基本能恢复,土体微结构完整,土颗粒状态与图3所示的状态相近似,振动前后土颗粒的结构无明显变化,荷载撤除后土颗粒结构恢复原来的状态,因而无残余变形,土体表现为弹性状态,为似弹性阶段.
ⅱ阶段:所受剪应力超过一定值时,土颗粒滑移,土体微结构发生变形.这是一个能量积累的过程,当剪应力能积累到一定的程度,大于部分土颗粒之间的结合能时,土颗粒发生滑移,土体的微结构发生部分破坏,从而土体发生残余变形,这一阶段反映土体的弹塑性性状,为弹塑性阶段.
ⅲ阶段:所受剪应力继续增大时(应力比大于临界应力比),土体微结构完全破坏,土体强度降低,应变趋于无穷大,土体发生“软化”,称为软化阶段.这一阶段是由于剪应力的增大,导致了剪应力能的继续增大,当剪应力能大于所有土颗粒之间的结合能时,土体的微结构就完全破坏,土颗粒之间的联结力完全消失.在振动荷载的作用下,土颗粒就会发生水平、竖直方向的移动和旋转,最终达到一个最稳定的状态,这就是前文提到的“重排”现象.从能量的原理可以知道,经重排后的土颗粒应具有一定的定向性.由于振动的作用土颗粒之间的孔隙被压密,从而产生了残余变形.
随着振动次数的增长,土体的结构强度将发生疲劳,土颗粒间的粘聚力下降,将使土体产生变形,如果应力不是很大,并且维持不变,此变形将趋于一个定值,这也就与循环三轴试验结果相一致.
由以上结果可以得出,在不同的应力阶段,土体的微结构变形机理是不同的.同样,这一结果可较好地验证循环三轴试验所得到的试验结果.
可见,地铁行车时隧道周围土体应处于第ⅰ阶段(似弹性阶段).如果超出这一阶段,土颗粒滑移,土体微结构破坏,土体就会产生残余变形,隧道轴线将产生较大的沉降量,就会影响地铁列车的正常运行.
本次试验的对象为上海市第③层淤泥质粉质粘土和第④层淤泥质粉质粘土,上海饱和软粘土地区地铁埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,因此试验结果具有一定的代表性.在工程实践中可以通过对隧道周围的土体进行变形监测,使土体的剪应变小于临界值(本次试验得出的临界值为0.0028～0.0033),把土体的变形控制在第ⅰ阶段,使其不产生残余变形,从而使地铁列车正常运行.
4 结论
饱和软粘土地区地铁隧道在运营以后,沿轴线产生较大沉降量的问题,虽然是受多种影响因素控制的,但在很大程度上与饱和软粘土在地铁循环振动荷载作用下发生残余变形有关,而饱和软粘土的残余变形始于地铁荷载作用下孔隙水压力的变化、土体微观结构的变形和破坏,其发生和发展表现为一个从量变到质变的过程.本文仅仅从土体微观结构的变形和破坏机理方面进行初步的研究.当然,地铁隧道盾构施工、地铁附近的桩基与基坑开挖的施工等都会引起地铁隧道周围饱和软粘土结构扰动.目前,笔者正在进行地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软粘土在受压应力、剪切应力、旋转应力条件下土的微观结构形态特征和变化规律的研究,施工引起应力场变化与地铁振动荷载的耦合作用以及时空效应也将作为本科研项目的研究重点,通过研究不同应力条件下土的这些微结构变化特征,从而反过来验证行驶列车振动后隧道周围饱和软粘土的应力变化特点.
通过扫描电镜试验对土体的微观结构进行研究,观察到粘土竖直面具有较多的片状或板状聚体,多呈面—面、边—面、边—边、边—角等接触状态;而水平面具有较多的粒状聚体,较难分出面和边,呈现直接接触、镶嵌接触等状态,有的是通过胶结物质使之相互连接接触.并且对土颗粒的微观形状、大小、联结形式以及孔隙的形状和大小也进行了观察.
土体在循环荷载作用下大致分为3个变形阶段:似弹性阶段、弹塑性阶段和软化阶段.笔者从微观结构形态特征和变化规律的角度为这3个变形阶段作了合理的解释.在地铁隧道运营以后,通过对剪应变监测和控制,把土体的变形控制在第ⅰ阶段(似弹性阶段),从而保证地铁列车的正常运行.
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