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1、第32巻第6期2004年6月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TONG I UNIVERS1TY(NATURAL SCIENCE)Vol. 32 No. 6Jun. 2004唐益群I，王艳玲I,黄雨I,周载阳2（1 PJ济大学地下逮筑与工程系.上海200092:2琢设部综合勤察设计院.北京100007）:通过对南京地铁三山街站底部的原状淤泥质粉质粘土进行循环三轴仪的室内动三轴试验采用一定的动应 力频率、不同的动应力比以及不同的固结状态来模拟地铁行车荷栽及隧道周團土体研究了在地铁行车循环荷載 长期作用下淤泥质粉质粘土的动强度和动应力动应变的变化规律实验结果表明.淤泥质粉质粘土的动强
2、度随 动荷栽循环次数的增加丽降低.在设计基础时.所取土的狱度指标必须根据一次列车的动荷栽大小及其循环次数 而定:淤泥质粉质粘土在地铁列车循环荷载作用下的动应力动应变关系的形式仍可用R L. Kondner的双曲线 关系描述:土体的动剪切模量、动抗剪强度等具有随动应变值的变化而变化的规律.:行车荷载：动三轴；动強度：动应力-动应变关系；试验研究:TU 411.8: A: 0253 374X（2004）06 0701 04Dynamic Strength and Dynamic Stress-strain Relationof Silt Soil under Traffic LoadingTANG
3、 Yi-qun , WANG Ycurling , HUANG Yu , ZHOU Zaryang2(1. Department of Geotechnical Engineering .longji University .Shanghai 200092 .China:2 Comprehensive Institute of Geotechnical Investigation and Surveying .Beijing 1000()7 .China)Abstract: Through laboratory tests on original silt soil of Sanshan St
4、ation Nanjing subway by using the typical triaxial test machine .definite dynamic stress frequency and different dynamic stress ratio ,differ ent consolidation state is adopted to simulate the traveling train loading and soil condition The thesis studies the dynamic strength and stress-st rain relat
5、ion of silt soil under subway traffic loading. And the research shows that the dynamic strength falls as the cycle of the dynamic loading increases ,and when we design the foundation ,soil intensity should be decided according to the traffic loading and cyclic times Il also shows that the dynamic st
6、rength and stress-strain relation of silt soil under subway traffic loading can be described as R L Kondner hyperbola In addition .the research educes the rules of the dynamic elasticity modulus and dynamic shear strain of the silt soil.Key words : train traffic loading : dynamic trraxial test; dyna
7、mic strengh : dynamic stress-st rain relation ;tests research6 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第32巻第6期2004年6月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TONG I UNIVERS1TY(NATURAL SCIENCE)Vol. 32 No. 6Jun. 20046 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Hou
8、se. All rights reserved, 第32巻第6期2004年6月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TONG I UNIVERS1TY(NATURAL SCIENCE)Vol. 32 No. 6Jun. 2004长期以来循环荷载研究大多集中在由地震作 用引起的土的变形性状问题上随着高速公路、地铁 和轻轨建设的日益増多对于类似地铁列车振动荷 载之类的具有作用时间长.并有一定作用周期的循6 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第32巻第6期20
9、04年6月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TONG I UNIVERS1TY(NATURAL SCIENCE)Vol. 32 No. 6Jun. 20046 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第32巻第6期2004年6月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TONG I UNIVERS1TY(NATURAL SCIENCE)Vol. 32 No. 6Jun. 2004收稿日期:2003.0521基金项目：国家自然料学基金资助项目（4037
10、2124）:上海市重点学科建设资助项目作者简介：唐总群（1952）男江苏常熟人教授.博士生导Ip. E-mail: langyiqun6 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系703环荷载可能产生的破坏也正在引起人们的高度 重视，国内已有多个由于行车振动荷载作用而导致 基础破坏的实例例如上海地铁建成投付使用以 后.发现隧道中行驶列车的振动对隧道周围土体强 度和变形有较大影响（隧道轴线的沉降明显）而且 这种影响与地铁
11、列车运行状态有很大的相关性再 如在一些软土路基上修建的高速公路经过一段时 间的运营后发生路面开裂和倾斜影响道賂的正常 使用2亠因此，研究在行车荷载作用下地铁隧道和 路基周围土体的强度和变形控制问题具有重大意 义.交通工具运行时的振动荷载作为一种特殊的循 环荷载既不同于静荷载也不同于地震荷载而是 长时间往复施加的循环荷载因此有必要研究行车 振动荷载作用下土体的动力稳定性本文就南京地 铁一号线为背景，以其经过的淤泥质粉质粘土为对 象进行隧道周围土体动强度和动应力应变关系 的研究很多土在低应力水平时应力应变关系符合 应变软化型但对于像地铁列车荷载这样一种长期 作用的特殊循环荷栽的情况这方面的研究还甚
12、少. 本文主要针对正在修建中的南京地铁工程通过大 量的室内试验结合南京地铁三山街车站附近的地 质条件取得了一些在地铁行车荷载作用下隧道周 围土体的动强度和动应力应变关系的研究成果.1本次试验取用南京地铁三山街车站底部的淤泥 质粉质粘土的原状土 其常规试验数值见表1 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系7031994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing
13、House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系703Thb. 1 Ma hi physical and nrc han kul properties of the test soil湿密度0/ (g cm -)干密度d/ (g cm 3)饱和度sr/ %直剪i快剪）压缩性含水质量 分数w! %孔隙比e内聚力内摩擦角cVkPaW（）系数 00.1*0.2 /MPa 1模量Ej MPa501.751.23951.2112150.4754.5注:由室内试脸測得淤泥质粉质粘土的静止傅压力系数为0.46.1994-2010 China Aca
14、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系7031994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系703本次试验仪器主要选用由美国引进的CKC单 向激振型循环三轴仪简谐激振力频率为02 Hz. 所用试样为高80 mm、直径39.1 mm的圆柱体周 压为01.2 MPa.最大循环应变范围为10轴
15、向最大激振力为2 500 kN.仪器设有动应 力、动应变和孔隙水压力测试系统分析所需的参数 可直接从表头读出或由记录仪绘出可测定的参数 有:动弹模量.动阻尼比,液化强度等.本试验针对南京地铁三山街车站底部的淤泥质 粉质粘土 研究地铁列车循环荷栽作用下隧道周围 土体的动强度特性通过CKC动三轴仪器模拟列车 振动列车在行进过程中施加给土体的动荷载主要 与列车的激振力、激振频率及列车行驶速度和加速 度有关考虑到列车及隧道体系施加给隧道底部的 附加应力在2040 kPa之间（取隧道轴线埋深11 13 m时的工况）等向固结时，围压在100 kPa左 右取附加应力为d值动应力比R（ R= d/2 c, d
16、为竖直方向的列车振动荷栽c为侧压力大小） 约为0. 10. 2.综合现场及土体的各种因素.试验 过程中采用的频率为2 Hz,动应力比为0. 1 .0.2, 0.3 04.在固结比心=1.00或瓦= 0.46的固结 情况下进行试验固结时采用分级加载固结稳定标准为试样每小时轴向变形不超过0.005 mm.2土体的动强度是指土在一定的动荷载反复作用 下产生破坏应变所需的动应力.为达到此破坏应变, 可采用较大的动应力d值、较少的反复作用次数 “:也可采用较小的动应力d值、较多的反复作用 次数的方法因此研究土的动强度必须与动荷 栽的反复次数及土的变形相联系还要与土的性质、 施加动荷栽的特点（变化规律、频
17、率大小等）相联系. 而破坏的变形量则应根据具体工程的要求而定.如果指定动荷载频率厶=1 Hz,土样破坏时指 定应变量P = 5%.则试验得出淤泥质粉质粘土的 d与log ”关系曲线如图la所示:在此图上求出振 次” =10 ,100 .1 0000 000时的动抗剪强度线，从 而得出地铁列车循环振动荷载作用的不同振次下土 体的动强度指标具体数据见表2 :根据以上数据可 得到淤泥质粉质粘土的动抗剪强度也与地铁列车 振动荷栽的循环次数“的关系图，见图lb.2 匕=1 也 p = 5 %5000刃 On nIg nlab. 2 Kc = l Ffc, p = 5% dynamic strength
18、index振动次敌总应力固结围压动荷栽 动内聚力动内摩擦角n |/kPa VkPa /kPa cy kPa101181772416010014058771011012.0110605010016810068710.82321409210160411 00015810058411.02201408095603510 0001501005038.021414074循环次数值较小时下降速度较快随着循环次数的 増加动抗剪强度变化速度减缓开始趋于稳定这 正好可以解释在小于临界动应力的地铁列车循环荷 栽作用下隧道周圉土体的永久应变值随振动次数 的增加而变化的情况据此在设计地铁隧道或轨道 基础时所取土的强度
19、指标要根据一次地铁列车的 行车振动荷载大小及其循环次数而定根据文献 4.淤泥质粉质粘土的动强度随指定的破坏应变值 的增大而增大因此在隧道工程设计中必须根据具 体工程的要求合理定出破坏应变值以减少行车振 动荷载对隧道周围土体强度和变形的影响延长隧 道使用寿命从本试验研究中可以知道在 后=1 .P = 5%,初始应力状态的固结围压3 =60140 kPa的情况下，南京地铁三山街车站底部的淤泥质 粉质粘土的内摩擦角玄约在8。12范围内内聚 力Cd值约在310 kPa范围内.31994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. A
20、ll rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系703Fi斗 1(i and lg n relation cirve1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系7031994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关
21、系703所取淤泥质粉质粘土在静载下的强度指标为 c=12 kPa,0=20.结合表1 ,很显然.地铁列车循 环荷载作用下隧道周SI 土体的动强度要低于静载下 的强度从表2还可以看出土的动内摩撩角随循环 次数增加的变化不是很明显:而根据图lb,土的动 抗剪强度随动荷栽连续循环次数的增加而降低，且 80 y- 6 = 60 kPa通过对本次试验结果的分析还可以得到在一 定的振动时间下动应力d与动应变d的数值，绘 出对应一定固结比、围压3分别为60 kPa和80 kPa时d和d的关系曲线（E2a）.也可绘出1/ & （动弹性模量）与d（图2b）、目与d（图2c）的关系 曲线.1994-2010 Ch
22、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系7031994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系7036020T- 6 = 80 kPa1208040 Jd运二 P 二)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing
23、 House. All rights reserved 第6期唐益群等地铁行车荷栽下土体动强度和动应力应变关系703o 5与104M% b 1 fE.与 S484c矗与“82dJ/ EdEddFig. 2 Dynamic stress “1/ Ea9 Ed and strain d relation cirvcd/ d所以图2a是淤泥质粉质粘土试样在振动时间/ =60 min J = 2 Hz时.动荷栽d和动应变d在不同 围压作用下的关系图.图2b,c则是上述条件下 1/ &与八丘与d关系曲线可以看出J/ Ed与d关系近似为直线表达式，即1/ Ed= + d（fl为 截距为斜率）.整理得Ed=
24、l/（“+庇；而d =a + b由此可知.此种淤泥质粉质粘土在地铁列车循 环荷载作用下的动应力-动应变关系的形式仍可用 R.L Kondner的双曲线关系描述图2b的关 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 704同济大学学报(自然料学版)第32卷系曲线方程如下：3 = 60 kPa 时，1/ Ed = 1.6 d +0.036,相关系数=0.986 23 = 80 kPa 时，1/ Ed= 1.2 d + 0.031 .相关系数=0.966 5根据上式.可以得到 乩=
25、0.46时.不同围压下 淤泥质粉质粘土的和h值及最大动弹性模量瓦d， 同时也可得到相应最大的动剪切弹性模量 = od/2(l+ )(为所取淤泥质粉质粘土的泊松 比.这里 =0. 35).各参数具体情况如表3.3lab. 3Ara meter tablekPao/kPn*bMPaGJMPh600.0361.62.81.04800.0311.23.2L 19此外根据公式d = d(1 +)，以及Gd =Ed/2(1 +)可求得相应的d及6值具体结果见图3ab.1/ Gd, d dFig. 31/ Gd d and d relation curve试验结果表明.地铁列车振动荷载作用下所取 淤泥质粉质
26、粘土的动弹性模量Q、动剪切模量Gd 随固结压力、动应变的变化幅度的不同而异在相同 固结比条件下它们随固结压力值増大而増大，随 d值増大而减小：应变较小时这种趋势更加明显, 曲线斜率大:应变较大时这种趋势不再明显趋于平 缓这跟施加激振力的初始阶段变形迅速，而后逐渐 平缓的试验现象是一致的.在加荷的初始阶段先 有一个瞬间变形这时应变值虽然较小但动剪切模 量却有很大的变化因此在地铁列车振动荷载作用 下隧道周围土体迅速变形随着应变的増加剪切 模量变化趋于缓和.也就是说激振力作用一段时间 后.土体的反应不再像初始阶段那么明显变形将以 蠕变为主因此曲线呈现先陡后平的趋势.4从上述的试验结果及分析可知，在地
27、铁列车振 动荷载作用下淤泥质粉质粘土的动强度随动荷载 连续的循环次数的増加而降低因此在设计地铁隧 道时所取土的强度指标要根据一次地铁列车的动 荷载大小及其循环次数而定.南京地铁隧道周围淤 泥质粉质粘土的动应力动应变关系仍可用R.L. Kondner的双曲线应变软化模型表示.动剪切模量、 动抗剪强度具有随剪应变的增长而变化的规律动 力试验中的部分试验现象由此得以解释.此番对地 铁行车荷载作用下陡道周围土体的动强度和动应力 应变关系的试验研究结果对地铁隧道的设计具 有重要参考价值.IH 徐干成郑颍人饱和砂土动应力应变持性的试脸研究IJI土 木工程学报.1995 .28(2) :63 - 71.|2
28、|周逮典晓南衡环荷載作用下饱和软粘土应变软化研究 J|. 土木工穆学报.2000.33(5) :75 82.131淆昌实谢正光地铁区间陡道列车振动测试与分析J土木 工程学按.1990 .23(5) :21 - 28.|4|颈埼曾阳生何玉佩特定循环荷载下砂、粘性土的性状 A.全国土工逮筑地基抗震学术讨论矣C.西安：s.n. 1986. 196 - 202.15畅 丹吴世明陈龙珠衔环荷裁下饱和粘土的变形特性及计 WIAJ.第三届土动力学学术会议IC.上海：同济大学出版社. 1990. 103 - 106.【6曹新文蔡 英铁路路基动态特性的模型试脸研究【西南 交通大学学报1996 .31(1) :36 - 41.【7|甸澎旺.往复荷载作用下重塑软粘土的变形特性JI岩土工程 学报.1991 ,13(1) :48 - 53.|8|王艳玲徊环荷载作用下地铁成道一 层的动力稳定性研究 ID上海:同济大学地下逮筑与工程系.2002(编辑:陶文文)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,