E799-地铁振动荷载作用下粘土冻融前后动力特性研究 下载积分：150　资料编号： E799

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Word版说明书1份，共157页，约100000字

CAD版本图纸，共8张

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，所得到的临界状态线斜率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、单元网格尺寸大小和粘弹性边界条件等因素，计算模型为二维隧道断面。地铁振动荷载作用下，土体的动力响应在隧道左右两侧是对称分布的；距离振动荷载越远，所受影响越小；振动荷载的能量在软粘土中传播时衰减得很快，大部分能量是向下传递的，使下方的土体产生位移，挤压两侧土体，导致地表产生不均匀沉降；隧道周围土体的加速度是由一系列频率和幅值不同的谐波叠加而成的，加速度时程曲线经过快速傅里叶变换可得到加速度的幅频曲线，地铁振动引起土体振动的优势频率主要集中在5~25Hz范围内。

关键词：动三轴试验；冻融土；动力特性；动本构模型；能量耗散；微观结构；分形维数

目  录

第一部分：地铁振动荷载作用下粘土冻融前后动力特性研究

1 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 土体动本构模型研究现状 2

1.2.2 冻融作用下软粘土物理力学特性研究现状 4

1.2.3 循环荷载作用下软粘土动力特性研究现状 5

1.2.4 软粘土微观结构研究现状 10

1.2.5 土体动力特性数值模拟研究现状 12

1.3 研究内容 13

1.4 研究方法和技术路线 15

1.5 本文主要创新点 16

2 软粘土动本构模型的理论研究 17

2.1 引言 17

2.2 土体的动本构模型 18

2.2.1 骨干曲线 19

2.2.2 滞回曲线 23

2.3 循环荷载作用下土体能量关系 24

2.4 本章小结 27

3 粘土冻融前后动力特性的室内试验研究 29

3.1 引言 29

3.2 试验方案 30

3.2.1 试验仪器 30

3.2.2 试验准备 31

3.2.3 试验过程 33

3.3 静三轴试验数据分析 35

3.3.1 应力-应变发展规律 35

3.3.2 孔隙水压力与应变发展规律 36

3.3.3 固结不排水试验中土体的应力路径 36

3.4 动三轴试验数据分析 39

3.4.1 软粘土冻融前后的动应力-动应变关系 40

3.4.2 循环荷载作用下粘土冻融前后的应变规律 45

3.4.3 循环荷载作用下粘土冻融前后的孔压发展特性 49

3.5 循环荷载作用下土体能量关系研究 53

3.6 本章小结 58

4 粘土冻融前后动力特性的微观机理研究 60

4.1 引言 60

4.2 扫描电镜试验 62

4.2.1 扫描电镜仪器 62

4.2.2 SEM试验方案 62

4.2.3 SEM试验结果分析 65

4.2.4 基于SEM的分形研究 78

4.3 压汞试验 83

4.3.1 压汞试验原理 83

4.3.2 压汞试验方案 85

4.3.3 压汞试验结果 86

4.3.4 基于MIP的分形研究 99

4.4 本章小结 108

5 地铁振动荷载作用下隧道周围土体动力响应数值模拟研究 110

5.1 引言 110

5.2 有限元软件介绍 110

5.3有限元模型的建立 111

5.3.1 模型尺寸与材料属性 111

5.3.2 单元类型与网格划分 112

5.3.3 荷载及边界条件 113

5.4 数值计算结果分析 116

5.4.1 模型振型分析 116

5.4.2 动力响应结果分析 118

5.5 本章小结 124

6 结论与展望 126

6.1 本文主要结论 126

6.2 研究展望 127

参考文献 128

第二部分：外文翻译及致谢

外文翻译 137

中文译文 149

致谢 157

附件：个人成果（一） 158

附件：个人成果（二） 176

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