地鐵振動(dòng)荷載作用下飽和軟粘土性狀微觀研究摘要:位于或穿越飽和軟粘土層中的地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)之后,沿軸線產(chǎn)生較大的沉降量,很大程度上與飽和軟粘土在地鐵振動(dòng)荷載作用下土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞、發(fā)生殘余變形有關(guān).通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)飽和軟粘土顆粒的微觀性狀進(jìn)行了研究,從土的微結(jié)構(gòu)基本單元的形狀和大小、基本單元體的接觸狀態(tài)、基本單元體間的聯(lián)結(jié)形式、孔隙的形狀和大小以及土體變形3個(gè)階段的力學(xué)特性等方面進(jìn)行較深入的研究.另外,將原狀土和循環(huán)三軸試驗(yàn)破壞后兩種狀態(tài)的土樣作了對(duì)比,從微觀的角度解釋了土體的變形機(jī)理.研究成果對(duì)有效控制、避免或減輕隧道經(jīng)過(guò)地區(qū)地面沉降災(zāi)害的發(fā)生,指導(dǎo)地鐵工程的設(shè)計(jì)、施工以及地鐵運(yùn)行后沉降的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和防治等提供了有價(jià)值的參考.關(guān)鍵詞:隧道工程;地鐵振動(dòng)荷載;飽和軟粘土;微觀結(jié)構(gòu);變形機(jī)理 飽和軟粘土地區(qū)城市(如上海、杭州、廣州、天津等地區(qū))人口眾多、房屋密集、街道狹窄、車(chē)輛擁擠,建設(shè)立體交通網(wǎng)絡(luò)是解決交通擁擠狀況的重要途徑,而地鐵建設(shè)就是其中的一個(gè)重要組成部分.例如,根據(jù)上海市交通規(guī)劃,在“十五”期間要建設(shè)200ｋｍ的地鐵,遠(yuǎn)期規(guī)劃將投資2000億元用于地鐵建設(shè),使總里程達(dá)到780ｋｍ.根據(jù)已經(jīng)營(yíng)運(yùn)的1,2號(hào)地鐵線和正在建設(shè)的地鐵,其設(shè)計(jì)深度大多位于或穿越飽和軟粘土層.在地鐵運(yùn)營(yíng)中,幾乎在整條線路上都有沉降,而且在某些地段上會(huì)出現(xiàn)較大的沉降量.根據(jù)有關(guān)監(jiān)測(cè)資料,上海地鐵1號(hào)線隧道在某些區(qū)段軸線沉降量比較大[1],很大程度上與飽和軟粘土在地鐵循環(huán)振動(dòng)荷載作用下土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞及發(fā)生的殘余變形有關(guān). 伴隨孔隙水壓力變化的就是土體微結(jié)構(gòu)的變化,雖然國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者都在進(jìn)行土體微結(jié)構(gòu)方面的研究,并取得了可喜的成就,但真正研究地鐵振動(dòng)荷載作用下飽和軟粘土微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律也不多見(jiàn).粘土不存在像晶體結(jié)構(gòu)或分子結(jié)構(gòu)那樣固定而規(guī)整的組合模式,顆粒排列十分復(fù)雜,具有相當(dāng)大的隨機(jī)性.在循環(huán)振動(dòng)荷載作用下,土體變形和位移主要由內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致,結(jié)構(gòu)單元體在土體變形過(guò)程中處于一種動(dòng)態(tài)平衡,不同的時(shí)空土體微觀結(jié)構(gòu)具有其獨(dú)特的變化特征.雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)粘土微觀結(jié)構(gòu)研究取得了許多研究成果,但大多處于理論探索階段,真正利用微觀結(jié)構(gòu)研究取得的成果來(lái)解決具體的工程問(wèn)題尚不多見(jiàn). 由于飽和軟粘土具有孔隙比大、天然含水量高、滲透性弱、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn),其工程性狀也表現(xiàn)出自身特有的規(guī)律.因此,系統(tǒng)深入地開(kāi)展對(duì)飽和軟粘土微結(jié)構(gòu)變形和破壞機(jī)理的研究,不僅對(duì)有效控制、避免或減輕地面沉降災(zāi)害的發(fā)生,指導(dǎo)地鐵工程的設(shè)計(jì)、施工以及地鐵運(yùn)行后沉降的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和防治等,而且對(duì)弄清不同循環(huán)荷載和不同振動(dòng)頻率作用下飽和軟粘土的物理力學(xué)響應(yīng)、應(yīng)力應(yīng)變特性、微結(jié)構(gòu)的破壞特征及其過(guò)程、孔隙水壓力消散等均具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義. 筆者以飽和軟粘土在地鐵振動(dòng)荷載作用下的物理力學(xué)特性研究為基礎(chǔ),以飽和軟粘土微觀結(jié)構(gòu)變形和破壞機(jī)理為目標(biāo),利用掃描電鏡試驗(yàn),結(jié)合循環(huán)三軸試驗(yàn)對(duì)地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周?chē)柡蛙浾惩恋膭?dòng)力性狀的影響開(kāi)展有關(guān)研究工作.通過(guò)本課題的研究,有望對(duì)飽和軟粘土微觀結(jié)構(gòu)變形和破壞機(jī)理方面做出一點(diǎn)學(xué)術(shù)探索性工作.1 樣品制備 筆者以上海地鐵建設(shè)中飽和軟粘土的微觀結(jié)構(gòu)及其工程性狀為研究對(duì)象,進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)變化機(jī)理的研究.由于上海飽和軟粘土地區(qū)地鐵埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,地鐵隧道周?chē)耐馏w主要是第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,因此本次研究的主要對(duì)象是第③層和第④層的飽和軟粘土. 試樣可分為兩種:原狀土試樣和循環(huán)三軸試驗(yàn)破壞后土試樣. 為了保證掃描電鏡觀察的微結(jié)構(gòu)圖像真正反映試樣本來(lái)的形貌,對(duì)試樣的制備必須滿足以下要求[2]:①采集的樣品必須保持其原來(lái)的狀態(tài)(包括原狀土和循環(huán)三軸試驗(yàn)破壞后兩種狀態(tài)的樣品).②土樣在失水干燥過(guò)程中,應(yīng)盡量避免形變.③試樣制備時(shí),觀察表面不要受到擾動(dòng)和破壞.④?chē)婂儗?dǎo)電物質(zhì)的厚度要適宜.根據(jù)樣品不同,厚薄不一.如土樣噴鍍金膜其厚度一般在20～50ｎｍ. 用于微結(jié)構(gòu)研究的土樣制備流程為[3]:①按要求取土樣的一部分.當(dāng)土仍有一定的含水量時(shí),用手掰開(kāi),盡量不用機(jī)械刀具等.粘性較大的土樣不易掰開(kāi),如果其內(nèi)部有光滑面存在,則很容易沿著光滑面掰開(kāi),而所觀察的微結(jié)構(gòu)形態(tài)則是該部分光滑面的微結(jié)構(gòu)的特征.所以制備試樣時(shí),注意選取能代表該土樣微結(jié)構(gòu)特征的部位.②將土樣按觀察的方向掰成一定尺寸的大小,然后在放大鏡下選取斷面較平整的試樣.③將上述制好的試樣進(jìn)行干燥,本次試驗(yàn)采用烘干法干燥.試樣在烘干箱內(nèi)保持一定的溫度(小于100℃)和時(shí)間進(jìn)行烘干.④將干燥的試樣置于噴鍍儀中,噴鍍一層導(dǎo)電物質(zhì)(金或碳金). 按照上述的方法和要求,將循環(huán)三軸試驗(yàn)前后的土樣制備成符合要求的試樣.2觀察結(jié)果 首先,對(duì)掃描電鏡下的土顆粒的接觸狀態(tài)、形狀、大小、聯(lián)結(jié)形式以及孔隙的形狀和大小進(jìn)行觀察和描述.然后基于這些觀察結(jié)果,對(duì)土體的微觀結(jié)構(gòu)變形機(jī)理做進(jìn)一步研究.2.1 基本單元體的接觸狀態(tài) 粘土豎直面具有較多的片狀或板狀聚體,多呈面—面、邊—面、邊—邊、邊—角等接觸狀態(tài)(如圖1所示);而水平面具有較多的粒狀聚體,較難分出面和邊,呈現(xiàn)直接接觸、鑲嵌接觸等狀態(tài),有的是通過(guò)膠結(jié)物質(zhì)使之相互連接接觸(如圖2所示).
2.2 微結(jié)構(gòu)基本單元的形狀和大小 在一定的放大倍數(shù)下,具有明顯物理界限者,稱之為微結(jié)構(gòu)的基本單元體,單元體分為一級(jí)和二級(jí),一級(jí)單元體為具有較強(qiáng)的原始內(nèi)聚力,一般是較難分開(kāi)的微凝聚體,二級(jí)單元體一般是由一級(jí)微凝聚體集合或片狀或板狀的聚集體或粒狀集合體. 從圖3和圖4中可以清楚地觀察到原狀和循環(huán)三軸破壞后的飽和軟粘土水平面和豎直面上的基本單元體的形狀和大小.對(duì)比兩圖可以看出振動(dòng)破壞后的土顆粒較為破碎,而且具有一定的定向性,這是由于經(jīng)過(guò)振動(dòng)后,土顆粒經(jīng)過(guò)了重排的過(guò)程.2.3基本單元體間的聯(lián)結(jié)形式 從上述幾張照片中可以發(fā)現(xiàn)有的單元體直接接觸聯(lián)結(jié),說(shuō)明單元體外有某種物質(zhì)(可能是電荷、水膜、膠膜等,在電鏡下難以觀察到)起到直接聯(lián)結(jié)的作用;有的可以明顯看出是膠結(jié)物質(zhì)連接.至于聯(lián)結(jié)物質(zhì)及聯(lián)結(jié)作用力,可以借助于化學(xué)分析或其他方法進(jìn)一步研究,但這已不是本文研究的內(nèi)容了.2.4 孔隙的形狀和大小 在掃描電鏡下,能夠觀察到基本單元體之間的孔隙和跨幾個(gè)單元體間的大孔隙,其形狀和大小決定于單元體的邊界條件和排列緊密狀況.對(duì)比圖3和圖4可以看出經(jīng)循環(huán)荷載振動(dòng)后土體的孔隙明顯變小,即土體顆粒有被壓密的趨勢(shì).3變形機(jī)理分析 飽和軟粘土主要為多孔疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu),具有高孔隙比和水分.當(dāng)?shù)罔F列車(chē)循環(huán)荷載作用到土體上時(shí),土顆粒會(huì)因振動(dòng)的影響而受到一定的慣性力.實(shí)質(zhì)上主要是一種剪切力.由于飽和軟粘土顆粒表面都有一層結(jié)合膜,從而使其具有一定的內(nèi)聚力.當(dāng)受到剪切力比較小(小于土顆粒表面的內(nèi)聚力)時(shí),土顆粒不發(fā)生移動(dòng),也就不會(huì)產(chǎn)生超孔壓,其宏觀表現(xiàn)為似彈性.荷載撤除后,變形恢復(fù).即存在著一個(gè)似彈性的應(yīng)力區(qū),在此應(yīng)力范圍內(nèi),土體不產(chǎn)生殘余變形(如圖5所示,應(yīng)力比小于臨界應(yīng)力比[4,5],循環(huán)次數(shù)Ｎ很小時(shí));隨著荷載的加大,土顆粒將發(fā)生滑移,從而產(chǎn)生一定的變形量;當(dāng)剪力繼續(xù)增大,超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)(即應(yīng)力比大于臨界應(yīng)力比時(shí)),就會(huì)破壞土顆粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)狀態(tài),而使土結(jié)構(gòu)疏松,部分脫離接觸,起先由土顆粒通過(guò)其接觸點(diǎn)而傳遞的壓力(有效壓力),就要傳給孔隙水來(lái)承擔(dān),引起孔隙水壓力的顯著增大,產(chǎn)生超孔隙水壓.此時(shí)由于土體的強(qiáng)度破壞,當(dāng)增大荷載時(shí),極易產(chǎn)生殘余變形[6]. 利用循環(huán)三軸試驗(yàn),采用典型正弦波加載,加荷頻率為2.0Ｈｚ(圖4照片就是利用該土樣拍攝的,因而達(dá)到了宏觀微觀的一致性),得出循環(huán)荷載作用下動(dòng)剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系圖,如圖5所示.綜上所述,可將變形階段歸納為以下三個(gè)階段(如圖5所示): Ⅰ階段:所受剪應(yīng)力較小,外力卸除后,變形基本能恢復(fù),土體微結(jié)構(gòu)完整,土顆粒狀態(tài)與圖3所示的狀態(tài)相近似,振動(dòng)前后土顆粒的結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化,荷載撤除后土顆粒結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài),因而無(wú)殘余變形,土體表現(xiàn)為彈性狀態(tài),為似彈性階段. Ⅱ階段:所受剪應(yīng)力超過(guò)一定值時(shí),土顆粒滑移,土體微結(jié)構(gòu)發(fā)生變形.這是一個(gè)能量積累的過(guò)程,當(dāng)剪應(yīng)力能積累到一定的程度,大于部分土顆粒之間的結(jié)合能時(shí),土顆粒發(fā)生滑移,土體的微結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破壞,從而土體發(fā)生殘余變形,這一階段反映土體的彈塑性性狀,為彈塑性階段. Ⅲ階段:所受剪應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí)(應(yīng)力比大于臨界應(yīng)力比),土體微結(jié)構(gòu)完全破壞,土體強(qiáng)度降低,應(yīng)變趨于無(wú)窮大,土體發(fā)生“軟化”,稱為軟化階段.這一階段是由于剪應(yīng)力的增大,導(dǎo)致了剪應(yīng)力能的繼續(xù)增大,當(dāng)剪應(yīng)力能大于所有土顆粒之間的結(jié)合能時(shí),土體的微結(jié)構(gòu)就完全破壞,土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力完全消失.在振動(dòng)荷載的作用下,土顆粒就會(huì)發(fā)生水平、豎直方向的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn),最終達(dá)到一個(gè)最穩(wěn)定的狀態(tài),這就是前文提到的“重排”現(xiàn)象.從能量的原理可以知道,經(jīng)重排后的土顆粒應(yīng)具有一定的定向性.由于振動(dòng)的作用土顆粒之間的孔隙被壓密,從而產(chǎn)生了殘余變形. 隨著振動(dòng)次數(shù)的增長(zhǎng),土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將發(fā)生疲勞,土顆粒間的粘聚力下降,將使土體產(chǎn)生變形,如果應(yīng)力不是很大,并且維持不變,此變形將趨于一個(gè)定值,這也就與循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果相一致. 由以上結(jié)果可以得出,在不同的應(yīng)力階段,土體的微結(jié)構(gòu)變形機(jī)理是不同的.同樣,這一結(jié)果可較好地驗(yàn)證循環(huán)三軸試驗(yàn)所得到的試驗(yàn)結(jié)果. 可見(jiàn),地鐵行車(chē)時(shí)隧道周?chē)馏w應(yīng)處于第Ⅰ階段(似彈性階段).如果超出這一階段,土顆粒滑移,土體微結(jié)構(gòu)破壞,土體就會(huì)產(chǎn)生殘余變形,隧道軸線將產(chǎn)生較大的沉降量,就會(huì)影響地鐵列車(chē)的正常運(yùn)行. 本次試驗(yàn)的對(duì)象為上海市第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,上海飽和軟粘土地區(qū)地鐵埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,因此試驗(yàn)結(jié)果具有一定的代表性.在工程實(shí)踐中可以通過(guò)對(duì)隧道周?chē)耐馏w進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),使土體的剪應(yīng)變小于臨界值(本次試驗(yàn)得出的臨界值為0.0028～0.0033),把土體的變形控制在第Ⅰ階段,使其不產(chǎn)生殘余變形,從而使地鐵列車(chē)正常運(yùn)行.4結(jié)論 飽和軟粘土地區(qū)地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)以后,沿軸線產(chǎn)生較大沉降量的問(wèn)題,雖然是受多種影響因素控制的,但在很大程度上與飽和軟粘土在地鐵循環(huán)振動(dòng)荷載作用下發(fā)生殘余變形有關(guān),而飽和軟粘土的殘余變形始于地鐵荷載作用下孔隙水壓力的變化、土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞,其發(fā)生和發(fā)展表現(xiàn)為一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程.本文僅僅從土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞機(jī)理方面進(jìn)行初步的研究.當(dāng)然,地鐵隧道盾構(gòu)施工、地鐵附近的樁基與基坑開(kāi)挖的施工等都會(huì)引起地鐵隧道周?chē)柡蛙浾惩两Y(jié)構(gòu)擾動(dòng).目前,筆者正在進(jìn)行地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周?chē)柡蛙浾惩猎谑軌簯?yīng)力、剪切應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)應(yīng)力條件下土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)特征和變化規(guī)律的研究,施工引起應(yīng)力場(chǎng)變化與地鐵振動(dòng)荷載的耦合作用以及時(shí)空效應(yīng)也將作為本科研項(xiàng)目的研究重點(diǎn),通過(guò)研究不同應(yīng)力條件下土的這些微結(jié)構(gòu)變化特征,從而反過(guò)來(lái)驗(yàn)證行駛列車(chē)振動(dòng)后隧道周?chē)柡蛙浾惩恋膽?yīng)力變化特點(diǎn). 通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,觀察到粘土豎直面具有較多的片狀或板狀聚體,多呈面—面、邊—面、邊—邊、邊—角等接觸狀態(tài);而水平面具有較多的粒狀聚體,較難分出面和邊,呈現(xiàn)直接接觸、鑲嵌接觸等狀態(tài),有的是通過(guò)膠結(jié)物質(zhì)使之相互連接接觸.并且對(duì)土顆粒的微觀形狀、大小、聯(lián)結(jié)形式以及孔隙的形狀和大小也進(jìn)行了觀察. 土體在循環(huán)荷載作用下大致分為3個(gè)變形階段:似彈性階段、彈塑性階段和軟化階段.筆者從微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)特征和變化規(guī)律的角度為這3個(gè)變形階段作了合理的解釋.在地鐵隧道運(yùn)營(yíng)以后,通過(guò)對(duì)剪應(yīng)變監(jiān)測(cè)和控制,把土體的變形控制在第Ⅰ階段(似彈性階段),從而保證地鐵列車(chē)的正常運(yùn)行.參考文獻(xiàn):[1] 林永國(guó),廖少明,劉國(guó)彬.地鐵隧道縱向變形影響因素的探討[Ｊ].地下空間,2000,20(4):264-267. 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2.2 微結(jié)構(gòu)基本單元的形狀和大小 在一定的放大倍數(shù)下,具有明顯物理界限者,稱之為微結(jié)構(gòu)的基本單元體,單元體分為一級(jí)和二級(jí),一級(jí)單元體為具有較強(qiáng)的原始內(nèi)聚力,一般是較難分開(kāi)的微凝聚體,二級(jí)單元體一般是由一級(jí)微凝聚體集合或片狀或板狀的聚集體或粒狀集合體. 從圖3和圖4中可以清楚地觀察到原狀和循環(huán)三軸破壞后的飽和軟粘土水平面和豎直面上的基本單元體的形狀和大小.對(duì)比兩圖可以看出振動(dòng)破壞后的土顆粒較為破碎,而且具有一定的定向性,這是由于經(jīng)過(guò)振動(dòng)后,土顆粒經(jīng)過(guò)了重排的過(guò)程.2.3基本單元體間的聯(lián)結(jié)形式 從上述幾張照片中可以發(fā)現(xiàn)有的單元體直接接觸聯(lián)結(jié),說(shuō)明單元體外有某種物質(zhì)(可能是電荷、水膜、膠膜等,在電鏡下難以觀察到)起到直接聯(lián)結(jié)的作用;有的可以明顯看出是膠結(jié)物質(zhì)連接.至于聯(lián)結(jié)物質(zhì)及聯(lián)結(jié)作用力,可以借助于化學(xué)分析或其他方法進(jìn)一步研究,但這已不是本文研究的內(nèi)容了.2.4 孔隙的形狀和大小 在掃描電鏡下,能夠觀察到基本單元體之間的孔隙和跨幾個(gè)單元體間的大孔隙,其形狀和大小決定于單元體的邊界條件和排列緊密狀況.對(duì)比圖3和圖4可以看出經(jīng)循環(huán)荷載振動(dòng)后土體的孔隙明顯變小,即土體顆粒有被壓密的趨勢(shì).3變形機(jī)理分析 飽和軟粘土主要為多孔疏松的蜂窩狀結(jié)構(gòu),具有高孔隙比和水分.當(dāng)?shù)罔F列車(chē)循環(huán)荷載作用到土體上時(shí),土顆粒會(huì)因振動(dòng)的影響而受到一定的慣性力.實(shí)質(zhì)上主要是一種剪切力.由于飽和軟粘土顆粒表面都有一層結(jié)合膜,從而使其具有一定的內(nèi)聚力.當(dāng)受到剪切力比較小(小于土顆粒表面的內(nèi)聚力)時(shí),土顆粒不發(fā)生移動(dòng),也就不會(huì)產(chǎn)生超孔壓,其宏觀表現(xiàn)為似彈性.荷載撤除后,變形恢復(fù).即存在著一個(gè)似彈性的應(yīng)力區(qū),在此應(yīng)力范圍內(nèi),土體不產(chǎn)生殘余變形(如圖5所示,應(yīng)力比小于臨界應(yīng)力比[4,5],循環(huán)次數(shù)Ｎ很小時(shí));隨著荷載的加大,土顆粒將發(fā)生滑移,從而產(chǎn)生一定的變形量;當(dāng)剪力繼續(xù)增大,超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)(即應(yīng)力比大于臨界應(yīng)力比時(shí)),就會(huì)破壞土顆粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)狀態(tài),而使土結(jié)構(gòu)疏松,部分脫離接觸,起先由土顆粒通過(guò)其接觸點(diǎn)而傳遞的壓力(有效壓力),就要傳給孔隙水來(lái)承擔(dān),引起孔隙水壓力的顯著增大,產(chǎn)生超孔隙水壓.此時(shí)由于土體的強(qiáng)度破壞,當(dāng)增大荷載時(shí),極易產(chǎn)生殘余變形[6]. 利用循環(huán)三軸試驗(yàn),采用典型正弦波加載,加荷頻率為2.0Ｈｚ(圖4照片就是利用該土樣拍攝的,因而達(dá)到了宏觀微觀的一致性),得出循環(huán)荷載作用下動(dòng)剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系圖,如圖5所示.綜上所述,可將變形階段歸納為以下三個(gè)階段(如圖5所示): Ⅰ階段:所受剪應(yīng)力較小,外力卸除后,變形基本能恢復(fù),土體微結(jié)構(gòu)完整,土顆粒狀態(tài)與圖3所示的狀態(tài)相近似,振動(dòng)前后土顆粒的結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化,荷載撤除后土顆粒結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài),因而無(wú)殘余變形,土體表現(xiàn)為彈性狀態(tài),為似彈性階段. Ⅱ階段:所受剪應(yīng)力超過(guò)一定值時(shí),土顆粒滑移,土體微結(jié)構(gòu)發(fā)生變形.這是一個(gè)能量積累的過(guò)程,當(dāng)剪應(yīng)力能積累到一定的程度,大于部分土顆粒之間的結(jié)合能時(shí),土顆粒發(fā)生滑移,土體的微結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破壞,從而土體發(fā)生殘余變形,這一階段反映土體的彈塑性性狀,為彈塑性階段. Ⅲ階段:所受剪應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí)(應(yīng)力比大于臨界應(yīng)力比),土體微結(jié)構(gòu)完全破壞,土體強(qiáng)度降低,應(yīng)變趨于無(wú)窮大,土體發(fā)生“軟化”,稱為軟化階段.這一階段是由于剪應(yīng)力的增大,導(dǎo)致了剪應(yīng)力能的繼續(xù)增大,當(dāng)剪應(yīng)力能大于所有土顆粒之間的結(jié)合能時(shí),土體的微結(jié)構(gòu)就完全破壞,土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力完全消失.在振動(dòng)荷載的作用下,土顆粒就會(huì)發(fā)生水平、豎直方向的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn),最終達(dá)到一個(gè)最穩(wěn)定的狀態(tài),這就是前文提到的“重排”現(xiàn)象.從能量的原理可以知道,經(jīng)重排后的土顆粒應(yīng)具有一定的定向性.由于振動(dòng)的作用土顆粒之間的孔隙被壓密,從而產(chǎn)生了殘余變形. 隨著振動(dòng)次數(shù)的增長(zhǎng),土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將發(fā)生疲勞,土顆粒間的粘聚力下降,將使土體產(chǎn)生變形,如果應(yīng)力不是很大,并且維持不變,此變形將趨于一個(gè)定值,這也就與循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果相一致. 由以上結(jié)果可以得出,在不同的應(yīng)力階段,土體的微結(jié)構(gòu)變形機(jī)理是不同的.同樣,這一結(jié)果可較好地驗(yàn)證循環(huán)三軸試驗(yàn)所得到的試驗(yàn)結(jié)果. 可見(jiàn),地鐵行車(chē)時(shí)隧道周?chē)馏w應(yīng)處于第Ⅰ階段(似彈性階段).如果超出這一階段,土顆粒滑移,土體微結(jié)構(gòu)破壞,土體就會(huì)產(chǎn)生殘余變形,隧道軸線將產(chǎn)生較大的沉降量,就會(huì)影響地鐵列車(chē)的正常運(yùn)行. 本次試驗(yàn)的對(duì)象為上海市第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,上海飽和軟粘土地區(qū)地鐵埋深大多在地表以下8～17ｍ左右,因此試驗(yàn)結(jié)果具有一定的代表性.在工程實(shí)踐中可以通過(guò)對(duì)隧道周?chē)耐馏w進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),使土體的剪應(yīng)變小于臨界值(本次試驗(yàn)得出的臨界值為0.0028～0.0033),把土體的變形控制在第Ⅰ階段,使其不產(chǎn)生殘余變形,從而使地鐵列車(chē)正常運(yùn)行.4結(jié)論 飽和軟粘土地區(qū)地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)以后,沿軸線產(chǎn)生較大沉降量的問(wèn)題,雖然是受多種影響因素控制的,但在很大程度上與飽和軟粘土在地鐵循環(huán)振動(dòng)荷載作用下發(fā)生殘余變形有關(guān),而飽和軟粘土的殘余變形始于地鐵荷載作用下孔隙水壓力的變化、土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞,其發(fā)生和發(fā)展表現(xiàn)為一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程.本文僅僅從土體微觀結(jié)構(gòu)的變形和破壞機(jī)理方面進(jìn)行初步的研究.當(dāng)然,地鐵隧道盾構(gòu)施工、地鐵附近的樁基與基坑開(kāi)挖的施工等都會(huì)引起地鐵隧道周?chē)柡蛙浾惩两Y(jié)構(gòu)擾動(dòng).目前,筆者正在進(jìn)行地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周?chē)柡蛙浾惩猎谑軌簯?yīng)力、剪切應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)應(yīng)力條件下土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)特征和變化規(guī)律的研究,施工引起應(yīng)力場(chǎng)變化與地鐵振動(dòng)荷載的耦合作用以及時(shí)空效應(yīng)也將作為本科研項(xiàng)目的研究重點(diǎn),通過(guò)研究不同應(yīng)力條件下土的這些微結(jié)構(gòu)變化特征,從而反過(guò)來(lái)驗(yàn)證行駛列車(chē)振動(dòng)后隧道周?chē)柡蛙浾惩恋膽?yīng)力變化特點(diǎn). 通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,觀察到粘土豎直面具有較多的片狀或板狀聚體,多呈面—面、邊—面、邊—邊、邊—角等接觸狀態(tài);而水平面具有較多的粒狀聚體,較難分出面和邊,呈現(xiàn)直接接觸、鑲嵌接觸等狀態(tài),有的是通過(guò)膠結(jié)物質(zhì)使之相互連接接觸.并且對(duì)土顆粒的微觀形狀、大小、聯(lián)結(jié)形式以及孔隙的形狀和大小也進(jìn)行了觀察. 土體在循環(huán)荷載作用下大致分為3個(gè)變形階段:似彈性階段、彈塑性階段和軟化階段.筆者從微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)特征和變化規(guī)律的角度為這3個(gè)變形階段作了合理的解釋.在地鐵隧道運(yùn)營(yíng)以后,通過(guò)對(duì)剪應(yīng)變監(jiān)測(cè)和控制,把土體的變形控制在第Ⅰ階段(似彈性階段),從而保證地鐵列車(chē)的正常運(yùn)行.參考文獻(xiàn):[1] 林永國(guó),廖少明,劉國(guó)彬.地鐵隧道縱向變形影響因素的探討[Ｊ].地下空間,2000,20(4):264-267. 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