內(nèi)容提示：以上海地鐵二號線某區(qū)間隧道附近的飽和粘性土體為研究對象，在地鐵振動荷載作用下，通過對不同位置、不同深度土體中預(yù)埋孔壓計振動頻率的連續(xù)監(jiān)測，研究飽和粘性土體中孔隙水壓力對振動荷載的響應(yīng)特征，得出了飽和粘性土中孔隙水壓力增長和消散的變化規(guī)律，并用土動力學(xué)及能量損失原理對其機(jī)理進(jìn)行了分析。
延伸閱讀：增長和消散 孔壓計 孔隙水壓力 振動荷載 飽和粘性土
周念清 唐益群 王建秀 張曦 洪軍
摘 要：以上海地鐵二號線某區(qū)間隧道附近的飽和粘性土體為研究對象，在地鐵振動荷載作用下，通過對不同位置、不同深度土體中預(yù)埋孔壓計振動頻率的連續(xù)監(jiān)測，研究飽和粘性土體中孔隙水壓力對振動荷載的響應(yīng)特征，得出了飽和粘性土中孔隙水壓力增長和消散的變化規(guī)律，并用土動力學(xué)及能量損失原理對其機(jī)理進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：孔壓計；飽和粘性土；孔隙水壓力；振動荷載；增長和消散
0 引 言
飽和土體中孔隙水壓力對振動荷載的作用反應(yīng)比較敏感，性質(zhì)不同的土體具有不同的特征，即使是同一土體，荷載性質(zhì)不同其孔隙水壓力增長和消散規(guī)律也各不相同。過去，人們對多種荷載作用下飽和砂土中孔隙水壓力增長和消散規(guī)律研究比較深入，如王桂萱等人就循環(huán)荷載下砂質(zhì)混合土孔隙水壓力特性進(jìn)行了研究，建立了孔隙水壓力與能量損失的關(guān)系[1]；張均峰等人研究了沖擊荷載下飽和砂土中超孔隙水壓力，探討了達(dá)到砂土完全液化的沖擊強(qiáng)度臨界值[2]；張之穎等就粘性土覆蓋層下粉土及砂土進(jìn)行研究，模擬地震中超孔隙水壓力的增長規(guī)律[3]；白冰、楊兵等分別對強(qiáng)夯荷載、爆炸荷載作用下飽和土層孔隙水壓力變化規(guī)律作了計算和分析[4-5]；Okada 則從土體結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)說明用能量損失來預(yù)測孔隙水壓力的合理性[6]；而對飽和粘性土的研究仍處于探索階段，因為飽和粘性土在顆粒組成、力學(xué)性質(zhì)、孔隙水運(yùn)動規(guī)律等方面均有別于砂土，振動荷載作用產(chǎn)生的超孔隙水壓力增長和消散速度相對緩慢，許才軍等人通過室內(nèi)試驗研究了飽和軟粘土在不排水循環(huán)荷載作用下孔隙水壓力的增長規(guī)律[7]。地鐵循環(huán)振動荷載作用下，粘性土體中孔隙水壓力隨振動荷載發(fā)生有規(guī)律的變化，本文通過對不同深度飽和粘性土體中孔隙水壓力變化連續(xù)監(jiān)測，研究孔隙水壓力增長和消散對振動荷載的響應(yīng)特征，并用能量損失觀點(diǎn)對其進(jìn)行了分析和探討。
1 飽和粘性土中孔隙水運(yùn)動規(guī)律
粘性土的粒度成分決定了粘性土顆粒孔隙的大小，而孔隙是地下水運(yùn)移的通道，孔隙大小又決定了地下水的滲透性。本研究在上海地鐵 2 號線某區(qū)間隧道附近試驗現(xiàn)場，距離隧道邊緣約 1.8 m 處，深度分別為 12、14 和 16 m 位置采集了 3 組樣品進(jìn)行粒度分析，土質(zhì)均為第④層灰色淤泥質(zhì)粘土。采用美國貝克曼庫特公司生產(chǎn)的 LS-230 激光粒度儀，通過分析，得到三組飽和粘性土的平均粒徑為 12.33 μm，中值粒徑為 8.63 μm，粒徑峰值為 11.61 μm。
由于飽和粘性土顆粒之間孔隙極其細(xì)小，通常情況下把飽和粘性土作為隔水層或弱透水層。然而在外界荷載作用下，飽和粘性土體中孔隙水除能承受孔隙水壓力外，也能產(chǎn)生壓力差或水頭差，迫使孔隙水在其中運(yùn)動，具有一定的滲透性，其滲透性的大小決定了超孔隙水壓力增長和消散的速度，同時反映了孔隙水壓力傳遞對振動荷載的敏感程度。研究土體滲透性主要考慮滲透速度和滲透壓力，而土體滲透性大小一般用滲透系數(shù)K和滲透速度V表示。對于飽和粘性土，孔隙水的運(yùn)動必須克服起始阻力，且服從滲透規(guī)律
V = K ( J - J0)， (1)
式中，V 為滲透速度（m/d），K 為滲透系數(shù)（m/d），J為水力坡度， J0 為起始水力坡度。
水力坡度由水頭差造成，也可由外力作用下土中水所受到的應(yīng)力（孔隙水壓力）而引起。飽和粘性土的滲透系數(shù) K 一般為 10-7～10-8 cm/s，要使孔隙水在飽和粘性土體中發(fā)生滲流運(yùn)動，首先必須克服起始水力坡度 J0這個阻力才能實現(xiàn)。
2 孔隙水壓力觀測試驗
2.1 試驗場地選擇與監(jiān)測孔布置
試驗場地選擇在上海地鐵#2 線某區(qū)間隧道南側(cè)，共布置了 5 個鉆孔，距離盾構(gòu)隧道邊緣最近的試驗孔僅 1.8 m，如圖 1 所示。
2.2 儀器選型與埋設(shè)
儀器采用電阻式孔壓計，通過測量電阻片的電阻變化，計算孔隙水壓力。孔壓計埋設(shè)如圖 2 所示。每
個鉆孔中的三個孔壓計均埋設(shè)在第④層灰色淤泥質(zhì)粘土層中 8.5、11.5 和 14.0 m 的位置，埋設(shè)時孔壓計周圍使用細(xì)砂，在上部使用粘土球膨脹壓實，以便能真實地觀測地鐵振動時各自的響應(yīng)特征，儀器的量測范圍為 0～0.2 MPa。其計算公式為
式中 Vi p為單位換算輸出電壓（mv）；ε 為單位應(yīng)變（με ）； V ie為橋壓（mv）； Ki v為靈敏系數(shù)； gaei e為應(yīng)變片轉(zhuǎn)換系數(shù)；其中， Ki v、gae值由廠家標(biāo)定，V ie在試驗現(xiàn)場采用增益檔 1000K 進(jìn)行標(biāo)定。
