地鐵循環(huán)荷載下凍融軟土動力特性與微觀結(jié)構試驗研究.pdf

1、人工凍結(jié)法是利用人工制冷技術使土體溫度降低，形成臨時凍結(jié)加固體，可以達到提高土體強度和穩(wěn)定性的目的。近年在沿海軟土地區(qū)的地鐵聯(lián)絡通道施工中，凍結(jié)法施工突顯出其止水性好、強度高、安全性好等優(yōu)勢。但是，地鐵聯(lián)絡通道采用凍結(jié)法施工后，凍融循環(huán)作用將影響地基土的工程性質(zhì)，循環(huán)荷載作用下凍融土的動力特性有別于來凍融土，因此有必要針對凍融土進行深入研究，為控制凍結(jié)法施工后的長期沉降提供依據(jù)。本文通過動三軸試驗研究地鐵列車循環(huán)荷載作用下凍融土的動力特

2、性，包括動孔壓和動應交的發(fā)展規(guī)律。對凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)周期和融土初始固結(jié)度影響下的凍融土動力特性進行測試，根據(jù)實驗結(jié)果建立具有實用價值的凍融土動力模型。并結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)對軟黏土凍融前、凍融后（加載前）和加載后的微觀結(jié)構進行定性對比分析，利用微觀結(jié)構定量分析的結(jié)果解釋軟土的凍融循環(huán)弱化效應和循環(huán)荷載下凍融土的宏觀變形機理。通過試驗分析和總結(jié)，得到了如下成果與結(jié)論:
　　(1)本文基于真空預壓原理自行研制了多聯(lián)通道重塑土

3、真空預壓儀，通過控制土樣的含水量及密度，制備均勻性更好的重塑土用于室內(nèi)動三軸試驗。多聯(lián)通重塑土真空預壓設備主要由四部分組成:真空泵、真空水罐、土樣制備箱和智能控制顯示系統(tǒng)。微觀掃描試驗的定量分析結(jié)果表明土樣各高度上水平和垂直斷面孔隙面積的分布規(guī)律較為一致，論證了本文試驗所用重塑土樣的均勻性。
　　(2)采用偏壓正弦波模擬地鐵列車循環(huán)荷載，加載過程中凍融土孔壓發(fā)展趨勢與未凍融土類似，大致可以分為三個階段:迅速增長、緩慢發(fā)展和穩(wěn)定階段

4、，并且孔壓在循環(huán)加載10000次左右即可達到穩(wěn)定值。凍融土的應變發(fā)展經(jīng)歷快速增長階段后即進入緩慢增長階段，累積速率逐漸減小，可以推測在足夠多加載循環(huán)周期后將達到穩(wěn)定。循環(huán)荷載作用下，凍融土的孔壓和應變發(fā)展速率較未凍融土快，穩(wěn)定孔壓和累積應變也較大。這是因為凍融循環(huán)作用在一定程度上破壞了內(nèi)部骨架結(jié)構，引起孔隙體積增大，造成土體結(jié)構性的弱化。
　　(3)對于凍融土而言，不同的凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)周期對其結(jié)構破壞程度有影響，進而導致其動力

5、特性的差異。試驗結(jié)果表明，凍結(jié)溫度越低，孔壓和軸向應變的發(fā)展速率越快，穩(wěn)定孔壓和累積應變也越大。多次凍融循環(huán)作用也會加劇土體結(jié)構的破壞，二次凍融土的孔壓和應交隨加載周期的發(fā)展更快，穩(wěn)定值也更大。原因在于低溫凍結(jié)過程中凍脹效應更加顯著，冰晶生長破壞了顆粒骨架結(jié)構，小孔隙貫通導致大孔隙的出現(xiàn)。融化過程中，孔隙形態(tài)和顆粒聯(lián)結(jié)作用難以恢復到原始狀態(tài)，故發(fā)生結(jié)構性弱化，二次凍融循環(huán)后對土體結(jié)構的破壞作用將更加明顯。
　　(4)凍結(jié)軟黏土在融

6、化過程中將發(fā)生土體骨架的重分布以達到新的顆粒孔隙平衡狀態(tài)，并且冰晶的融化速率大于孔隙水的排出速率。在地鐵正式運營前，如果凍融土的固結(jié)作用未完全完成，則會影響地基土在運營期間的動力特性，進而引起較大的累積沉降。不排水加載試驗結(jié)果表明在循環(huán)荷載作用下，融土初始固結(jié)度越低，孔壓和軸向應變的發(fā)展速率越快，且穩(wěn)定孔壓也越大。因此在分析地鐵運營過程中凍融軟土長期沉降時，考慮融土初始固結(jié)度能夠獲得更好的效果。
　　(5)結(jié)合環(huán)掃描電鏡實驗，對軟