文档介绍：地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软黏土动力响应研究
张曦唐益群周念清王建秀赵书凯摘要: 以上海地铁二号线静安寺站- 江苏路站区间隧道周围饱和软黏土为研究对象, 通过对隧道周围不同位置、不同深度土体中预埋土压力盒和孔压计, 进行现场连续动态监测, 对地铁振动荷载作用下饱和软黏土的响应频率、土体响应应力幅值随距离地铁隧道远近以及土体响应应力幅值随深度的变化规律进行研究, 并提出了土体动力响应衰减计算公式, 利用该式可以计算出地铁列车经过时的影响范围及其动力响应值的大小, 可以预测与估算地铁列车振动荷载对周围建筑物的影响情况, 为地铁设计、施工以及安全运营提供有价值的参考。关键词: 地铁隧道; 振动荷载; 饱和软黏土; 动力响应
地铁作为一种安全、舒适、高速的交通工具, 在现代城市中必不可少。但是, 地铁列车在行驶过程中引起的振动问题是不容忽视的。有很多模型被用来分析地面上列车荷载作用下产生的地面振动[1-4]。文献[5-7]中研究了在列车振动荷载下轨道系统的动力响应, 但其只研究了地基上部结构的响应, 并未研究土的动力响应。目前, 国内外对地铁隧道周围饱和软黏土动力响应的研究尚未见到。然而, 饱和软黏土在地铁列车长期振动荷载作用下将会产生较大的变形[8-9],根据有关监测资料, 上海地铁 1 号线隧道在某些区段出现较大的轴线变形和地面沉降量[10], 给地铁列车的正常运营带来了一定的影响。地铁隧道的轴线变形和地面沉降直接关系到地铁的安全运营问题, 而其沉降变形首先始于孔隙水压力的变化及其土体应力的变化[11-12]。因而, 研究地铁隧道周围土体的动力响应对于地铁的设计、施工和安全运营具有重要意义。
1 现场动态监测
为研究地铁振动荷载对隧道周围饱和软黏土的影响, 研究中采用现场试验与测试的方法。研究地点选在上海地铁二号线静安寺站—江苏路站之间。现场监测采用动态监测系统, 其采样频率可高达 200 Hz,而精度可达 kPa, 完全可以反映周围土体对列车振动荷载的响应。动态监测系统包括: 电阻式传感器, 动态应变放大器, 数据采集器和电脑。该系统通过计算机系统记录所有的采样点数据, 可以达到实时监测的目的。动态监测系统运行示意图如图 1 所示。试验布孔采取折线式布孔方式( 如图 2) 。平面上, 在地铁隧道平行向和垂直向分别布设 3 个钻孔,钻孔直径为 110 mm, 布孔位置距静安寺地铁车站隧道出口处的距离为 210 m。与地铁隧道轴线平行方向的钻孔为 3、4、5 号孔, 钻孔孔距为 m, 距地铁隧道管片外侧仅 m; 垂直地铁隧道轴线方向的钻孔为 1、2、3 号孔, 为研究在垂直隧道轴线方向上地铁振动荷载随距离的增长对隧道周围土体影响的衰减规律, 特将 2 号孔和 1 号孔的距离设为 3 m, 3 号孔和 2 号孔的距离设为 2 m, 使其有一个递进的过程。在剖面上, 由于地铁隧道位于第④层灰色淤泥质黏土层中, 故将监测点放置于第④层, 土压力盒分别埋设在 m、 m 和 m 深的位置, 土压力盒的传感器朝向地铁隧道, 以观测地铁振动时的响应特征。地层分布及仪器埋设如图 3 所示。
2 土体响应频率
上海地铁列车共 6 节车厢, 整车长 m, 正常运行速度是 60 km/h。在站停留 30￣45 s。由于该测点靠近地铁车站, 列车进站会相应地降低速度, 据统计列车通过该测点的速度一般在 30~40 km/h, 地铁列车通过观测点作用的时间一般为 12~16 s, 在不同时段, 运行中的地铁列车通过观测点时间间隔不等, 一般为 3￣6 min, 上下班高峰期每趟车间隔约为3￣4 min。
地铁列车每节车厢有前后两组车轮, 地铁列车荷载通过轮轨- 管片系统将振动荷载传递到隧道管片外土层, 当地铁接近和经过测点时, 产生振动荷载并以波的形式传播出去, 土体将对此作出响应。图 4 中,水平轴为时间轴, 竖直轴为应力响应值, 可以非常明显的看到当地铁列车经过测点时的波形。由于每节车厢中的荷重不同( 乘客多少不同) , 不同荷重引起的土体响应的幅度不同; 荷重的间距( 即轮组间距) 不同引起土体响应的频率不一样, 因而从图中可看到两种频率( 图 4) , 称为高频 fh 和低频 fl, 高频的产生主要是因为前一节车厢的后轮和后一节车厢的前轮经过测点时, 由于间距较短, 土体响应时间较短引起的。低频的产生主要是由于每节车厢的前后轮经过测点时引起的, 由于间距相对较大, 所以频率较低。在响应波形图中, 可以很清楚的找出每组车轮经过测点时,引起的土体振动响应。通过连续的现场动态监测, 采集到了大量的数据。对所有波形曲线进行分析对比之后, 找出典型的地铁列车经过时饱和软