地铁循环荷载下冻融软土动力特性与微观结构试验研究

摘要

人工冻结法是利用人工制冷技术使土体温度降低，形成临时冻结加固体，可以达到提高土体强度和稳定性的目的。近年在沿海软土地区的地铁联络通道施工中，冻结法施工突显出其止水性好、强度高、安全性好等优势。但是，地铁联络通道采用冻结法施工后，冻融循环作用将影响地基土的工程性质，循环荷载作用下冻融土的动力特性有别于来冻融土，因此有必要针对冻融土进行深入研究，为控制冻结法施工后的长期沉降提供依据。本文通过动三轴试验研究地铁列车循环荷载作用下冻融土的动力特性，包括动孔压和动应交的发展规律。对冻结温度、冻融循环周期和融土初始固结度影响下的冻融土动力特性进行测试，根据实验结果建立具有实用价值的冻融土动力模型。并结合扫描电子显微镜(SEM)对软黏土冻融前、冻融后（加载前）和加载后的微观结构进行定性对比分析，利用微观结构定量分析的结果解释软土的冻融循环弱化效应和循环荷载下冻融土的宏观变形机理。通过试验分析和总结，得到了如下成果与结论:
　　(1)本文基于真空预压原理自行研制了多联通道重塑土真空预压仪，通过控制土样的含水量及密度，制备均匀性更好的重塑土用于室内动三轴试验。多联通重塑土真空预压设备主要由四部分组成:真空泵、真空水罐、土样制备箱和智能控制显示系统。微观扫描试验的定量分析结果表明土样各高度上水平和垂直断面孔隙面积的分布规律较为一致，论证了本文试验所用重塑土样的均匀性。
　　(2)采用偏压正弦波模拟地铁列车循环荷载，加载过程中冻融土孔压发展趋势与未冻融土类似，大致可以分为三个阶段:迅速增长、缓慢发展和稳定阶段，并且孔压在循环加载10000次左右即可达到稳定值。冻融土的应变发展经历快速增长阶段后即进入缓慢增长阶段，累积速率逐渐减小，可以推测在足够多加载循环周期后将达到稳定。循环荷载作用下，冻融土的孔压和应变发展速率较未冻融土快，稳定孔压和累积应变也较大。这是因为冻融循环作用在一定程度上破坏了内部骨架结构，引起孔隙体积增大，造成土体结构性的弱化。
　　(3)对于冻融土而言，不同的冻结温度和冻融循环周期对其结构破坏程度有影响，进而导致其动力特性的差异。试验结果表明，冻结温度越低，孔压和轴向应变的发展速率越快，稳定孔压和累积应变也越大。多次冻融循环作用也会加剧土体结构的破坏，二次冻融土的孔压和应交随加载周期的发展更快，稳定值也更大。原因在于低温冻结过程中冻胀效应更加显著，冰晶生长破坏了颗粒骨架结构，小孔隙贯通导致大孔隙的出现。融化过程中，孔隙形态和颗粒联结作用难以恢复到原始状态，故发生结构性弱化，二次冻融循环后对土体结构的破坏作用将更加明显。
　　(4)冻结软黏土在融化过程中将发生土体骨架的重分布以达到新的颗粒孔隙平衡状态，并且冰晶的融化速率大于孔隙水的排出速率。在地铁正式运营前，如果冻融土的固结作用未完全完成，则会影响地基土在运营期间的动力特性，进而引起较大的累积沉降。不排水加载试验结果表明在循环荷载作用下，融土初始固结度越低，孔压和轴向应变的发展速率越快，且稳定孔压也越大。因此在分析地铁运营过程中冻融软土长期沉降时，考虑融土初始固结度能够获得更好的效果。
　　(5)结合环扫描电镜实验，对软黏土冻融前、冻融后（加载前）与加载后微观结构的变化进行研究，从微观角度揭示冻融土动力特性的变化机理。软土经过冻融循环作用后颗粒团聚化程度明显，出现絮凝状结构，且大孔隙数量明显增多。并且冻结温度越低、冻融循环次数越多，大孔隙所占面积的比例越大，在循环荷载作用下将表现出更明显的结构弱化效应。在循环荷载作用下，土体孔隙结构具有压密趋势，土颗粒破碎程度加剧，小孔隙增多，大孔隙减少。从微观角度解释了宏观动力特性的变化。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究现状

1．2．1 重塑土室内制样技术

1．2．2 冻融循环作用下土体物理力学性质研究

1．2．3 地铁列车荷载下软黏土动力性质研究

1．2．4 冻融循环后土体微观结构研究

1．3 现有研究存在的问题

1．4 本文的主要研究内容及研究思路

第2章 多联通道重塑土真空预压设备研制

2．1 引言

2．2 多联通道重塑土制样设备研制

2．2．1 目前重塑土制样技术缺陷

2．2．2 改进的多联通道真空预压设备

2．3 重塑土样制备过程

2．4 重塑土样均一性论证

2．5 本章小结

第3章 地铁荷载下冻融软土孔压发展试验研究

3．1 引言

3．2 室内GDS循环三轴试验方案

3．2．1 试验仪器

3．2．2 试验土样

3．2．3 试验方案

3．3 试验结果分析

3．3．1 冻结温度影响下冻融土孔压发展

3．3．2 冻融循环周期影响下冻融土孔压发展

3．3．3 融土初始固结度影响下孔压发展

3．4 冻融土孔压模型的建立与分析

3．5 本章小结

第4章 地铁荷载下冻融软土应交累积试验研究

4．1 引言

4．2 室内动三轴试验方案

4．3 试验结果分析

4．3．1 冻结温度影响下冻融土轴向应发展

4．3．2 冻融循环周期影响下冻融土轴向应变发展

4．3．3 融土初始固结度影响下冻融土轴向应变发展

4．4 冻融土累积应交显式模型的建立与分析

4．5 本章小结

第5章 冻融循环和动力加载下软土微观结构试验研究

5．1 引言

5．2 电子扫描显微镜试验

5．2．1 试验仪器及内容

5．2．2 试样制备及试验步骤

5．3 软土冻融循环下微观结构试验分析

5．3．1 冻融软土微观结构变化定性分析

5．3．2 冻融循环下软土孔隙结构特征变化机理定量分析

5．4 循环加载下冻融软土微观结构研究

5．4．1 加载前、后冻融软土孔隙结构特征定性分析

5．4．2 加载前、后冻融软土孔隙结构特征参数定量分析

5．5 微观结构参数与宏观动力特性相关性分析

5．6 本章小结

第6章 结论与展

6．1 结论

6．2 进一步工作的展望

参考文献

作者简历及在校期间取得的科研成果