地铁隧道基底饱水风化软岩动力特性及长期沉降研究

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随着全国地铁隧道修建的增多,不同地区隧道修建所面临的问题也不同。本文研究对象为南昌地铁隧道基底不同风化程度的泥质粉砂岩地层,其物理力学性质较差,属极软岩,并且南昌地下水位较高,水-岩耦合作用下会导致风化软岩进一步软化和崩解,并在长期地铁列车荷载作用下风化软岩的累积变形逐渐增加,不均匀沉降问题日益凸出。鉴于此,本文以南昌地铁基底不同风化程度泥质粉砂岩为研究对象,通过扫描电镜SEM试验、X射线衍射试验、室内动三轴试验和数值模拟的研究方法,分析风化泥质粉砂岩的微观结构和矿物成分,研究风化泥质粉砂岩的动力特性并预测了南昌地铁隧道的长期沉降,主要研究内容和相关成果如下:(1)基于对不同饱水时间下全、中风化软岩SEM和X射线衍射试验,初步探讨了饱水时间对风化软岩矿物成分和微观结构的影响。结果表明:不同饱水时间下的风化软岩矿物成分比例基本不会改变;随着饱水时间的增长,风化软岩的微观结构由紧密的片层状、鳞片状结构逐渐转变成疏松的团粒状结构,相较于中风化软岩而言,水对全风化软岩微观结构变化影响更大。(2)采用GDS空心扭剪试验仪,研究了全、中风化软岩在动应力比、静偏应力比、围压和加载频率影响因素下的累积轴向变形发展规律。结果表明:动应力比和静偏应力比对风化软岩总应变影响较大,围压和加载频率对风化软岩总应变影响较小;分析试验结果数据,提出了考虑加载次数、动应力比等因素的累积塑性应变数学模型,为预测隧道长期沉降提供理论基础。(3)利用有限元ABAQUS软件建立了地铁隧道三维有限元模型,分析不同列车速度和不同地层情况下隧道基底风化软岩的动力响应变化规律。计算结果表明:列车速度的改变对隧底动力响应影响程度较小;隧底动应力和加速度随距振源距离增大而减小并表现为先快速衰减后缓慢衰减;隧底位于全风化软岩层的动应力和加速度均大于隧底位于中风化软岩层的动应力和加速度。(4)结合累积塑性应变模型和数值模拟结果,对南昌地铁隧道长期沉降进行预测。地铁运营100年后发现列车速度的改变对隧道长期沉降影响较小;相比较隧底位于中风化软岩层的情况,隧底位于全风化软岩层的累积沉降增幅约为42%,不均匀沉降会对隧道结构产生不利影响。
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