地铁荷载作用下黏性土动力特性研究进展

王 丹

（沈阳建材地质工程勘察院有限公司，辽宁 沈阳 110004）

1 引言

随着城市交通的飞速发展，城市地铁在带给居民便捷的同时亦带来了一些工程环境问题。上海地铁一号线在尚未运营时，地铁车站和隧道结构处于上浮状态，总沉降量为2～6mm；在正式投入运营后，地铁结构的总沉降量为30～60mm；广州地铁二号线自运营以来最大沉降速率高达16mm/年，最大不均匀沉降量高达30mm；南京地铁一号线西延线在运营4年后，隧道最大累积沉降量达122mm；上海地铁四号线海伦路站附近自运营以来最大沉降量高达160mm。由此可见，地铁运营期间，地铁隧道周围土体会产生不均匀沉降，且不均匀沉降较大。

长期以来，学术界针对黏性土做了大量的动力特性试验研究。本文结合国内外已有的研究成果，对列车振动荷载、地铁荷载作用下黏性土动力特性试验研究进行评述，分析和总结了地铁荷载作用下黏性土动力特性研究中存在的问题，在此基础上提出了今后的研究方向。

2 列车行车荷载研究

地铁处在一个半封闭的环境，在长期的运行过程中，列车车轮与轨道间的相互作用产生一系列循环荷载，该荷载通过轨道支撑传递到隧道结构，再经隧道结构传递到周围土体中。

地铁荷载有别于其他荷载，是一种以压应力为主的低幅值、低频率、长时间且具有间断性特性的循环荷载。由于地铁运行产生的振动原因十分复杂，地铁行车荷载受其自重、运行速度和轨道不平顺等因素影响。地铁轨道的不平顺不仅影响了轮轴间传力机理，也增加了许多不确定性因素。所以确定地铁行车荷载时不仅要考虑列车自身运行产生的振动荷载，而且还要考虑其他作用产生的振动荷载。

Rucker[1]、Jubilee[2]、Heckl等[3]、Auersch[4]、Hildebrand[5]和Wettschureck等[6]通过对现场实测路段进行信号采集，然后将采集到的信号进行频谱分析，得到列车荷载的振源强度、成分以及分布规律，为后续的研究提供了依据。

潘昌实等[7]运用小波分析法，对北京地铁实测点的加速度进行频谱分析，然后根据列车振动简化模型，建立相关的运动方程，通过计算得到地铁列车荷载的数学表达式。梁波等[8]通过采用激振力函数来模拟列车荷载，该函数包含两部分，一部分是列车的静荷载，另一部分是由一系列正弦函数叠加而成的动荷载。张玉娥[9]基于现场监测数据，利用频谱分析方法得到轨道振动加速度的表达式，在此基础上，根据车辆系统振动简化模型，建立了模拟车轮的运动方程，进而推导出地铁列车荷载的表达式。

韩自力等[10]通过对某线路区段路基的试验和分析发现，列车荷载的大小与其轴重、速度及线路平顺性有关，得出列车荷载的经验公式。梁波等[11]考虑轨道不平顺因素所产生的振动荷载，对已有地铁行车荷载表达式进行修正和完善。张勇[12]在以往的研究基础上，考虑列车荷载幅值与振动频率，以及列车运行速度之间的相互关系，将地铁行车荷载简化成一种随时间变化的竖向集中荷载。隋学斌[13]结合青岛地铁列车自身特点，利用人工激励函数方法模拟地铁行车荷载。

从以上研究可以看出，目前确定地铁行车荷载最常用的方法是根据列车荷载形式采用傅立叶变换对现场监测数据进行离散化处理，在此基础上建立车辆与轨道相互作用简化模型，应用达朗贝尔原理推导计算出地铁列车荷载的数定表达式，亦或是根据前人的经验，利用人工激励函数方法来模拟地铁行车荷载。

目前，地铁振动荷载的研究虽然取得一些成果，但也存在一些不足。许多学者为了计算方便，将列车与轨道之间的相互作用进行简化，在参数选择时，通常将地铁隧道周围土体假设为具有连续质量的弹性体，并未考虑三维土层本身波动特性的影响，故计算结果与实际有一定的差别。

3 地铁荷载作用下黏性土动力特性的试验研究

3.1 现场测试

Jenkins等[14]曾指出，随着地铁运行速度的提高，产生地铁列车振动的主要因素包括轨道整体的不平顺或车轮的缺陷等。近年来，Sankar等[15]、Thompson[16]利用现场试验分析地面上地铁荷载作用下产生的地面振动。

刘莎[17]基于上海地区隧道周围饱和淤泥质软黏土，通过现场监测试验、室内循环三轴试验，研究了在地铁行车荷载作用下饱和软黏土的动力特性。通过研究发现：在偏离地铁隧道轴线的水平方向上，随着偏离距离的增加，地铁振动荷载及其引起的土体动力响应按照一定规律衰减。

赵书凯[18]基于现场实测数据，对地铁行车荷载作用下饱和软黏土的变形特性进行了研究，研究表明：在加载初期，隧道周围土体的轴向变形没有立即增加，而是发生明显的回弹现象；隧道侧壁处土体的变形相对较小，底部土体变形曲线由回弹阶段立即进入塑性变形阶段，并产生较大的轴向变形。

张曦[19]通过对上海地铁隧道周围软黏土现场监测，监测结果表明：地铁列车通过时所引起的响应频率有高频[2.4～2.6Hz]和低频[0.4～0.6Hz]两种。在深度方向上，8.5m处土体响应应力幅值最大变化为0.23kPa；11.5m处土体响应应力幅值最大变化为0.7kPa；13.5m处土体响应应力幅值最大变化为1.15kPa，土体响应应力幅值的变化与深度大致呈线性关系。

葛世平[20]通过对上海地铁9号线隧道周围土体进行长期监测，监测结果表明：在地铁列车经过时，隧道周围土体中产生孔隙水压力并逐渐上升；在竖直方向，随着深度的增加，孔隙水压力先增加后减小，在拱腰周围产生的孔隙水压力最大，而在水平方向，孔隙水压力随着水平距离增大而减小，呈反漏斗状；在地铁停止运营后，随着地铁行车荷载作用的消失，孔隙水压力开始消散，停运5分钟后，孔隙水压力消散约80%。

由于受到试验仪器和测试费用的限制，目前仅对地铁荷载作用下的隧道底部路基进行振动位移、速度以及加速度等相关测试，而且现有的大部分研究仅限于地铁振动荷载引起的地面振动对周围环境的测试，未能对土体内部的动应力状态进行准确测试。

3.2 室内试验

Seed[21]进行饱和软黏土的动强度试验，注意到在一定压力固结稳定的试件经动荷载作用后产生附加变形，并指出在动应力频率和持续时间不变的情况下，该附加变形由固结压力大小、动应力大小以及循环次数三个因素决定。

张柯[22]以西安地铁为工程背景，研究了地铁列车荷载作用下黄土的残余应变，并分析了初始固结围压、排水条件、动应力幅值等因素对饱和黄土残余应变的影响。研究发现：在正常固结状态下，黄土的残余应变随着动应力幅值的增加而增大；在其他条件相同时，随着超固结比的增大，残余应变逐渐下降；在排水条件下，黄土的残余应变逐渐趋于稳定值并不发生破坏，而在不排水状态下，黄土的残余应变逐渐增大直至发生破坏。

唐益群等[23]以上海原状淤泥质黏土为研究对象，通过室内循环三轴试验，模拟地铁运营过程中产生的振动荷载，研究地铁荷载作用下上海淤泥质黏土的累积应变、孔隙水压力变化规律，并分析加载过程中排水状态对土体特性的影响。

隋学斌[13]通过对青岛第四系冲洪积粉质黏土进行室内动三轴试验，在试验得到粉质黏土相应动参数的基础上，对青岛地区穿越粉质黏土地质类型的三种不同形状地铁隧道，应用ANSYS软件对其进行动响应分析。

张涛[24]通过GDS循环三轴试验系统对杭州地铁隧道周围饱和软黏土进行动力测试，研究了固结度、固结应力、循环应力比、排水条件对土体动力特性的影响。

葛世平[20]通过有限元软件结合上海地铁实测数据，对上海地铁隧道周围土体进行了动力响应分析，结果表明：在地铁行车荷载作用下，隧道竖向的变形很小，而隧道周围土体沉降以隧道为中心向四周环形扩散；拱顶处的沉降最大，水平方向和竖直方向的沉降分布不均匀，但隧道以整体沉降为主。

丁智[25]采用室内动三轴试验对杭州地区原状淤泥质黏土在地铁行车荷载作用下的孔压特性进行了研究，研究结果表明：在部分排水状态下，孔压先逐渐增大，达到峰值后逐渐减小并趋于稳定值；初始固结度对孔压发展有较大的影响，固结度越低，峰值孔压越大，稳定后的孔压也越大。

国内针对地铁振动荷载的模拟，大多数局限于正弦循环荷载，且研究的重点也基本局限于动应力幅值、振动频率以及振动次数对土体的强度、变形和孔压的影响(见下表)。目前为止，对于考虑循环荷载的脉冲特性，合理地模拟地铁振动荷载作用下黏性土的动力特性研究很少，尤其是缺乏考虑复杂应力状态和应力路径对黏性土中动应力、动应变和动孔压发展过程的影响研究。

近几年黏性土动力特性研究

4 需进一步研究的课题

地铁行车荷载是一种特殊的长时间且循环往复施加的荷载，属于长期循环荷载范畴。国内外学者对地铁行车荷载作用下黏性土的动力特性进行了相关研究，综合考虑了动应力幅值、加荷次数、振动频率、土体围压和固结比等因素的影响，得到了土体强度、变形、孔隙水压力等方面的变化规律。但绝大多数研究都基于理论分析，并没有很好的模拟实际地铁运营过程中产生的振动荷载，得到的研究成果虽具一定理论意义，但用于指导解决实际地铁振动产生的问题时仍具很大的局限性。为此，提出以下关于地铁荷载作用下黏性土动力特性方面尚需进一步研究的课题。

(1) 由于土体具有极大的结构性和空间变异性，不同地区土体的动力特性具有一定的差异，因此应深入开展地铁在运行过程中隧道周围黏性土动应力现场测试，研究黏性体内部的附加动应力分布情况和变化规律，结合室内试验相关成果，综合分析地铁行车荷载对黏性土的影响，为今后研究黏性土体长期累积变形打下坚实基础，为地铁长期运营造成的隧道不均匀沉降提供依据。

(2) 在模拟地铁行车荷载时，要建立合理的动力耦合系统模型，详细分析影响土体附加应力的因素，如速度、土的非线性特征等，其研究理论不仅要基于弹性、塑性和黏性等理论，同时也要借助分形和混沌理论等一些非线性理论进行研究。充分建立能考虑地铁隧道和土体系统的耦合模型，进一步揭示地铁荷载下土体动强度、变形和孔压的发展规律。

(3) 在地铁运行过程中，造成隧道周围土体的变形主要由其内部结构变化所形成的，由于土单元在变形过程中一直处于动态平衡状态，因此基于不同时空效应，土体内部的微观结构具有各自独特的特征，所以从微观角度研究分析黏性土的变形破坏机理，并建立微观和宏观的平台，也将是下一步研究的方向。

(4) 充分利用离心模型设计试验平台、动三轴试验、空心圆柱试验、振动剪切试验等进行对比分析，考虑复杂应力状态和应力路径对土体的变形、强度和孔压特性的影响，进一步建立地铁荷载下黏性土动本构模型，对实际工程有重要的指导意义。