车载与温度作用下越江公路隧道周围软粘土响应与工程性质演化研究

正常营运期内，越江盾构公路隧道对周围软粘土的持续扰动行为主要包括隧道内车载循环振动作用与隧道对周围土体的热传导作用，二者的热－动力协同效应可能加剧土体工程性质劣化，成为隧道沿线及穿越地区周围出现城市环境地质灾害及工程灾害的重要诱因。目前国内外对粘性土热动力学行为与特性的研究尚未系统开展。本项目将结合南京长江公路隧道工程实例，开展越江公路隧道周围软粘土振动与热致响应规律、土体强度和变形热动力学演化规律、土体微结构热动力学演化规律等3个方面科学问题的研究，研究方法主要包括隧道周围土体响应的现场原位测试、衬砌结构－土体热动力耦合数值模拟、不同典型温度下土体的等温循环三轴试验以及土体微结构的SEM图像定量分析等。研究成果将有助于掌握越江公路隧道对周围地质环境的热动力扰动行为，揭示隧道周围软粘土热动力学特性与工程性质的热动力学演化规律，为城市地质环境保护与防灾减灾提供科学依据。

本课题研究工作主要包括4个部分：.1）隧道周围土体温度场演化规律；2）隧道瞬态车振响应特征；3）不同温度条件下土体物理力学性质演化规律4）循环荷载作用下土体力学性质演化细观数值模拟.所获得的研究成果包括：.（1）获得了隧道周围不同位置土体温度场随时间的变化规律，其整体趋势是对数曲线，可表示为 的形式，随着时间有增长的趋势，在时间t趋向于某一定值；曲线局部表现为正弦波动曲线 （其中T为温度，t为时间）。.（2）研究发现，在隧道边缘土体的温度相比于初始温度有较大的增幅。在隧道周围2米内，温度增幅最大的是下部土体，温度最大值与大气多年平均温度之差达6.87℃，与历史最低值高达8.21℃；而最低值在上部土体，分别为5.49℃和6.13℃；温度增幅由大到小顺序为下部>左侧>右侧>上部。当距离增加至3米处，上部土体温度增幅下降趋势大大降低；左侧土体也在3米后增幅下降，3-7米范围内，均是左侧土体温度增幅高于下部，下部高于右侧。.（3）在隧道中段（远离进出口）地下埋深设计较浅段，应考虑到隧道运行后热传导影响对隧道周围7米内土体有较大影响，会引起7米内土体不同幅度增温，在3米内增幅可达4-8℃。如果隧道顶部距离地面低于7米或在7米附近，再加上来自太阳辐射和大气温度影响的增幅，对于含有对温度较为敏感的化学成分的土体会受到较大影响。.（4）车振直接激励下，箱涵顶板与路面板振动加速度幅值最大，分别在20mg与50mg之间，而由于混凝土对振动信号的吸收与滤波，管片以及与管片相接触的箱涵底板的Z向加速度峰值衰减到3mg~5mg之间。可见，隧道管片对周围土体振动的加速度峰值最大为5mg，并随隧道圆周分布而减小。此外，管片在X向与Y向也对土体有振动作用，加速度峰值约在0.5mg左右。.（5）由于隧道内连续通行车队，车辆的激励频率复杂，但Z向激振的优势频率为250Hz附近，Y向激励的优势频率也在250Hz附件，X向激励的优势频率则不明显。.（6）土体的粘聚力也存在明显的温度效应，但这主要取决于土体的饱和度。当饱和度较大时，粘聚力随温度的升高而降低；当饱和度降低，粘聚力则有可能随温度的升高而升高。最大上升速率可达0.92kPa/℃，最大下降速率为-1.11kPa/℃.（7）试样的内摩擦角随温度的变化较小，在升温过程中，约以0.09°/℃的速率减小。