地铁行车荷载作用下饱和软黏土渗透特性及其微观演化机理研究

Considering the permeability characteristics of soft clay under subway operation loading, taking the subway project as the engineering background, by means of macro-micro test combined with theory analysis, research of the permeability characteristics of Ningbo clay under cyclic loading are carried out to explore the effects of different factors on permeability coefficient of soft clay. Studies on the evolution characteristics of microstructure of saturated soft clay subjected to cyclic loading by using real-time computed tomography (CT) scanning experiment are conducted, and the quantitative relationship between porosity structure characteristics and pore ratio is established. An evolution mathematical model between permeability coefficient and microstructure parameters of soft clay is built basing on the Kozeny-Carman model, and then the evolution mechanism of permeability properties of soft clay under cyclic loading is revealed. It can provide scientific basis and technical support for safety construction and operation of metro projects in coastal areas.

本项目以深化认知地铁行车荷载作用下饱和软黏土的渗透特性为主线，以地铁工程为工程背景，以宁波软黏土为研究对象，采用宏微观试验与理论分析相结合的手段，模拟地铁行车荷载开展考虑不同影响因素循环荷载下软黏土渗透特性试验，研究不同因素影响下软黏土渗透系数变化规律；从微观角度入手，开展CT扫描试验，分析循环荷载作用下软黏土微观结构演变特征，建立微观结构参量与宏观孔隙比间的定量关系；在此基础上，结合Kozeny-Carman渗流模型，构建软黏土渗透系数与微观结构参量间的演化数学模型，揭示循环荷载作用下软黏土渗透特性演化机理，为指导沿海地区地铁工程安全施工与运营提供理论依据和技术支持。

地铁行车荷载作用下，软黏土地基会产生较大的沉降或不均匀沉降，严重影响隧道结构性能。软黏土变形演化规律与其渗透特性密切相关，但是，地铁行车荷载作用下软黏土渗透特性研究较少。本项目采用宏微观试验与理论分析相结合的手段，模拟地铁行车荷载开展考虑不同影响因素变围压循环荷载下软黏土渗透特性试验，研究不同因素影响下软黏土渗透系数变化规律；从微观角度入手，结合微观结构演变特征，分析微结构参数对软黏土渗透特性的影响，揭示软黏土在循环荷载作用下的渗透系数微观演化机理；在此基础上，耦合宏微观影响因子对软黏土渗透系数的影响，提出考虑循环荷载和微观结构特征的软黏土渗透系数估算方法。通过上述研究，系统分析了循环围压、静偏应力、超固结比和振动过程中排水条件等因素影响下的软黏土变形发展特性、孔压演化规律和阻尼比变化特征，构建了考虑循环围压、循环偏应力和加载频率影响的软黏土渗透系数模型；结合分维理论，分析了循环荷载作用下软黏土微观结构演化规律，建立了微观结构孔隙率与宏观孔隙比间的定量关系；基于Kozeny-Carman 渗流模型，引入考虑微观结构特征的宏观孔隙比表达式，提出了软黏土宏观渗透系数与微观结构参量之间的演化数学模型，揭示了循环荷载作用下软黏土渗透特性动态演变的物理机制，为指导沿海地区地铁工程安全施工与运营提供理论依据和技术支持。