富水黄土隧道隧底动力特性研究
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摘要
为了解决高速列车振动荷载作用下隧底富水黄土可能出现的泥化、软化问题,本论文以郑西铁路客运专线张茅富水黄土隧道为依托,结合现场施工情况,对富水黄土隧道施工阶段的防排水措施进行了研究。在此基础上,应用现场试验、数值计算和理论分析方法,对隧底可能出现的泥化和软化问题进行了系统而深入的开创性研究。具体工作包括：
(1)结合论文的研究课题背景,对国内外高速铁路、高速铁路隧道、大断面黄土隧道和激振试验的研究进展,进行了较为详细的介绍。
(2)针对张茅富水黄土隧道的施工方法,提出施工阶段“封闭、集中、保护、早强”的防排水措施,取得了良好效果,并在现场试验中得到了验证。
(3)借助自行研发的DTS-1型高速列车激振试验系统,首次在黄土隧道内进行现场激振试验,掌握了富水黄土隧道及围岩在高速列车动荷载作用下的动力特性和变形规律。总结如下：
①加载面的动位移在激振频率为21Hz之前,随激振频率的加大增长速率较快,为非线性增长；在21Hz之后增长速率变缓,近似为线性变化。230万次激振后,加载面累积沉降不大于0.32mm。
②垂直振动速度沿仰拱深度方向的传递和衰减规律为：仰拱内不明显的衰减、拱底混凝土与黄土交界区域一定范围内的突变和拱底黄土中的非线性快速衰减；结合波动理论,解释了突变发生的必然性和影响突变的因素。此外,还得到了垂直振动速度沿隧道截面横向和纵向的衰减规律。
③当激振频率≤21Hz时,加载面振动速度随激振频率的提高变化不大且近似为线性增加,当激振频率>21Hz时,仰拱填充面振动速度随激振频率的增高呈快速非线性增长。加载面的最大振动速度为1.61mm/s。
④通过现场激振试验,得出不同激振频率下动应力与激振时间的关系、同一激振频率下动应力与累计激振次数的关系、不同激振频率下动应力与深度变化的关系和同
激振频率下动应力与激振次数的关系,揭示了现场试验条件下,动应力具有对激振时间、激振频率均不敏感的特性。
⑤通过现场激振试验,得出不同频率动荷载作用下,仰拱回填混凝土内应变与激振时间的关系,揭示了在现场试验条件下,动应变具有对激振频率不敏感的特性。
⑥通过现场激振试验,得出不同激振频率下仰拱底部附近的黄土围岩中超静水压与激振时间的关系；发现超静水压基本不变,表明超静水压对激振频率不敏感；超静水压绝对最大值为0.1kPa,不能对拱底黄土产生软化作用。
⑦隧底黄土在激振试验前后的性质基本没有改变,表明富水黄土没有泥化和软化,满足高速铁路隧道对地基的要求。
(4)利用计算机软件Plaxis 2D动力模块,对激振试验进行了模拟,分析了4种频率下隧道一地基体系的动力响应：在此基础上,开展了三维动力有限元分析,得出激振沿隧道纵向的影响范围为加载面两侧各约18m。此外,结合实测值和理论关系,对数值分析结果的正确性进行了验证。
(5)在现场试验和数值分析的基础上,得出了动应力和振动速度沿深度的发展规律,提出了动应力的衰减表达式,从理论上对振动速度在仰拱和拱底黄土交界面附近的突变进行了解释。
(6)基于现场试验和数值分析结果,得出激振的影响深度为加载面以下约6m,即仰拱底部约3m处。
(7)现场试验和数值分析发现,仰拱内回填混凝土的应变最大值不超过3μ,表明回填混凝土的应力水平很低,因此仰拱回填材料可以优化；仰拱底面处的动应力和振动强度很小,仰拱厚度也可以考虑优化。
(8)以弹性动力学为基础,借助两相介质Biot动力学方程,研究了动荷载作用下隧道一地基体系的动力响应,得出了特殊情况下的解析解,提出了进一步研究的重要性和必要性。
研究结果表明,在激振动荷载作用下,拱底富水黄土不会泥化和软化,隧道基础是稳定的；230万次激振完成后加载面累积沉降不大于0.32mm,张茅富水黄土隧道工后沉降能满足高速铁路安全运营要求。
To solve the problem of possible mudding and softening of water-rich loess below a tunnel invert under high-speed rail train dynamic loading, a research was conducted and documented in this dissertation. This research utilized the Zhangmao Tunnel through water-rich loess on the Zhengzhou-Xi'an Passenger Dedicated Line (PDL) as a target and considered the construction situation in the field. The research work started with developing measures of drainage and waterproof for the tunnel during construction. Based on the development, a systematic and detailed investigation was performed by means of in-situ experiment, numerical computation and theoretical analysis. The tasks for the research consist of the following items:
(1) According to the background of the research topic, an introduction was presented in relatively detail to the research status concerning high-speed rail, high-speed rail tunnel, large cross-section loess tunnel and field forced excitation tests all over the world.
(2) Aiming at the construction method for the Zhangmao Tunnel, which is a water-rich loess tunnel, a measure of drainage and waterproof was developed, which includes "sealing excavation surface, concentrating seepage, protecting excavation surface, and strengthening shotcrete." This measure achieved excellent results, which were verified by Light Dynamic Penetration Tests.
(3) Using the DTS-1 Dynamic Test System that was specially developed by Southwest Jiaotong University to simulate high-speed rail train loading, field forced vibration tests were conducted in a loess tunnel for the first time. Dynamic characteristics and deformation relationships of a water-rich loess tunnel and surrounding rock under high-speed rail train loading were obtained. They can be summarized as follows.
①Before excitation frequency reaches 21Hz, dynamic displacement on the loading surface increases quickly with excitation frequency in a nonlinear fashion. Afterwards the rate of increase slows down and can be regarded linear approximately. Accumulative settlement on the loading surface is less than or equal to 0.32 mm after 2.3 million times of excitation.
②Transmission and attenuation law of vertical vibration velocity along depth of tunnel invert can be described as that attenuation in invert is not obvious, there is mutation in a region near the interface of loess and invert concrete, and there is nonlinear quick attenuation in loess under the invert. Inevitability of mutation and corresponding impact factors are explained with the wave theory. In addition, attenuation laws of vertical vibration velocity along the transverse and longitudinal directions of the tunnel cross section are obtained.
③When excitation frequency is lower than or equal to 21 Hz, vibration velocity on the loading surface changes very little with the increase of excitation frequency and can be regarded as appreciatively linear increase. When excitation frequency is higher than 21 Hz, vibration velocity on the loading surface increases quickly in a nonlinear relationship with excitation frequency. The maximum vibration velocity on the loading surface is 1.61 mm/s.
④By conducting field forced excitation experiments in the loess tunnel, the relationship between dynamic stress and dynamic load time under different frequencies, the relationship between dynamic stress and accumulative number of excitation under the same frequency, the relationship between dynamic stress and depth under different frequencies, the relationship between dynamic stress and number of excitation under the same frequency were obtained. It is found that dynamic stress is neither sensitive to excitation time nor to excitation frequency under the experimental conditions.
⑤By conducting field forced excitation experiments in the loess tunnel, the relationship between dynamic strain in the concrete invert backfill and excitation time was obtained under dynamic loading with different frequencies, Dynamic strain is found not sensitive to excitation frequency.
⑥By conducting field forced excitation experiments in the loess tunnel, the relationship between excess pore pressure below the invert and excitation time was obtained. Excess pore pressure is found basically unchanged, which indicates that excess pore pressure is not sensitive to excitation frequency. With the maximum value of 0.1 kPa, excess pore pressure can not soften the loess below the invert.
⑦Properties of the loess below the invert after excitation experiments have little change, which shows that the water-rich loess below the invert is not mudded or softened and can meet the requirements of high-speed rail for the tunnel foundation.
(4) Using the dynamic module of the computer program Plaxis 2D, simulations of the excitation experiments were conducted and dynamic response of the tunnel-foundation system was analyzed with four different frequencies. Furthermore,3-dimension finite element method analysis was carried out and the results indicate that the influence range of excitation along the tunnel longitudinal direction is approximately 18 m on both sides of the loading surface. The numerical analysis results were verified by combining the in-situ measurements and theoretical relationships.
(5) Based on the field experiments and numerical analyses, variations of dynamic stress and vibration velocity along the depth was obtained and expression for attenuation of dynamic stress was proposed. The mutation of vibration velocity near the interface between the arch invert and the loess was explained theoretically.
(6) Based on the results of the field experiments and numerical analyses, the depth influenced by excitation is approximately 6 m below the loading surface, i.e., the influenced depth is about 3 m below the invert.
(7) It is found in the results of the field experiments and numerical analyses that the maximum strain of the concrete invert backfill does not exceed 3μ, which indicates the stress level of the concrete invert backfill is low. Therefore, the backfill material can be optimized for the invert arch. The dynamic stress and vibration intensity at the bottom of the invert arch are very small, thus the thickness of the invert can be also considered to be optimized.
(8) Based on elastodynamics and making use of the Biot kinetic equations for two-phase media, dynamic response of the tunnel-foundation system was studied and an analytical solution was obtained for the special conditions. Moreover, importance and necessity for further study were discussed.
Results of the research presented in this dissertation illustrate that the water-rich loess below the tunnel invert will not be mudded and softened and the accumulative settlement on the loading surface under 2.3 million times of dynamic excitation is less than 0.32 mm. Therefore, the foundation of the water-rich tunnel is stable and the tunnel is capable of meeting the safety requirement for the high-speed rail's operation.
(1)结合论文的研究课题背景,对国内外高速铁路、高速铁路隧道、大断面黄土隧道和激振试验的研究进展,进行了较为详细的介绍。
(2)针对张茅富水黄土隧道的施工方法,提出施工阶段“封闭、集中、保护、早强”的防排水措施,取得了良好效果,并在现场试验中得到了验证。
(3)借助自行研发的DTS-1型高速列车激振试验系统,首次在黄土隧道内进行现场激振试验,掌握了富水黄土隧道及围岩在高速列车动荷载作用下的动力特性和变形规律。总结如下：
①加载面的动位移在激振频率为21Hz之前,随激振频率的加大增长速率较快,为非线性增长；在21Hz之后增长速率变缓,近似为线性变化。230万次激振后,加载面累积沉降不大于0.32mm。
②垂直振动速度沿仰拱深度方向的传递和衰减规律为：仰拱内不明显的衰减、拱底混凝土与黄土交界区域一定范围内的突变和拱底黄土中的非线性快速衰减；结合波动理论,解释了突变发生的必然性和影响突变的因素。此外,还得到了垂直振动速度沿隧道截面横向和纵向的衰减规律。
③当激振频率≤21Hz时,加载面振动速度随激振频率的提高变化不大且近似为线性增加,当激振频率>21Hz时,仰拱填充面振动速度随激振频率的增高呈快速非线性增长。加载面的最大振动速度为1.61mm/s。
④通过现场激振试验,得出不同激振频率下动应力与激振时间的关系、同一激振频率下动应力与累计激振次数的关系、不同激振频率下动应力与深度变化的关系和同
激振频率下动应力与激振次数的关系,揭示了现场试验条件下,动应力具有对激振时间、激振频率均不敏感的特性。
⑤通过现场激振试验,得出不同频率动荷载作用下,仰拱回填混凝土内应变与激振时间的关系,揭示了在现场试验条件下,动应变具有对激振频率不敏感的特性。
⑥通过现场激振试验,得出不同激振频率下仰拱底部附近的黄土围岩中超静水压与激振时间的关系；发现超静水压基本不变,表明超静水压对激振频率不敏感；超静水压绝对最大值为0.1kPa,不能对拱底黄土产生软化作用。
⑦隧底黄土在激振试验前后的性质基本没有改变,表明富水黄土没有泥化和软化,满足高速铁路隧道对地基的要求。
(4)利用计算机软件Plaxis 2D动力模块,对激振试验进行了模拟,分析了4种频率下隧道一地基体系的动力响应：在此基础上,开展了三维动力有限元分析,得出激振沿隧道纵向的影响范围为加载面两侧各约18m。此外,结合实测值和理论关系,对数值分析结果的正确性进行了验证。
(5)在现场试验和数值分析的基础上,得出了动应力和振动速度沿深度的发展规律,提出了动应力的衰减表达式,从理论上对振动速度在仰拱和拱底黄土交界面附近的突变进行了解释。
(6)基于现场试验和数值分析结果,得出激振的影响深度为加载面以下约6m,即仰拱底部约3m处。
(7)现场试验和数值分析发现,仰拱内回填混凝土的应变最大值不超过3μ,表明回填混凝土的应力水平很低,因此仰拱回填材料可以优化；仰拱底面处的动应力和振动强度很小,仰拱厚度也可以考虑优化。
(8)以弹性动力学为基础,借助两相介质Biot动力学方程,研究了动荷载作用下隧道一地基体系的动力响应,得出了特殊情况下的解析解,提出了进一步研究的重要性和必要性。
研究结果表明,在激振动荷载作用下,拱底富水黄土不会泥化和软化,隧道基础是稳定的；230万次激振完成后加载面累积沉降不大于0.32mm,张茅富水黄土隧道工后沉降能满足高速铁路安全运营要求。
To solve the problem of possible mudding and softening of water-rich loess below a tunnel invert under high-speed rail train dynamic loading, a research was conducted and documented in this dissertation. This research utilized the Zhangmao Tunnel through water-rich loess on the Zhengzhou-Xi'an Passenger Dedicated Line (PDL) as a target and considered the construction situation in the field. The research work started with developing measures of drainage and waterproof for the tunnel during construction. Based on the development, a systematic and detailed investigation was performed by means of in-situ experiment, numerical computation and theoretical analysis. The tasks for the research consist of the following items:
(1) According to the background of the research topic, an introduction was presented in relatively detail to the research status concerning high-speed rail, high-speed rail tunnel, large cross-section loess tunnel and field forced excitation tests all over the world.
(2) Aiming at the construction method for the Zhangmao Tunnel, which is a water-rich loess tunnel, a measure of drainage and waterproof was developed, which includes "sealing excavation surface, concentrating seepage, protecting excavation surface, and strengthening shotcrete." This measure achieved excellent results, which were verified by Light Dynamic Penetration Tests.
(3) Using the DTS-1 Dynamic Test System that was specially developed by Southwest Jiaotong University to simulate high-speed rail train loading, field forced vibration tests were conducted in a loess tunnel for the first time. Dynamic characteristics and deformation relationships of a water-rich loess tunnel and surrounding rock under high-speed rail train loading were obtained. They can be summarized as follows.
①Before excitation frequency reaches 21Hz, dynamic displacement on the loading surface increases quickly with excitation frequency in a nonlinear fashion. Afterwards the rate of increase slows down and can be regarded linear approximately. Accumulative settlement on the loading surface is less than or equal to 0.32 mm after 2.3 million times of excitation.
②Transmission and attenuation law of vertical vibration velocity along depth of tunnel invert can be described as that attenuation in invert is not obvious, there is mutation in a region near the interface of loess and invert concrete, and there is nonlinear quick attenuation in loess under the invert. Inevitability of mutation and corresponding impact factors are explained with the wave theory. In addition, attenuation laws of vertical vibration velocity along the transverse and longitudinal directions of the tunnel cross section are obtained.
③When excitation frequency is lower than or equal to 21 Hz, vibration velocity on the loading surface changes very little with the increase of excitation frequency and can be regarded as appreciatively linear increase. When excitation frequency is higher than 21 Hz, vibration velocity on the loading surface increases quickly in a nonlinear relationship with excitation frequency. The maximum vibration velocity on the loading surface is 1.61 mm/s.
④By conducting field forced excitation experiments in the loess tunnel, the relationship between dynamic stress and dynamic load time under different frequencies, the relationship between dynamic stress and accumulative number of excitation under the same frequency, the relationship between dynamic stress and depth under different frequencies, the relationship between dynamic stress and number of excitation under the same frequency were obtained. It is found that dynamic stress is neither sensitive to excitation time nor to excitation frequency under the experimental conditions.
⑤By conducting field forced excitation experiments in the loess tunnel, the relationship between dynamic strain in the concrete invert backfill and excitation time was obtained under dynamic loading with different frequencies, Dynamic strain is found not sensitive to excitation frequency.
⑥By conducting field forced excitation experiments in the loess tunnel, the relationship between excess pore pressure below the invert and excitation time was obtained. Excess pore pressure is found basically unchanged, which indicates that excess pore pressure is not sensitive to excitation frequency. With the maximum value of 0.1 kPa, excess pore pressure can not soften the loess below the invert.
⑦Properties of the loess below the invert after excitation experiments have little change, which shows that the water-rich loess below the invert is not mudded or softened and can meet the requirements of high-speed rail for the tunnel foundation.
(4) Using the dynamic module of the computer program Plaxis 2D, simulations of the excitation experiments were conducted and dynamic response of the tunnel-foundation system was analyzed with four different frequencies. Furthermore,3-dimension finite element method analysis was carried out and the results indicate that the influence range of excitation along the tunnel longitudinal direction is approximately 18 m on both sides of the loading surface. The numerical analysis results were verified by combining the in-situ measurements and theoretical relationships.
(5) Based on the field experiments and numerical analyses, variations of dynamic stress and vibration velocity along the depth was obtained and expression for attenuation of dynamic stress was proposed. The mutation of vibration velocity near the interface between the arch invert and the loess was explained theoretically.
(6) Based on the results of the field experiments and numerical analyses, the depth influenced by excitation is approximately 6 m below the loading surface, i.e., the influenced depth is about 3 m below the invert.
(7) It is found in the results of the field experiments and numerical analyses that the maximum strain of the concrete invert backfill does not exceed 3μ, which indicates the stress level of the concrete invert backfill is low. Therefore, the backfill material can be optimized for the invert arch. The dynamic stress and vibration intensity at the bottom of the invert arch are very small, thus the thickness of the invert can be also considered to be optimized.
(8) Based on elastodynamics and making use of the Biot kinetic equations for two-phase media, dynamic response of the tunnel-foundation system was studied and an analytical solution was obtained for the special conditions. Moreover, importance and necessity for further study were discussed.
Results of the research presented in this dissertation illustrate that the water-rich loess below the tunnel invert will not be mudded and softened and the accumulative settlement on the loading surface under 2.3 million times of dynamic excitation is less than 0.32 mm. Therefore, the foundation of the water-rich tunnel is stable and the tunnel is capable of meeting the safety requirement for the high-speed rail's operation.
引文
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