第一章 绪 论
1.1 问题的提出
具有湿陷性质的黄土多属于非饱和土，且多具有欠压密性质，湿陷性黄土常常存在大孔隙结构，当含水率变化（增湿）时，土的强度会显著降低，导致明显的湿陷变形，且变形具有沉降速率大，下沉速度快的特点，对建筑物危害较大[1-4]。因此在湿陷性明显的黄土地层修建地铁隧道，应采取适当的工程技术，保证地基土含水率变化（增湿）条件下，黄土浸水湿陷变形不会对建筑物产生过大的危害。大厚度湿陷性黄土通常指浸水湿陷黄土厚度超过 15m 的黄土地层，近几年随着我国经济发展和交通、建筑等基建事业的发展，地面建设用地日益减少，因此许多大型建设项目（地铁、高层等），不得不在大厚度湿陷性黄土地层建设，为达到工程建设的要求，对于大厚度湿陷黄土地层的地基处理深度和难度也日益增大。现有研究显示，目前对湿陷性黄土的地基处理方法，一般只能处理地基以下 10～15m 地层的湿陷性，且处理效果并不十分理想，因此尚需对大厚度湿陷地层地铁建设过程进行深入研究[5-20]。西安市域快速轨道交通临潼线区间湿陷性黄土层为 23.2m 左右，如何合理的处理地铁大厚度湿陷性黄土地层缺乏工程经验，存在较大的盲目性，成为困扰黄土地区地铁技术人员的一个技术难题。大厚度湿陷性黄土地层在遇水的情况下，强度一般可满足浅埋暗挖隧道的施工的要求，但地层浸湿后，结构的上覆土层在自重应力的作用下发生湿陷，隧道结构的安全性有着巨大的隐患。由西安地铁临潼线（田王站～紫霞三路站间）、五号线（岳家寨站～长鸣路站间）的现场勘察资料显示，这两段的地铁站与区间隧道所处的场地均属于大厚度湿陷性黄土地层，湿陷厚度较大，从地面起算，黄土地基湿陷等级约为Ⅲ级（严重）或Ⅳ级（很严重），且通过一定的调线措施还无法避免基础地面以下存在湿陷性黄土地基的情况。如果依据现行的《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）中条文规定，地铁工程属于甲类建筑工程，《规范》指出必须全部消除基底土体的湿陷性，一方面由于地下结构无论是承载能力还是从结构与围岩的相互作用等方面均与地面结构差异甚远，另一方面对于矿山法隧道、盾构法隧道而言，地铁工程的施工场地也相对有限，消除其基础底面以下的湿陷性，在国内外还是一个难题。目前我国尚未制定针对湿陷黄土区的地铁隧道地基或地下工程基础的相关规范，故深入研究地铁隧道地基的湿陷变形特性以及变形条件对地铁隧道结构及基础受力的影响，并解决大厚度黄土区地铁建设时遇到的地铁隧底基础黄土湿陷问题具有重要的实用意义[21]。
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1.2 国内外研究现状和发展趋势
国内学者也在大厚度湿陷性黄土评价领域做了大量的研究工作，同时取得了卓有成效的研究成果。目前，我国执行的标准《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）中指出，黄土湿陷性评价主要包括了如下四个方面的内容：黄土的浸水湿陷性评价，黄土层浸水湿陷程度评价，黄土层湿陷种类评价，黄土场地湿陷性等级评价。黄土地基的湿陷种类是湿陷性黄土场地进行勘察报告并评价的最主要内容，工程上目前黄土的自重湿陷量常常采用如下两种方法得到：一是黄土室内常规压缩试验，即通过室内试验计算得到；二是黄土场地试坑浸水试验（即现场实测）得到，称之为―现场实测值‖。由于黄土自身的特殊性，―室内计算值‖与―现场实测值‖经常存在差异。规范中规定现场浸水试验作为评价黄土湿陷等级的一种手段，国内多家单位已经采用该方法进行了大量研究，如西安建大和有关单位合作，先后在富平等地区进行了现场试验和浸水试验，讨论了黄土场地的湿陷类型和荷载作用下的湿陷性等级评价等 。另外甘肃科研研究院在宁夏某施工场地进行了现场浸水试验，分析了黄土场地湿陷性和浸水时间的关系，浸水量和浸水时间的关系，并给出了黄土地基的湿陷性处理方法等。西北电力设计院等单位基于2Q黄土的湿陷特性，在陕西蒲城等黄土区开展了较大面积试坑现场浸水试验，研究结果纠正了先前普遍认为2Q 黄土层不具湿陷性的错误认知，为2Q 黄土层研究提供了基础。机械工业勘察设计研究院等单位在郑西客运专线、中海国际社区、黄渠头等地做了大量的黄土试坑浸水试验和桩基浸水载荷试验，分析总结了湿陷性黄土浸水变化规律，取得了一定的研究成果。另外，长安大学课题组在湿陷性黄土与工程方面做了大量的理论与试验研究，取得了不菲的研究成果[22-35],这些成果为以后开展湿陷性黄土地铁隧道浸水湿陷研究奠定了良好的基础。近年来，许多研究人员开始关注高速铁路修建过程中的黄土地基湿陷问题[36-37]、高速公路路基湿陷问题[38-39]、隧道地基湿陷问题[40-41]，并以此进行了系列研究。在黄土湿陷理论方面，国内外学者利用理论、数值等手段同时开展了大规模研究，取得了可喜的成果[42-56],这些成果都为此后的研究提供了坚实的理论指导。
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第二章 地铁穿越黄土地层浸水特性及入渗规律研究
2.1 引言
西安市地铁 9 号线（临潼线）一期工程（纺织城～秦汉大道）线路全长 25.296km；西起一、六号线的终点站纺织城，途径灞桥区、曲江临潼国家旅游度假区和临潼区。SYXLTKC-3 标含紫霞一路、芷阳五路、芷阳广场 3 座车站及紫霞三路～紫霞一路、紫霞一路～芷阳五路、芷阳五路～芷阳广场、芷阳广场～大学城 4 个区间，线路正线长度约 6666m。根据西安市已实施的地铁一、二、三号线工程对湿陷性黄土地基处理经验分析，地面线及明挖过渡段均可处理地基湿陷性，但对于地下段落中浅埋暗挖、盾构施工的隧道段均不易进行地基处理。在缺少湿陷性现场浸水试验资料的基础上，仅采用野外取土进行室内试验的湿陷性评价来决定该段落地下线路埋深调整或采取其它成本较大的湿陷性处理，依据有些欠缺。但准确评价该标段湿陷性，对浅埋暗挖、盾构施工的隧道段的设计至关重要，由于沿线湿陷黄土特殊性和复杂性与地铁的线路对地基的特殊要求及可供参考工程经验与研究成果很少，且本标段绝大部分地段均涉及到湿陷性黄土，特别是自重湿陷性黄土工程问题，因此有必要在该标段开展现场试坑浸水试验，来搞清楚湿陷性黄土的场地浸水情况下的湿陷规律，客观的判定沿线的黄土场地湿陷类型和地基湿陷等级以及湿陷深度是本标段的地铁线路中湿陷性黄土地基在处理前必须要准确查明的关键，以此做为基础，提出相关的湿陷性黄土地基的处理措施建议，为其后的优化设计提供相关的技术支持。与此同时，在现场浸水试验也可以为下一步进行室内试验提供基础资料。
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2.2 浸水试验设计及实施
现场试坑外沿与线路的距离为 60.0m。根据工程地质的勘探情况，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）中提出的规定：（1）本次浸水试坑挖成圆形，直径 20m，试坑深度 0.8m，在试坑底部铺设 10cm厚的砾石。为减小布设标点、传感器及取土孔作业对表层原状湿陷性土层的扰动影响，试坑先开挖 0.50m，布点后再人工清除表层 0.20～0.30m 至试验面。（2）试坑内的浸水试验水头高度始终保持 300～400mm，在浸水过程中，定时观测标点下沉量、耗水量、地下水水位变化、水分计、压力计等变化数据，每日巡查试坑周边原始地面裂缝发展情况。（3）为保证湿陷性黄土的地基能够充分的受水浸湿后饱和，且能够使地基充分湿陷，利用所有深标点作渗水孔，深标点 PVC 保护管外与土层之间填砾；另外为增加渗水效果，在坑底设置了 3 个 18.0m 深度的渗水孔，其中孔内由砂砾填筑。（4）停止向试坑内浸水之后，应连续观测至少 10d 以上，而且连续 5d 内的平均的下沉量应要小于 1mm/d，试验至此终止。（5）测试场地具体施工现场按照下列方法。
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第三章 基于土工离心试验系统的离心场浸水装置研发与调试.......30
3.1 引言 ........... 30
3.2 土工离心系统简介 ...... 30
3.2.1 离心模型试验原理 ...... 30
3.2.2 离心试验相似性 .......... 31
3.2.3 离心试验技术准则 ...... 34
3.3 离心试验基础平台 ...... 35
3.4 离心试验浸水装置改进..........37
3.5 本章小结....43
第四章 黄土地层浸水湿陷对地铁隧道结构影响机制离心试验........44
4.1 引言...........44
4.2 工程概况....44
4.3 离心模型设计.....46
4.4 试验结果分析.....56
4.5 本章小结.............62
第五章 黄土地层浸水湿陷对地铁隧道结构影响数值模拟分析........63
5.1 引言...........63
5.2 地铁隧道结构位移控制标准...........63
5.3 有限元计算关键技术.............64
5.4 有限元计算结果分析....66
5.5 数值结果与试验对比 ............. 95
5.6 本章小结 ............. 97
第六章 大厚度湿陷性黄土层下部剩余湿陷土层厚度控制标准研究
6.1 引言
大厚度湿陷性黄土场地，泛指湿陷性黄土层的厚度大于 15m 的黄土场地。近年来，建设用地日趋紧张，导致不得不在大厚度湿陷性黄土场地上，修建许多大型工程建设项目，从而地基处理的难度和深度也越来越大。现有的湿陷性黄土地基处理方法，一般只能消除基底下 10～15m 地基土的湿陷性，为满足工程建设要求，尚应研究行之有效的处理大厚度湿陷性黄土地基的新方法。西安市地铁临潼线的湿陷性黄土厚 23.2m，处理如此深厚的湿陷性黄土地基缺少经验，极具挑战，成为一个急需突破的瓶颈。相对于一般的典型地层，临潼线大厚度湿陷性黄土层，呈现中等或严重湿陷等级。本章结合离心模型试验结果，分析在不同的处理深度下湿陷面积发生范围对地基及浅埋暗挖隧道结构破坏的影响，预测一定的湿陷面积发生范围所对应的安全处理深度，隧道破坏程度和处理深度的关系及规律，制定大厚度自重湿陷性黄土地基处理的原则，建立大厚度湿陷性黄土土层合理处治厚度和优化剩余地基湿陷厚度控制标准，为施工和设计提供依据。
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结论
1.根据西安地铁临潼线现场试坑浸水试验结论分析，试验场地地基土中水的优势渗流方向为垂直向，水平向渗流较弱，浸水影响范围以试验坑直径为圆台顶面，浸润线与坑边缘垂线夹角约 30 度，时间效应对湿陷变形的作用明显。
2.依托长安大学土工离心机，研制了可在离心场下运行的浸水系统，实现了地铁隧道周边土体不同浸水工况的模拟，再现了地铁隧道不同浸水条件下的应力场，基于研发的试验系统可为系统开展黄土地区地铁隧道的浸水模拟提供试验平台。
3.系统开展了不同浸水工况的地铁隧道离心试验，增湿离心模型试验结果表明，地铁隧道基底下黄土地基的浸水湿陷会明显诱发隧道结构的附加作用应力，均匀浸水湿陷条件下会在隧道结构的左拱肩区域产生明显的附加弯矩值，非湿陷土层厚度越大，对于抵御湿陷变形的能力越强。全幅均匀浸水条件下地基表层的沉陷更为明显，半幅非均匀浸水条件下隧道结构弯矩附加变化区域和极值都相对较大，说明非均匀湿陷导致基底差异沉降是隧道结构体变形破坏的主要诱因之一。
4.借助有限元数值分析系统开展了浸水湿陷条件下隧道结构受力分析及基底土压力变化特性研究，各湿陷工况会引起隧道不同程度的沉降，全幅湿陷引起的沉降比半幅湿陷引起的沉降要大；隧底湿陷引起的沉降要大于隧周湿陷引起的沉降；隧底纵向半幅的最大沉降值要大于横向半幅湿陷导致的沉降。不均匀湿陷对隧道结构应力及内力的影响更大。无论隧周湿陷还是隧底湿陷，都可能对隧道结构带来不利影响，因此，必须采取有效的地基处理及隔水防渗措施，避免湿陷性黄土的浸水湿陷带来的不利影响。
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参考文献（略）