寧波軟土工程地質特性及本構模型研究

■吳偉良 ■浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 嘉興 314001

1 寧波軟土研究現狀

關于寧波軟土工程特性的研究相對較少，目前已有的研究成果一般也只是針對某方面特性而展開的［1］。寧波軟土研究最早可追溯到二十世紀五十年代，由浙江大學、鐵科院合作研究，解決了寧波市鐵路路堤地基穩定問題，開辟了寧波軟土研究的先河。1981 年曾國熙等人對寧波軟土進行了以強度為主的研究，指導了杜湖水庫高壩地基的建設。1992 年朱向榮等人結合寧波爍社機場及舟山機場建設的經驗，對軟土變形進行了研究。二十世紀九十年代，在寧波地區大規模建設發展的要求下，軟土的相關研究慢慢變熱。蘇伯苓對寧波地區軟土的流變規律及工程實例應用進行研究，并取得顯著成果。為解決蕭甬鐵路寧波段工程問題，1997 年周全能等人詳細研究了寧波軟土工程地質特征，并指導鐵路建設的順利完成。進入二十一世紀，寧波軟土工程特性的研究越來越少，這與當今經濟發展節奏完全不符，很有必要對寧波軟土工程特性展開深入的研究，為各類工程提供必要的軟土地質工程資料。

2 寧波軟土工程地質特征

2.1 工程概況

寧波軟土地貌多為濱海相淤積平原，軟土覆蓋面積廣闊，工程場地基本分布于軟土層之上［2］。造成寧波城區建筑沉降變形的主要軟土層有兩層:第一層由全新世海相淤積泥質土組成，厚度較大，含水量大，多為流塑狀態，壓縮性高，厚度為2～20 米;第二層為上更新世海積層，厚度為28～45 米，壓縮性較第一層低，呈軟流塑狀態。寧波軟土具有海綿結構和大型的層理構造，由于含有較多有機質、粘粒多、結合水豐富、顆粒間粘結力弱，因此壓縮性較大，透水性差。本文主要以上述兩層軟土為例，對寧波軟土工程地質特征及本構模型進行研究。

2.2 工程地質特征

根據寧波軟土層的物理力學指標，可分析得到寧波軟土具有的工程地質特征有:

(1)含水量高。軟土的天然含水量w 一般超過液限wL5% 到10%，土體飽和度較高，液性指數大于1，Sr 大于94%，以粘性土軟硬度為標準進行劃分，軟土處于流塑狀態，流變性明顯。

(2)孔隙率高，壓縮性高。這類軟土受壓力后沉降比較大，屬于高壓縮性軟土，孔隙率大于1，壓縮系數平均值為0.76MPa-1，壓縮模量在2MPa 到3MPa 之間。

(3)滲透性較差。軟土層的顆粒成分以細顆粒為主，礦物成分以親水性及活動性較大的礦物為主，液限WL在30%到50%之間，擴散層的水膜厚度較大，滲透系數小。垂直方向的滲透系數約為2.12x10-7cm/s，水平方向滲透系數約為3.94x10-7cm/s。由上述分析可知，軟土地基上的建筑物的沉降周期較長，常常可達數十年，而且后期沉降比將會逐漸增大，因此在實際工程施工過程中應充分考慮到軟土的次固結沉降。

(4)抗剪強度較低。在寧波軟土地基修筑土壩、深基坑工程及路堤等工程時需要對軟土地基進行預處理或基坑支護。因為軟土粘聚力在4～30KPa 之間，內摩擦較小，直接影響到地基的承載力和邊坡的穩定性。

(5)寧波軟土靈敏度較高，靈敏度平均為4，屬于中等靈敏度軟土。靈敏度越大，表示土結構對強度的影響越大。由于寧波軟土的靈敏度大，土結構與強度的聯系較為緊密。寧波軟土結構受擾動后，強度常常降低75%左右，這對工程施工是很不利的，因此需盡量避免土體受到擾動。

3 本構模型研究

3.1 彈塑性損傷模型［3］

(1)軟土損傷基本理論

寧波軟土的結構性較強，其受力時粒間聯接不斷被破壞，這種微觀機制的變化使得軟土的土力學性質發生了變化。我們把軟土從原狀土向重塑土過渡，并伴隨著粒間結構破壞及顆粒結構重新排布的這個過程叫做損傷。1988 年沈珠江最早運用軟土損傷對土體本構關系進行研究，奠定了土體損傷力學模型的基礎。

采用損傷力學研究土體結構時可用損傷來描述土體結構破壞的過程，找出其演化的規律，并建立起含有損傷變量的本構方程。這樣能更詳細地描述天然軟土在受力后所表現出的應變性狀。

(2)損傷變量的確定

損傷變量就是在損傷力學中所定義的一個可以描述土體損傷演變過程的變量。根據損傷變量函數可計算出損傷變量的值:

W=(qu-q)/(qu-q’u)=1-e-a(ε1-εf)

qu、q’u 為原狀土和重塑土在無側限壓縮試驗中的應力峰值強度;q為應力峰值;εf為應力峰值qu所對應的軸向應變，ε1為應力值q 所對應的任一軸向應變;a 為損傷演化參數。

(3)建立本構關系

本文主要從損傷力學基本理論、應變增量的計算及彈性損傷矩陣三個方面對本構關系的建立進行介紹。

根據沈珠江(1993)提出的土體損傷理論，土體在受到壓力的作用時，其變形過程可以看成由原狀土向損傷土演變的過程，其力學參數可由下式計算得出:

S=(1-ω)Si+ωSd

S 為天然土體的力學參數，Si為原狀土的力學參數，Sd為損傷土的力學參數，ω 為損傷比。

由彈性矩陣可推算出:

根據上式，可依次對ω、A’d、{δfd/δσ}T進行計算。

(4)模型參數的確定

彈塑性損傷模型的參數一共有9 個，分別為λ、k、M、e0、u、A0、ea、q0和P0，其中能確定的只有8 個，確定過程如下:

①確定修正劍橋模型參數(λ、k、M)

M=6sinΦ/(3-sinΦ)

Φ 為內摩擦角。

λ=Cc/ln10，k=Cs/ln10

Cc、Cs分別為壓縮指數和回彈指數。

②其他參數的確定

Gs為軟土的相對密度;ω 含水量;γ 為軟土的天然容重。

3.2 彈粘塑性模型

本文結合寧波軟土蠕變實驗結果，在Borja 模型的基礎上，對彈粘塑性模型進行改進，用Mersi 模型代替singh-Mitchell 模型，建立一個適用于任何剪切應力水平范圍的本構模型。Borja模型的軟土蠕變包括體積蠕變和剪切蠕變兩種，分別屬于Taylor 次固結模型和singh 一Mitchell 模型，這兩者都是通過引入滯后變形項來計算軟土蠕變影響的［4］。

(1)體積蠕變模型t1

在相同固結壓力的情況下，體積蠕變模型中軟土的次固結系數一直保持不變。具體計算公式如下:

Φ=Ca/ln10，Ca為次壓縮系數，tv為體積蠕變時間。

(2)剪切蠕變模型

剪切蠕變經驗模型是建立在三軸流變實驗的基礎之上的，具體如下:

當時間一定時，該模型可簡化成指數型應力-應力模型，適用于剪切應力在20%～80%之間的土體，而不能反映其他應力水平范圍內的土體性狀，尤其對應力水平低于20%的土體，效果極其不明顯。

4 結語

寧波軟土具有流變性明顯及結構性較強兩大特點，通過室內工作，筆者分析了寧波軟土工程地質特征，對寧波軟土含水量、孔隙度、滲透性、抗剪強度及靈敏度做出了詳細解釋。并且修正劍橋模型進行功能擴展，對寧波軟土進行本構模型研究，介紹了彈塑性損傷模型與彈粘塑性模型兩種本構模型。

［1］劉用海，朱向榮，吳健，等.寧波軟土結構性成因及其對工程特性影響的研究［J］.工業建筑，2008，38(3):68-71.

［2］王文軍，劉用海，朱向榮.寧波海相軟土工程特性研究［J］.工程勘察，2008，(10):19-24.

［3］李金柱，朱向榮，劉用海.結構性軟土彈塑性損傷模型及其應用［J］.浙江大學學報:工學版，2010，44(4):806-811.

［4］劉用海，李水明，俞伯華.寧波軟土次固結特性試驗研究［J］.土工基礎，2009，23(3):77-79.