考慮軟土蠕變特性時建筑荷載引起地面沉降規律的研究

岳曉鵬，劉舉

(天津城建大學 a. 土木工程學院；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

考慮軟土蠕變特性時建筑荷載引起地面沉降規律的研究

岳曉鵬a,b，劉舉a,b

(天津城建大學 a. 土木工程學院；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

由于軟土自身的蠕變現象對計算實際工程中的建筑沉降存在著較大的影響，筆者通過運用 Plaxis軟件中的軟土蠕變和摩爾庫倫模型來模擬分析由建筑荷載引起的地面沉降的規律．研究表明，軟土的蠕變特性會延長超孔隙水壓力的消散時間，故軟土的沉降問題不能單以超孔隙水壓力的消散作為衡量的標準，還應考慮土體自身蠕變引起的沉降．通過兩種模型計算結果對比可知，軟土蠕變模型比摩爾庫倫模型更加適合濱海新區軟黏土地基沉降的計算，能夠更好地反映出軟黏土的蠕變特性，而且模型中應用到的參數獲取方法相對比較簡單．

軟土蠕變；Plaxis；沉降；淺基礎；樁基礎

隨著我國沿海地區的不斷發展，沿海地區的許多工程地基往往都是利用軟土經過加固處理所形成，由于軟土具有天然含水率高、孔隙比大、塑性指數大、壓縮性高、抗剪強度低以及顯著的流變特性，這就給地基處理帶來了很大的難度，也給日后建筑物的不規則沉降埋下了諸多的隱患[1-2]．

軟土所具有的固結特性和蠕變特性，使軟土在荷載的作用下具有明顯的時效性．由于軟土蠕變的過程也是固結的過程，蠕變特性可以影響孔隙水壓力的消散，減小固結效應，而固結作用又可弱化蠕變現象，使土體的黏滯流動降低．因此，對于軟土來說，土體的變形過程實際是固結和蠕變同時發生作用的過程，任一時刻兩種變形在總變形中的相互關系受很多因素的影響[3-5]．

本文應用荷蘭的 Plaxis軟件中的軟土蠕變模型與工程師們常采用的摩爾庫倫模型的結果進行了對比分析．

1 計算采用的本構模型

1.1 摩爾庫倫模型

該模型的土體是否破壞采用 Mohr-Coulomb破壞準則來進行判別．一旦土體內任意平面上的剪應力達到了土的抗剪強度，土就發生破壞，而任意平面上的抗剪強度只是該面上法向應力函數[6-7]．土的抗剪強度表達式為

式中：c、?為土的抗剪強度指標．

模型基本參數主要有 5個，即彈性模量 E、泊松比v、內摩擦角?、內聚力c和剪脹角φ．

1.2 軟土蠕變模型

土體的總應變包括兩個部分，分別是應力剛施加在土體上的瞬時應變和土體固結結束之后的應變，即ε=εo+εc[8]．其中 Jianhuayin和 Grahm (1989)描述了主固結結束時的應變[5-7]，即

式中：cε為土體固結結束后的應變；為土體固結結束后的彈性應變；為土體固結結束后土體蠕變產生的應變；σ′o為加載前的初始有效應力；σo為最終的荷載有效壓力；σp0為加載前的前期固結壓力，相應于εc＝0的初始應力；σpc為固結結束時的前期固結壓力；土體的總應變為

當使用孔隙比e代替ε，使用log代替ln，使用膨脹指標Cr代替 A，以及用壓縮指標Cc代替 B．可得下式

式中：t′是有效蠕變時間，t′=t-tc，tc為主固結結束時間，用參數 τc代替，因為固結時間在時變加載條件下沒有明確的定義．消去t′與參數 τc并用預固結壓力σP代替σpc可得下式

即土體的總應變為

軟土蠕變模型中表征軟土蠕變特性的基本參數有修正的壓縮指數λ*、修正的膨脹指數κ*、修正的蠕變指數μ*[7]．它們均是通過一維固結試驗[9-11]中的應力—應變—時間三者之間的相互關系得出．其中修正的壓縮指數λ*是通過εH-lnσ曲線獲得，即

式中：εH為對數應變；σ為施加在土體上的應力；V為土樣加載后的體積；V0為土樣原始的體積．

修正的膨脹系數κ*是通過 e-lnP曲線獲得，即土體回彈曲線與再壓縮曲線的平均斜率．修正的蠕變系數μ*是通過εV-lnt曲線獲得的，即

式中：εV為土體的蠕變率；ε為應力施加在土體上產的變形； ho為土樣的高度；t為每級荷載施加在土體上選取的時間點．

2 模型的建立

2.1 模型建立方案

本論文通過以上獲得的試驗參數，運用 Plaxis軟件模擬建筑物施加在軟土地基上，通過軟件得出建筑物的沉降隨時間變化的規律曲線進而觀測軟土地基的蠕變情況．

天津濱海新區一般自上而下有一個2～3,m的硬殼層；硬殼層底下為 5～15,m厚的軟土層，局部地方甚至更厚(海相層)；再下面就是土質相對較好的陸相層．因此，將地基土概化為三層：第一層為粉質黏土，層底埋深 3,m；第二層為淤泥質黏土，層底埋深12,m；第三層為粉質黏土，層底埋深45,m，(其中第二層土分別采用摩爾庫倫和軟土蠕變模型進行模擬，其它土層均采用摩爾庫倫模型)．地下水位設在-1,m處．

本論文的模型建立共分為兩種情況，一種是建筑物建立在淺基礎上，模型(地基土)寬度取200,m、深度為 60,m，建筑物寬度取 10,m、大小為30,kPa的建筑荷載施加在地基土模型正中．另一種情況是建筑物的基礎為樁基礎，樁基礎建筑物寬度取 12,m，共打入 5根樁，樁長為 18,m，將大小為150,kPa的建筑荷載施加在地基土模型正中．分別選取 Plaxis軟件中的摩爾庫倫模型與軟土蠕變模型為計算模型，進而得出建筑物建立在兩種基礎上的沉降與時間變化曲線．

2.2 模型參數的獲取

軟土蠕變模型所需計算參數如圖1-3所示．

由圖1-3可知，λ*＝0.080,56，κ*=0.0145，μ*＝0.000,71，其它模型計算所需參數指標如表1所示．

圖1 εH-lnσ關系曲線

圖2 e-lnP關系曲線

表1 土基本物理性質指標

圖3 εV-lnt關系曲線

3 模型計算分析

3.1 淺基礎

淺基礎模型如圖4所示．

圖4 淺基礎模擬

淺基礎淤泥質黏土各點超孔壓消散曲線如圖5-6所示．

從圖5和圖6可以看出：在基礎中心點下，淤泥質黏土頂部處，超孔隙水壓力消散完成時間相差不大(超孔隙水壓力小于 1，就認為超孔隙水壓力消散基本完成)；淤泥質黏土底部超孔隙水壓力消散完成時間差別較大，采用軟土蠕變模型消散完成的時間(800,d左右)要比采用莫爾-庫侖模型消散完成的時間(320,d左右)長很多．這說明軟土的蠕變特性會延長超孔隙水壓力的消散時間．

淺基礎各點沉降關系曲線如圖7-8所示．

從圖7中可以看出：不論是采用哪種模型，基礎中心點處與淤泥質黏土頂部的沉降走勢基本一致，而淤泥質黏土底部沉降走勢與以上兩處沉降的差別較大，這說明沉降量主要還是發生在淤泥質黏土層中．同時從圖中也可以看出采用莫爾-庫侖模型在淤泥質黏土底部的沉降量比軟土蠕變模型的要大，說明其影響深度比軟土蠕變模型要深.

圖5 淤泥質黏土頂部處超孔壓的消散曲線

圖6 淤泥質黏土底部處超孔壓的消散曲線

圖7 淤泥質黏土層各點沉降曲線

圖8 淤泥質黏土頂部超孔隙水壓力與基礎中心點處沉降曲線

從圖8可以看出：采用摩爾庫倫模型的沉降曲線在加荷后，淤泥質黏土頂部處超孔隙水壓力消散比軟土蠕變模型的要快，且沉降量急劇增加，比軟土蠕變模型的曲線要陡．但隨著時間的增長，超孔隙水壓力消散逐漸完成，其沉降最終趨于平緩．此時，軟土蠕變模型的沉降曲線還沒有達到平穩，說明當淤泥質黏土頂部超孔隙水壓力消散完成后，上部荷載在該點處產生的附加應力已經由土骨架來承擔，所以實質上淤泥質土層的蠕變應該就是從此時已經開始，隨著深部超孔隙水壓力的逐步消散，蠕變的厚度也隨之增加．這也正說明了軟土的固結是主次固結同時進行的，只不過在不同階段占的主導地位不同而已．

從圖8中還可以發現，當超孔隙水壓力消散完成時，軟土蠕變模型產生的最終沉降量要比摩爾庫倫模型產生的最終沉降量大，說明軟土的沉降問題不能單以超孔隙水壓力的消散作為衡量標準，還應該考慮土體自身蠕變引起的沉降，從其沉降曲線上可以看出最終雖已趨于平緩，但仍然有隨時間而增長的趨勢．

3.2 樁基礎

樁基礎模型如圖9所示，樁基礎淤泥質黏土各點超孔壓消散曲線如圖10-11所示．樁基礎各點沉降關系曲線如圖12-13所示．

從圖12-13中可以看出，當建筑物基礎為樁基礎時，其超孔隙水壓力消散曲線和沉降曲線規律與淺基礎的規律大致相同．從圖13中可以看出，采用軟土蠕變模型計算的基礎中心處沉降量要比摩爾庫倫模型的大，這是因為時間是軟土蠕變的重要因素，隨著時間的增長，樁基的最大彎矩、最大軸向力和最大水平位移都會顯著的增加，故基礎的沉降會隨著時間的增加而不斷變大，使其最終沉降要比摩爾庫倫模型的沉降大．對比兩種基礎而言，樁基礎中兩種模型的建筑物中心處各土層產生的沉降相差不大，建筑物產生的最終沉降要比淺基礎的小，這是因為樁基能夠通過樁把上部荷載傳遞到下面的持力層上，使建筑物整體下沉并減小建筑物的沉降.

圖9 樁基礎模擬

圖10 淤泥質黏土頂部處超孔壓的消散曲線

圖11 淤泥質黏土底部處超孔壓的消散曲線

圖12 淤泥質黏土層各點沉降曲線

圖13 淤泥質黏土頂部超壓孔與基礎中心點沉降曲線

4 結 論

通過對兩種模型的計算結果對比可知：

(1)軟土蠕變模型能更好地反映出軟黏土的蠕變特性，較摩爾庫倫模型而言，軟土蠕變模型能夠更好地適用于以軟黏土為地基的建筑物沉降的計算，其計算結果更為符合實際；

(2)軟土蠕變特性會延長超孔隙水壓力的消散時間，所以軟土的沉降問題不能單以超孔隙水壓力的消散作為衡量標準，還應該考慮土體自身蠕變引起的沉降；

(3)采用摩爾庫倫模型在淤泥質黏土底部的沉降量比軟土蠕變模型的大，說明其影響深度大；

(4)軟土的固結是主次固結同時進行的，只不過在不同階段所占的主導地位不同而已．

由于修建在軟土地基上的建筑物因軟土具有時效性，可能會使建筑物產生不可忽視的工程沉降．因此，探究軟土的固結與蠕變變形特性，對今后的軟土地基工程具有十分重要的意義．

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Law of Surface Subsidence Caused by Architectural Loads with Considering Creep of Soft Soil

YUE Xiaopenga,b，LIU Jua,b
(a．School of Civil Engineering；b．Tianjin Key Laboratory Of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TCU，Tianjin 300384，China)

Because soft soil creep phenomenon has a large influence on the calculating the actual project construction settlement, this arcticle simulate analysis of the law of surface subsidence caused by architectural loads has been obtained by using the soft soil creep and Mohr Coulomb model in PLAXIS software．The research shows that，Creep characteristics of soft soil will be extended excess pore water pressure dissipation time．So soft soil settlement problem can not be solely on the dissipation of excess pore water pressure as a measure of the standard，and we should also consider the settlement caused by soil creep itself．When it is compared with the calculation results of the Mohr Coulombmodel，The soft soil creep model is better applied in calculateing settlement of soft clay foundation of Binhai New Areaand which can reflect the creep characteristics of soft clay better．Furthermore，the method to obtain the parameters of the model is relatively simple.

soft soil creep；plaxis；settlement；shallow foundation；pile foundation

TU447

A

2095-719X(2016)05-0329-05

2015-09-11；

2015-11-06

天津市軟土特性與工程環境重點實驗室開放基金(2012SCEEKL003)；天津市高校科技計劃項目(2013ZD03)；天津市自然科學基金(13JCZDJC35500)

岳曉鵬（1990—），男，黑龍江虎林人，天津城建大學碩士生．