S-CLAY1模型在軟土地基沉降分析中的應用

農玲莉，沈江濤

(廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

預測填方路基下的軟土地基沉降一直都是交通工程界的熱點[1-3]，其中多數研究采用修正劍橋模型預測軟土地基沉降。S-CLAY1彈塑性模型與修正劍橋模型相比[4]，考慮了土的各向異性和硬化，與軟土的物理和力學性質更加接近，但關于該模型預測軟土地基沉降效果的研究相對較少。為此，本文首先介紹了S-CLAY1模型，通過一維壓縮試驗和三軸試驗確定相關參數，代入該模型，經數值分析得到沉降曲線，并將沉降曲線與實測數據進行匹配，以研究該模型預測軟土地基沉降的效果。

1 S-CLAY1模型

1.1 模型介紹

S-CLAY1模型是在臨界狀態模型的基礎上擴展而來，與修正劍橋模型的各向同性不同，該模型通過屈服面的旋轉來模擬軟土的各向異性，同時通過屈服面的往外擴展來模擬土的硬化，因此與相對修正劍橋模型相比，該模型與實際更加接近。模型假定應變由彈性應變和塑性應變組成，彈性變形部分假定為各向同性，體積應變和偏應變表現形式如式(1)所示：

(1)

式中：κ——一維壓縮曲線斜率；

ν——泊松比；

G′——剪切模量。

其屈服面的方程采用式(2)表示：

(2)

式中：M——臨界狀態的斜率；

α——表示屈服曲線的傾斜值。

(3)

通過式(4)就可以得到塑性剪切應變：

(4)

S-CLAY1模型中，土體硬化分別通過屈服曲面的大小和屈服曲面的旋轉角度來表示，如式(5)所示：

(5)

1.2 參數確定

2 模型在試驗軟基路段的實際應用

2.1 試驗軟基路段

松鐵高速公路路線起點位于博白縣松旺鎮周北村西南面，終點位于合浦縣山口鎮。主線全長21.439 013 km。該高速公路沿線靠近海陸交界處，路基所處地形為第四紀沖積平原，地勢平坦，地下水位較高，局部有積水。

根據該路段軟土層性質、厚度、路堤填土高度等條件，沿線選取了100 m長度的試驗監測路段，監測路段選擇在路基軟土層較厚、性狀較差、填土較高等路基沉降和穩定問題突出的路段，布置了3個典型監測斷面，斷面間距為40 m，斷面上沉降測點布置在軟土地基頂部(填方路堤底部)，采用沉降計監測。

2.2 模型參數獲取

監測填方路堤段的軟土地基土樣采取了7組，分別在3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m深度處采取，通過對采集到的土工試樣進行土體物理性質試驗得到土體參數e0，進行高壓固結試驗得到土體參數κ和λ，進行三軸試樣得到土體參數M，進行固結壓縮試驗得到土體參數K0。μ、β為控制各向異性張量的參數，μ、β分別取為13λ和0.75 m。所有由室內試驗和計算得到的模型參數如表1所示。

表1 參數結果匯總表

土體材料參數采用以下數值：(高壓固結試驗得到的)彈性模量E=29 500 kN/m2，(經驗值)泊松比u′=0.35，(三軸試驗得到的)摩擦角φ=35°，(土樣物理性質試驗得到的)土體重度γ=18.6 kN/m3。同時為了提高計算過程的收斂性，根據土樣三軸試驗結果假定土體的粘聚力c′=2 kN/m2。將上述數據導入有限元軟件Plaxis[5]中進行模擬，模型采用平面應變模型，網格總共劃分為1 426個三角形單元，每個單元含15個節點，長度方向取65 m，計算深度取25 m，如圖1所示，這樣可以保證結果的精度。

圖1 路基斷面及網格劃分示意圖

3 驗證結果分析

本次監測共采取了2個橫斷面的監測數據，監測過程歷時590 d，本文選擇了兩個有代表性的斷面的最終沉降數據進行分析，并將實測結果與模擬結果進行對比，分析結果如下頁表2所示。

表2 實測與模型預測結果對比表

可以看出，預測結果與實測結果較為接近，誤差率一般在10%左右，換算成絕對值大概誤差為3 cm，誤差產生的原因是軟件模擬軟基上填土加載速率為常數，而實際施工過程中軟基上填土加載速率不是常數，而是間斷的，模擬加載和實際加載模式的不同使得模擬結果產生了誤差。

同時將K35+860、K35+900兩個斷面的590 d實測沉降歷時曲線與模型模擬預測沉降歷時曲線對比(見圖2)，可見兩者曲線較吻合，說明利用S-CLAY1模型預測軟土地基沉降的效果較好。同時從圖2可以看出，開始階段實測曲線與預測曲線之間存在較大的誤差，后期慢慢趨于接近，這主要是由于施工工序的差別，在Plaxis軟件中，通過每個單元重度的增加來模擬路基填土，加載速率為常數，累計沉降也是連續的，實際施工過程中，由于受到各種客觀因素的影響，施工過程不能保證連續無間斷，因此實際觀測數據存在一定的離散性。

(a)K35+860斷面

4 結語

(1)S-CLAY1彈塑性模型與修正劍橋模型相比，考慮了土的各向異性和硬化，與軟土的物理和力學性質更加接近，模擬預測軟基沉降的預測結果與實際觀測值符合性較高，且模型所需參數均可通過常規土工試驗來確定，試驗成本較低，具有較強的應用價值。

(2)S-CLAY1彈塑性模型預測沉降誤差產生的原因是由于計算軟件模擬加載過程和實際軟基上填土加載過程的不同使得模擬結果產生了誤差。

(3)軟土除了具有各向異性，還具有流變性，但S-CLAY1彈塑性模型在流變性方面尚有不足，下一步研究將考慮在S-CLAY1彈塑性模型中加入土的黏性參數。