本構(gòu)模型對軟土路基沉降的適用性研究

李 冰

(安陽市建筑工程質(zhì)量安全和消防技術(shù)中心,河南 安陽 455000)

0 引言

在我國沿海、沿江以及沿河地區(qū),分布有大量軟土,軟土具有空隙率大、天然含水量高、壓縮性高、強度低、易受擾動,嚴(yán)重影響工程安全[1]。軟土作為路基時,軟土的固結(jié)沉降規(guī)律是設(shè)計和施工的分析關(guān)鍵,傳統(tǒng)承載能力極限狀態(tài)分析方法難以預(yù)測土體變形[2],有限元分析方法的發(fā)展為軟土沉降研究提供新的思路,有限元分析結(jié)果的有效性很大程度取決于選用的本構(gòu)模型的合理性。常用的土體本構(gòu)模型有MC模型(摩爾-庫侖模型)、HS模型(土體硬化模型)、MCC模型(修正劍橋模型)、HSS模型(小應(yīng)變土體硬化模型)等。

周恩平[3]研究表明能夠反映土體剪切硬化、壓縮硬化及卸載塑性變形的本構(gòu)關(guān)系更適合基坑變形分析;褚峰等[4]利用HSS模型和MC模型計算了超深基坑變形,HSS模型得到的數(shù)值結(jié)果與實測數(shù)據(jù)更吻合;邵羽等[5]分別用HSS模型和MCC模型計算,結(jié)果表明:在敏感環(huán)境下基坑降水開挖問題的數(shù)值模型時,HSS本構(gòu)模型比MCC模型的計算結(jié)果更接近實際監(jiān)測結(jié)果。可見,現(xiàn)有研究結(jié)果表明,采用HSS模型得到的數(shù)值分析結(jié)果通常與實測數(shù)據(jù)更加吻合[6],但現(xiàn)有研究主要集中在基坑開挖問題,對本構(gòu)模型對軟土路基沉降影響的研究較少。在上述研究基礎(chǔ)上,本研究以安陽某填筑預(yù)壓處理的軟土路基為研究對象,采用有限單元法,分別基于MC、HS和HSS本構(gòu)模型,研究路基固結(jié)變形特性,并將計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,探究3種本構(gòu)模型在軟土路基估計變形中的適用性。

1 工程概況

以安陽市某段臨河公路為研究對象,該工程地貌為黃河沖積扇平原,根據(jù)工程地質(zhì)鉆探資料可知:該工程地質(zhì)條件復(fù)雜,影響范圍內(nèi)劃分為5個地層,其中第一層為素填土,以粉質(zhì)黏土為主,層厚約0.5 m;第二層為粉質(zhì)黏土,平均層厚1.5 m,為簡化計算,合并為一層,土層分布見圖1(圖1中單位為毫米)。

圖1 土層分布圖

2 計算模型及參數(shù)

為加速淤泥質(zhì)黏土層固結(jié),路堤下每隔2 m設(shè)置一個SPB-A型塑料排水板,排水板穿透粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和黏土層,進(jìn)入下部中砂土層1 m,并設(shè)置監(jiān)測點,監(jiān)測路基沉降和孔隙水壓力消散情況。路堤填筑施工分兩層進(jìn)行,第一層填筑高度3 m,壓實完成后靜置1個月再進(jìn)行第二層填筑,填筑高度3 m,每層填筑時間為2天,忽略施工過程對路基沉降的影響。

為方便計算,取一半模型進(jìn)行計算,土體取至路堤范圍外55 m,左側(cè)為對稱邊界,右側(cè)和上部為自由邊界,下部采用固結(jié)和不排水邊界,計算模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。淤泥質(zhì)黏土層分別采用MC、HS和HSS等3種本構(gòu)模型計算,其余土層均采用HS模型,路堤填土采用MC模型,并忽略填筑土體沉降。該研究在土工基礎(chǔ)試驗的基礎(chǔ)上,對各土層進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗和三軸排水剪切試驗得到土層參數(shù)見表1,其中HSS模型中的小應(yīng)變剛度和剪應(yīng)變閥值按照文獻(xiàn)[7]方法計算得到。

表1 土層分布及材料計算參數(shù)

圖2 計算模型及網(wǎng)格劃分圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 荷載影響范圍

圖3為3種本構(gòu)模型計算的豎向最終變形分布圖。從圖3可以明顯看出,采用HS和HSS兩種本構(gòu)模型計算時,路堤影響范圍基本相同。而MC模型計算結(jié)果顯示荷載對路基影響范圍更大、影響深度更深,這可能是由于相比HS和HSS本構(gòu)模型,MC本構(gòu)模型未考慮土體剪切硬化和體積硬化,對路堤荷載周邊較遠(yuǎn)區(qū)域和較深的土層剛度估計過低,導(dǎo)致計算沉降偏大。

圖3 豎向變形分布圖

3.2 超孔隙水壓力分析

土的固結(jié)過程就是土中超孔隙水壓力消散、有效應(yīng)力增長的過程。超孔隙水壓力消散的速度與土的滲透性、壓縮性有關(guān),必然與土的本構(gòu)模型有一定關(guān)系。計算結(jié)果顯示,MC本構(gòu)模型超孔隙水壓力消散最快,HSS模型消散最慢。圖4為第二層路堤填筑完成時的超孔隙水壓力分布,可見,當(dāng)路堤填筑完成,MC模型淤泥質(zhì)黏土中超孔隙水壓力已完全消散,該層土已完成固結(jié),而考慮土體硬化的HS和HSS模型中,該層土固結(jié)仍未完成。圖5為路堤下土層固結(jié)完成時附近超孔隙水壓分布,可見,殘余超孔隙水壓力主要分布在黏土層,MC模型影響范圍更廣,這與圖3顯示的變形分布相一致。同時,圖5顯示HSS模型黏土層殘余超孔隙水壓力最大,消散最慢。

圖4 二層填筑完成時超孔隙水壓分布

圖5 固結(jié)完成時附近超孔隙水壓分布

3.3 中心點沉降分析

圖6為路基中心點沉降計算值和實測值對比圖,隨著施工的進(jìn)行,3種本構(gòu)模型計算的沉降趨勢與監(jiān)測的沉降發(fā)展一致,可見沉降發(fā)展規(guī)律與本構(gòu)模型關(guān)系不大,但本構(gòu)模型對沉降計算值影響較大,3種本構(gòu)模型中,HSS模型計算結(jié)果更接近監(jiān)測值,HS模型計算結(jié)果和監(jiān)測值偏大不多,但MC模型計算結(jié)果偏大較多,最終沉降計算值較監(jiān)測值偏大超過20%。對比監(jiān)測曲線和HSS曲線,一層路堤填筑施工完成時,HSS計算結(jié)果較監(jiān)測值偏大,隨后監(jiān)測值超過計算值;二層填筑完成后,計算結(jié)果與監(jiān)測值基本一致,但實際固結(jié)完成時間明顯慢于模擬結(jié)果。

圖6 路基中心點沉降計算值和實測值對比

4 結(jié)論

依托安陽市某路堤填筑工程,分別采用MC、HS和HSS模型對路堤填筑引起的淤泥質(zhì)黏土固結(jié)沉降進(jìn)行了數(shù)值分析。對比了3種模型計算的沉降和超孔隙水壓力消散情況,并將基于幾種模型計算得到的路基中心沉降與實測值進(jìn)行了對比分析,評價了不同模型在軟土路基數(shù)值分析中的適用性。得到如下結(jié)論:

1)從荷載的影響范圍來看,MC模型計算的荷載對路基影響范圍偏大、影響深度偏深,而HS和HSS兩種本構(gòu)模型計算的影響范圍基本相同。

2)從超孔隙水壓力消散情況看,MC本構(gòu)模型超孔隙水壓力消散最快,最先完成固結(jié);HSS模型消散最慢;當(dāng)路堤下土層固結(jié)完成時,殘余超孔隙水壓力主要分布在黏土層,MC模型影響范圍更廣。

3)從路堤中心點沉降情況分析,沉降發(fā)展規(guī)律與本構(gòu)模型關(guān)系不大,但本構(gòu)模型對沉降計算值影響較大,HSS模型計算結(jié)果更接近監(jiān)測值,MC模型計算沉降偏大較多,最終沉降計算值較監(jiān)測值偏大超過20%。

綜合來看,HSS本構(gòu)模型計算結(jié)果與沉降監(jiān)測更吻合,更適用于預(yù)測軟土地基沉降。