農(nóng)玲莉，沈江濤

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0 引言

預(yù)測(cè)填方路基下的軟土地基沉降一直都是交通工程界的熱點(diǎn)[1-3]，其中多數(shù)研究采用修正劍橋模型預(yù)測(cè)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(xué)性質(zhì)更加接近，但關(guān)于該模型預(yù)測(cè)軟土地基沉降效果的研究相對(duì)較少。為此，本文首先介紹了S-CLAY1模型，通過一維壓縮試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)確定相關(guān)參數(shù)，代入該模型，經(jīng)數(shù)值分析得到沉降曲線，并將沉降曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，以研究該模型預(yù)測(cè)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(tài)模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(zhuǎn)來模擬軟土的各向異性，同時(shí)通過屈服面的往外擴(kuò)展來模擬土的硬化，因此與相對(duì)修正劍橋模型相比，該模型與實(shí)際更加接近。模型假定應(yīng)變由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變組成，彈性變形部分假定為各向同性，體積應(yīng)變和偏應(yīng)變表現(xiàn)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(tài)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(yīng)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(zhuǎn)角度來表示，如式(5)所示：

(5)

1.2 參數(shù)確定

2 模型在試驗(yàn)軟基路段的實(shí)際應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)軟基路段

松鐵高速公路路線起點(diǎn)位于博白縣松旺鎮(zhèn)周北村西南面，終點(diǎn)位于合浦縣山口鎮(zhèn)。主線全長(zhǎng)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(jì)沖積平原，地勢(shì)平坦，地下水位較高，局部有積水。

根據(jù)該路段軟土層性質(zhì)、厚度、路堤填土高度等條件，沿線選取了100 m長(zhǎng)度的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)路段，監(jiān)測(cè)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(wěn)定問題突出的路段，布置了3個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面，斷面間距為40 m，斷面上沉降測(cè)點(diǎn)布置在軟土地基頂部(填方路堤底部)，采用沉降計(jì)監(jiān)測(cè)。

2.2 模型參數(shù)獲取

監(jiān)測(cè)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(duì)采集到的土工試樣進(jìn)行土體物理性質(zhì)試驗(yàn)得到土體參數(shù)e0，進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)得到土體參數(shù)κ和λ，進(jìn)行三軸試樣得到土體參數(shù)M，進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)得到土體參數(shù)K0。μ、β為控制各向異性張量的參數(shù)，μ、β分別取為13λ和0.75 m。所有由室內(nèi)試驗(yàn)和計(jì)算得到的模型參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)結(jié)果匯總表

土體材料參數(shù)采用以下數(shù)值：(高壓固結(jié)試驗(yàn)得到的)彈性模量E=29 500 kN/m2，(經(jīng)驗(yàn)值)泊松比u′=0.35，(三軸試驗(yàn)得到的)摩擦角φ=35°，(土樣物理性質(zhì)試驗(yàn)得到的)土體重度γ=18.6 kN/m3。同時(shí)為了提高計(jì)算過程的收斂性，根據(jù)土樣三軸試驗(yàn)結(jié)果假定土體的粘聚力c′=2 kN/m2。將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元軟件Plaxis[5]中進(jìn)行模擬，模型采用平面應(yīng)變模型，網(wǎng)格總共劃分為1 426個(gè)三角形單元，每個(gè)單元含15個(gè)節(jié)點(diǎn)，長(zhǎng)度方向取65 m，計(jì)算深度取25 m，如圖1所示，這樣可以保證結(jié)果的精度。

圖1 路基斷面及網(wǎng)格劃分示意圖

3 驗(yàn)證結(jié)果分析

本次監(jiān)測(cè)共采取了2個(gè)橫斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)過程歷時(shí)590 d，本文選擇了兩個(gè)有代表性的斷面的最終沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果如下頁(yè)表2所示。

表2 實(shí)測(cè)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

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

同時(shí)將K35+860、K35+900兩個(gè)斷面的590 d實(shí)測(cè)沉降歷時(shí)曲線與模型模擬預(yù)測(cè)沉降歷時(shí)曲線對(duì)比(見圖2)，可見兩者曲線較吻合，說明利用S-CLAY1模型預(yù)測(cè)軟土地基沉降的效果較好。同時(shí)從圖2可以看出，開始階段實(shí)測(cè)曲線與預(yù)測(cè)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(gè)單元重度的增加來模擬路基填土，加載速率為常數(shù)，累計(jì)沉降也是連續(xù)的，實(shí)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(xù)無間斷，因此實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的離散性。

(a)K35+860斷面

4 結(jié)語(yǔ)

(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(xué)性質(zhì)更加接近，模擬預(yù)測(cè)軟基沉降的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值符合性較高，且模型所需參數(shù)均可通過常規(guī)土工試驗(yàn)來確定，試驗(yàn)成本較低，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

(2)S-CLAY1彈塑性模型預(yù)測(cè)沉降誤差產(chǎn)生的原因是由于計(jì)算軟件模擬加載過程和實(shí)際軟基上填土加載過程的不同使得模擬結(jié)果產(chǎn)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(shù)。