李 冰

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

0 引言

在我國(guó)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(qiáng)度低、易受擾動(dòng),嚴(yán)重影響工程安全[1]。軟土作為路基時(shí),軟土的固結(jié)沉降規(guī)律是設(shè)計(jì)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(cè)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(kù)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(jì)算了超深基坑變形,HSS模型得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更吻合;邵羽等[5]分別用HSS模型和MCC模型計(jì)算,結(jié)果表明:在敏感環(huán)境下基坑降水開(kāi)挖問(wèn)題的數(shù)值模型時(shí),HSS本構(gòu)模型比MCC模型的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果?？梢?jiàn),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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更加吻合[6],但現(xiàn)有研究主要集中在基坑開(kāi)挖問(wèn)題,對(duì)本構(gòu)模型對(duì)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(yáng)某填筑預(yù)壓處理的軟土路基為研究對(duì)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(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,探究3種本構(gòu)模型在軟土路基估計(jì)變形中的適用性。

1 工程概況

以安陽(yáng)市某段臨河公路為研究對(duì)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(gè)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(jiǎn)化計(jì)算,合并為一層,土層分布見(jiàn)圖1(圖1中單位為毫米)。

圖1 土層分布圖

2 計(jì)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(gè)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(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)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(shí)完成后靜置1個(gè)月再進(jìn)行第二層填筑,填筑高度3 m,每層填筑時(shí)間為2天,忽略施工過(guò)程對(duì)路基沉降的影響。

為方便計(jì)算,取一半模型進(jìn)行計(jì)算,土體取至路堤范圍外55 m,左側(cè)為對(duì)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(jì)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(jì)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(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)各土層進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸排水剪切試驗(yàn)得到土層參數(shù)見(jiàn)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(jì)算得到。

表1 土層分布及材料計(jì)算參數(shù)

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分圖

3 計(jì)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(jì)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(jì)算時(shí),路堤影響范圍基本相同。而MC模型計(jì)算結(jié)果顯示荷載對(duì)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(duì)路堤荷載周邊較遠(yuǎn)區(qū)域和較深的土層剛度估計(jì)過(guò)低,導(dǎo)致計(jì)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(guò)程就是土中超孔隙水壓力消散、有效應(yīng)力增長(zhǎng)的過(guò)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(jì)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(shí)的超孔隙水壓力分布,可見(jiàn),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(shí)附近超孔隙水壓分布,可見(jiàn),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(shí),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(shí)超孔隙水壓分布

圖5 固結(jié)完成時(shí)附近超孔隙水壓分布

3.3 中心點(diǎn)沉降分析

圖6為路基中心點(diǎn)沉降計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖,隨著施工的進(jìn)行,3種本構(gòu)模型計(jì)算的沉降趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)的沉降發(fā)展一致,可見(jiàn)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(duì)沉降計(jì)算值影響較大,3種本構(gòu)模型中,HSS模型計(jì)算結(jié)果更接近監(jiān)測(cè)值,HS模型計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)值偏大不多,但MC模型計(jì)算結(jié)果偏大較多,最終沉降計(jì)算值較監(jiān)測(cè)值偏大超過(guò)20%。對(duì)比監(jiān)測(cè)曲線和HSS曲線,一層路堤填筑施工完成時(shí),HSS計(jì)算結(jié)果較監(jiān)測(cè)值偏大,隨后監(jiān)測(cè)值超過(guò)計(jì)算值;二層填筑完成后,計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值基本一致,但實(shí)際固結(jié)完成時(shí)間明顯慢于模擬結(jié)果。

圖6 路基中心點(diǎn)沉降計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié)論

依托安陽(yáng)市某路堤填筑工程,分別采用MC、HS和HSS模型對(duì)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(duì)比了3種模型計(jì)算的沉降和超孔隙水壓力消散情況,并將基于幾種模型計(jì)算得到的路基中心沉降與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析,評(píng)價(jià)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(lái)看,MC模型計(jì)算的荷載對(duì)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(jì)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(shí),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(diǎn)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(duì)沉降計(jì)算值影響較大,HSS模型計(jì)算結(jié)果更接近監(jiān)測(cè)值,MC模型計(jì)算沉降偏大較多,最終沉降計(jì)算值較監(jiān)測(cè)值偏大超過(guò)20%。

綜合來(lái)看,HSS本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果與沉降監(jiān)測(cè)更吻合,更適用于預(yù)測(cè)軟土地基沉降。