本构模型对软土路基沉降的适用性研究

李 冰

(安阳市建筑工程质量安全和消防技术中心,河南 安阳 455000)

0 引言

在我国沿海、沿江以及沿河地区,分布有大量软土,软土具有空隙率大、天然含水量高、压缩性高、强度低、易受扰动,严重影响工程安全[1]。软土作为路基时,软土的固结沉降规律是设计和施工的分析关键,传统承载能力极限状态分析方法难以预测土体变形[2],有限元分析方法的发展为软土沉降研究提供新的思路,有限元分析结果的有效性很大程度取决于选用的本构模型的合理性。常用的土体本构模型有MC模型(摩尔-库仑模型)、HS模型(土体硬化模型)、MCC模型(修正剑桥模型)、HSS模型(小应变土体硬化模型)等。

周恩平[3]研究表明能够反映土体剪切硬化、压缩硬化及卸载塑性变形的本构关系更适合基坑变形分析;褚峰等[4]利用HSS模型和MC模型计算了超深基坑变形,HSS模型得到的数值结果与实测数据更吻合;邵羽等[5]分别用HSS模型和MCC模型计算,结果表明:在敏感环境下基坑降水开挖问题的数值模型时,HSS本构模型比MCC模型的计算结果更接近实际监测结果。可见,现有研究结果表明,采用HSS模型得到的数值分析结果通常与实测数据更加吻合[6],但现有研究主要集中在基坑开挖问题,对本构模型对软土路基沉降影响的研究较少。在上述研究基础上,本研究以安阳某填筑预压处理的软土路基为研究对象,采用有限单元法,分别基于MC、HS和HSS本构模型,研究路基固结变形特性,并将计算结果与现场监测数据进行对比分析,探究3种本构模型在软土路基估计变形中的适用性。

1 工程概况

以安阳市某段临河公路为研究对象,该工程地貌为黄河冲积扇平原,根据工程地质钻探资料可知:该工程地质条件复杂,影响范围内划分为5个地层,其中第一层为素填土,以粉质黏土为主,层厚约0.5 m;第二层为粉质黏土,平均层厚1.5 m,为简化计算,合并为一层,土层分布见图1(图1中单位为毫米)。

图1 土层分布图

2 计算模型及参数

为加速淤泥质黏土层固结,路堤下每隔2 m设置一个SPB-A型塑料排水板,排水板穿透粉质黏土、淤泥质黏土和黏土层,进入下部中砂土层1 m,并设置监测点,监测路基沉降和孔隙水压力消散情况。路堤填筑施工分两层进行,第一层填筑高度3 m,压实完成后静置1个月再进行第二层填筑,填筑高度3 m,每层填筑时间为2天,忽略施工过程对路基沉降的影响。

为方便计算,取一半模型进行计算,土体取至路堤范围外55 m,左侧为对称边界,右侧和上部为自由边界,下部采用固结和不排水边界,计算模型及网格划分如图2所示。淤泥质黏土层分别采用MC、HS和HSS等3种本构模型计算,其余土层均采用HS模型,路堤填土采用MC模型,并忽略填筑土体沉降。该研究在土工基础试验的基础上,对各土层进行侧限压缩试验和三轴排水剪切试验得到土层参数见表1,其中HSS模型中的小应变刚度和剪应变阀值按照文献[7]方法计算得到。

表1 土层分布及材料计算参数

图2 计算模型及网格划分图

3 计算结果分析

3.1 荷载影响范围

图3为3种本构模型计算的竖向最终变形分布图。从图3可以明显看出,采用HS和HSS两种本构模型计算时,路堤影响范围基本相同。而MC模型计算结果显示荷载对路基影响范围更大、影响深度更深,这可能是由于相比HS和HSS本构模型,MC本构模型未考虑土体剪切硬化和体积硬化,对路堤荷载周边较远区域和较深的土层刚度估计过低,导致计算沉降偏大。

图3 竖向变形分布图

3.2 超孔隙水压力分析

土的固结过程就是土中超孔隙水压力消散、有效应力增长的过程。超孔隙水压力消散的速度与土的渗透性、压缩性有关,必然与土的本构模型有一定关系。计算结果显示,MC本构模型超孔隙水压力消散最快,HSS模型消散最慢。图4为第二层路堤填筑完成时的超孔隙水压力分布,可见,当路堤填筑完成,MC模型淤泥质黏土中超孔隙水压力已完全消散,该层土已完成固结,而考虑土体硬化的HS和HSS模型中,该层土固结仍未完成。图5为路堤下土层固结完成时附近超孔隙水压分布,可见,残余超孔隙水压力主要分布在黏土层,MC模型影响范围更广,这与图3显示的变形分布相一致。同时,图5显示HSS模型黏土层残余超孔隙水压力最大,消散最慢。

图4 二层填筑完成时超孔隙水压分布

图5 固结完成时附近超孔隙水压分布

3.3 中心点沉降分析

图6为路基中心点沉降计算值和实测值对比图,随着施工的进行,3种本构模型计算的沉降趋势与监测的沉降发展一致,可见沉降发展规律与本构模型关系不大,但本构模型对沉降计算值影响较大,3种本构模型中,HSS模型计算结果更接近监测值,HS模型计算结果和监测值偏大不多,但MC模型计算结果偏大较多,最终沉降计算值较监测值偏大超过20%。对比监测曲线和HSS曲线,一层路堤填筑施工完成时,HSS计算结果较监测值偏大,随后监测值超过计算值;二层填筑完成后,计算结果与监测值基本一致,但实际固结完成时间明显慢于模拟结果。

图6 路基中心点沉降计算值和实测值对比

4 结论

依托安阳市某路堤填筑工程,分别采用MC、HS和HSS模型对路堤填筑引起的淤泥质黏土固结沉降进行了数值分析。对比了3种模型计算的沉降和超孔隙水压力消散情况,并将基于几种模型计算得到的路基中心沉降与实测值进行了对比分析,评价了不同模型在软土路基数值分析中的适用性。得到如下结论:

1)从荷载的影响范围来看,MC模型计算的荷载对路基影响范围偏大、影响深度偏深,而HS和HSS两种本构模型计算的影响范围基本相同。

2)从超孔隙水压力消散情况看,MC本构模型超孔隙水压力消散最快,最先完成固结;HSS模型消散最慢;当路堤下土层固结完成时,残余超孔隙水压力主要分布在黏土层,MC模型影响范围更广。

3)从路堤中心点沉降情况分析,沉降发展规律与本构模型关系不大,但本构模型对沉降计算值影响较大,HSS模型计算结果更接近监测值,MC模型计算沉降偏大较多,最终沉降计算值较监测值偏大超过20%。

综合来看,HSS本构模型计算结果与沉降监测更吻合,更适用于预测软土地基沉降。