紹興地區(qū)軟土小應(yīng)變剛度模型參數(shù)試驗(yàn)研究

陳葉豐 王綱

摘 要 隨著紹興地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和杭州大灣區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，紹興地區(qū)的軌道交通建設(shè)迎來的重大契機(jī)。然而紹興地區(qū)廣泛分布的具有高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度的深厚淤泥質(zhì)軟土成為軌道交通工程建設(shè)的一大難題，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)計(jì)算軟土地基中深基坑開挖、盾構(gòu)施工引起的地基變形，對(duì)施工周邊場(chǎng)地建構(gòu)筑物和地下管線的保護(hù)具有重要意義，小應(yīng)變硬化模型相比傳統(tǒng)摩爾庫倫模型可以更好地模擬基坑、盾構(gòu)施工引起的變形，但一般地勘報(bào)告無法提供小應(yīng)變硬化模型的參數(shù)。本文通過采集高質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)原狀土試驗(yàn)，開展系列室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)紹興地區(qū)軟土小應(yīng)變剛度模型參數(shù)進(jìn)行了研究，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞 杭紹城際鐵路;淤泥質(zhì)黏土;小應(yīng)變硬化（HSS）模型;參數(shù)研究

引言

杭紹城際鐵路是連接杭州市和紹興市的一條城際鐵路。為地鐵制式，將是浙江省首條跨市運(yùn)營(yíng)的地鐵線路。線路全長(zhǎng)20.3km，始于蕭山區(qū)杭州地鐵5號(hào)線姑娘橋站，穿越杭金衢高速公路、蕭甬鐵路、西小江、牛頭山和杭甬客專，沿群賢西路向東抵達(dá)柯橋區(qū)笛揚(yáng)路站與紹興軌道交通1號(hào)線貫通。全線平面示意圖如圖1所示。全線包括高架車站、區(qū)間，山嶺隧道和地下車站、盾構(gòu)區(qū)間等多種結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)地勘報(bào)告統(tǒng)計(jì)，本項(xiàng)目地下車站及盾構(gòu)區(qū)間范圍內(nèi)均存在淤泥質(zhì)黏土層，具有高含水量、高壓縮性、中～高靈敏度、高觸變、高流變以及低滲透性和低強(qiáng)度等特性，在動(dòng)力作用下，土體結(jié)構(gòu)較易破壞，使強(qiáng)度驟然降低，基坑開挖后，土體的回彈會(huì)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍鄰近已有建筑物、地下管線等產(chǎn)生不利影響，時(shí)空效應(yīng)明顯，因此本文主要對(duì)該土層的小應(yīng)變剛度參數(shù)進(jìn)行研究。

1小應(yīng)變剛度本構(gòu)模型（HSS）

為了考慮土體剛度與應(yīng)力的相關(guān)性，反應(yīng)剪切硬化和壓縮硬化現(xiàn)象，Schanz 等[1]提出了土體硬化雙曲線彈塑性模型，可同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。但是該模型不能考慮土體的小應(yīng)變剛度特性，從使土體卸荷引起的變形過大。Benz[2]在HS模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合修正的Hardin-Drnevich剪切模量關(guān)系，考慮了土體在小應(yīng)變區(qū)域內(nèi)剛度隧應(yīng)變的非線性變化，提出了硬化土小應(yīng)變模型。該模型包含11個(gè)HS參數(shù)和2個(gè)小應(yīng)變參數(shù)。c'為土的有效黏聚力，φ'為有效內(nèi)摩擦角，K0為正常固結(jié)條件下靜止側(cè)壓力系數(shù)，ψ為土的剪脹角，m為剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)，pref為參考應(yīng)力，vur為加卸載泊松比，E50ref 為三軸排水剪切試驗(yàn)的參考割線模量，為三軸排水剪切試驗(yàn)的參考加卸載模量，為固結(jié)試驗(yàn)中的參考切線模量， Rf為破壞比，為小應(yīng)變剛度試驗(yàn)的參考初始模量，γ0.7為割線剪切模量衰減到初始剪切模量70%時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變。常規(guī)地勘報(bào)告通常僅提供土的有效黏聚力、有效內(nèi)摩擦角及正常固結(jié)條件下靜止側(cè)壓力系數(shù)，其余參數(shù)一般采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，但是由于土體顯著的地域性以及本身力學(xué)特性的復(fù)雜性，很難有廣泛適用的經(jīng)驗(yàn)公式，而參數(shù)的確定對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大。為了提高在基坑、盾構(gòu)施工過程中有限元計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，本文根據(jù)Plaxis3D有限元近接施工模擬參數(shù)確定需要，對(duì)紹興地區(qū)的淤泥質(zhì)軟土小應(yīng)變剛度模型參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2試驗(yàn)研究

室內(nèi)試驗(yàn)主要包括土的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)、三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU）、三軸固結(jié)排水試驗(yàn)（CD）、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)和一維固結(jié)加載—卸載—再加載試驗(yàn)。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999），土的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)包括：含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、土粒比重試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。

本文針對(duì)紹興軟土的小應(yīng)變硬化（HSS）模型，制定試驗(yàn)計(jì)劃測(cè)得相應(yīng)的模型參數(shù)，三軸固結(jié)不排水剪切（CU）試驗(yàn)或三軸固結(jié)排水剪切（CD）試驗(yàn)確定c'和φ'，采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)確定，通過三軸固結(jié)排水剪切（CD）試驗(yàn)確定，由三軸固結(jié)排水加載—卸載—再加載剪切試驗(yàn)確定。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)采用8級(jí)荷載，分別為12.5、25、50、100、200、400、800和1600kpa。每級(jí)荷載固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間為24h。每層土樣至少做2組試驗(yàn)。根據(jù)《Plaxis 3D Tunnel Material Models Manua Version 2》，對(duì)荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線擬合成函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。對(duì)函數(shù)求導(dǎo)可得到荷載時(shí)曲線切線的斜率值，該值便是參考應(yīng)力時(shí)固結(jié)試驗(yàn)的參考切線模量。

2.2 三軸壓縮試驗(yàn)

CU試驗(yàn)、CD試驗(yàn)和三軸固結(jié)排水加載—卸載—再加載剪切試驗(yàn)采用GDS靜力三軸儀。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)可確定各深度土樣的先期固結(jié)壓力pr，因此可以確定CU試驗(yàn)和CD試驗(yàn)的有效圍壓分別為100kPa、150kPa、200kPa。

（1）根據(jù)CU試驗(yàn)結(jié)果繪制總應(yīng)力莫爾圓和有效應(yīng)力莫爾圓，即可分別得到總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)、和有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)、。

（2）CD試驗(yàn)測(cè)定，如圖2-1所示。

取軸向應(yīng)變?chǔ)?15%的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值為破壞值qf。連接原點(diǎn)和? qf 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的直線斜率即為試驗(yàn)的參考割線模量。

（3）三軸固結(jié)排水加載—卸載—再加載試驗(yàn)測(cè)定，如圖2-2所示。

從圖中可以看到，卸載—再加載過程中試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為一個(gè)滯回圈。用卸載—再加載曲線的平均斜率，即連接滯回圈兩端點(diǎn)的直線斜率，得到圍壓下試樣的參考卸載—再加載模量。

2.3 一維固結(jié)加載—卸載—再加載試驗(yàn)

一維固結(jié)加載—卸載—再加載試驗(yàn)的加載方案為：12.5kpa→25kpa→50kpa→100kpa→200kpa→400kpa→200kpa→100kpa→200kpa→400kpa→800kpa→1600kpa→800kpa→400kpa→200kpa→100kpa→50kpa→25kpa→0。

由圖3可以看到，埋深較淺的紹興軟土先期固結(jié)壓力較小，可視為正常固結(jié)黏土;埋深較深的紹興軟土先期固結(jié)壓力較大，為典型的超固結(jié)土。

2.4 紹興軟土的HSS模型

通過上述試驗(yàn)可以得到紹興軟土的SHS模型，見表1。

注：1.上表中“試驗(yàn)”指本課題研究開展的室內(nèi)試驗(yàn);“試驗(yàn)”數(shù)據(jù)通過CD試驗(yàn)獲得，“勘察”和“文獻(xiàn)”數(shù)據(jù)通過CU試驗(yàn)獲得;“試驗(yàn)”的均遠(yuǎn)大于其他文獻(xiàn)的。

3結(jié)束語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)紹興地區(qū)廣泛分布的淤泥質(zhì)軟土小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行了研究，可為杭紹城際鐵路建設(shè)過程中基坑、盾構(gòu)等土體開挖工程引起地基土體變形的精確模擬計(jì)算提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] SCHANZ T，VERMEER P A，BONNIER P G. TheHardening Soil model：formulation and verification[C].Beyond 2000 in Computational Geotechnics—10 years ofPLAXIS. Amsterdam，1999：281-296.

[2] BENZ T.Small strain stiffness of soils and its numerical consequences[D].Stuttgart：University of Stuttgart，2006.