層狀土體變特性及變形計算方法研究進展

李 純,王煜斌,王 剛

(東北大學 資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

經典土力學理論和試驗方法一般用于解決飽和土問題,所得出的規律和工程應用方法也主要適用于飽和土,如計算邊坡、壩體、地基等的變形問題,先把土體看成是均質的線性變形體,直接引用彈性力學理論計算附加應力,然后利用某些簡化和假設來解決土層變形的計算問題。在過去的半個多世紀里,飽和土理論得到了飛速發展,各種本構理論、固結理論等相繼被提出,其中部分理論已逐漸發展成熟,并在工程領域中得到了廣泛應用,特別是地基變形計算方法的研究與應用等方面。

然而,土可以是飽和的,即孔隙中充滿水,也可以是非飽和的,即孔隙中同時充滿水和空氣[1]。研究表明,采用有效應力作為描述飽和土性狀特征的唯一狀態變量時,在解決涉及飽和土的許多巖土工程問題中,已經取得了很大的成功,有效應力概念已被普遍應用于飽和砂土、粉土和黏性土等的研究。實際上,土力學的研究領域應該涵蓋各種不同的土類,包括非飽和砂土、膨脹土和濕陷性土等。由于試驗條件的限制,非飽和土性狀卻不為人們所熟悉,其理論研究雖然取得了一定的進展,但遠未成熟,這使得非飽和土理論在工程中的應用受到了很大限制[2-3]。實際上,地球表面廣泛分布的天然地表沉積土大多是低含水率的非飽和土。建筑物地基位于地下穩定水位之上的土層、土邊坡、土壩、路基填土、機場跑道的壓實填土等都處于非飽和狀態。即使是同一種土,受環境或人為因素影響,也可能在飽和與非飽和兩種狀態之間交替出現[4]。如降水基坑,特別是當滲透系數很大的情況下,土的工程特性變化顯著,從而給建筑物、構筑物的安全帶來了嚴重威脅或隱患。近年來,許多學者開始關注和重視對非飽和土的研究,非飽和土力學成為巖土工程領域中一個新的研究方向。目前,非飽和土體積變化理論和模量量測方法均取得了一定的成果[5-6]。在總應力為常數的情況下,這些成果已被應用于計算非飽和土的體積變化問題,如土的膨脹或收縮等[7]。研究體積的膨脹主要針對膨脹土,如高塑性黏土等[8];研究體積的收縮則主要針對濕陷性土,如較松的粉土層等。濕砂土(特別是礫砂和圓礫等)尚未被作為非飽和土的研究對象[9]。可是,在一些地區,同時對飽和土和非飽和土的力學性狀和變形特征的研究已經成為一個不可回避、且亟待解決的問題。

土的飽和與非飽和狀態常常交替出現,其物理力學性狀也在飽和土與非飽和土之間交替變化[10]。因此,如何通過有效途徑,使飽和土和非飽和土理論合理銜接,用于解決實際問題,這是人們面臨的一個新課題。建(構)筑物地基通常是由層狀土組成的,土層分布和走向往往呈現交錯層理構造,即使是同一類型土層,其物理性質和變形性狀也隨深度改變而改變。因此,地基非均質(各向異性)特性很顯著。深基坑降水,不僅起到降低基坑內的地下水位、便于基礎施工的作用,還影響了基底上覆土層的含水率和飽和程度,使其物理力學參數發生變化,導致該土層產生有效應力增量,有效應力增量與基底附加應力一起作用在擬建建筑物的地基上,造成地基沉降。基坑降水還影響到臨近建筑物的穩定,非飽和土層中產生的有效應力增量將使臨近建筑物的地基再次產生沉降[11]。在降水后的基坑中,建筑物荷載通過基礎傳遞給地基,使天然土層原有的應力狀態發生變化,在附加的三向應力分量作用下,地基中產生了豎向、側向和剪切變形,導致各點的豎向和側向位移[12-13]。由于建筑物荷載差異和地基不均勻等原因,基礎沉降或多或少總是不均勻的,使得上部結構之中相應地產生額外的應力和變形[14]。當地基不均勻沉降超過一定的限度時,將導致建筑物開裂、歪斜甚至破壞,建筑物附近地面還可能發生塌陷現象。在實際工程中,建(構)物地基一般是由層狀土構成的,開展層狀土的力學性能研究具有重要理論意義,而非自由場層狀土的變形性能研究是其關鍵問題之一。已有研究表明,層狀土的力學性狀并非是各單一土層力學性狀的簡單組合。同砂土或碎石土相比較,黏性土等軟弱土具有更明顯的非線性特性,該類土層的存在使層狀土的整體性能變得更加復雜起來。實測結果表明,對于擴展基礎、條形基礎等小型基礎,地基內附加應力的空間疊加效果不明顯,但對于大型基礎來說,其下層狀地基內附加應力的空間疊加過程不能忽略,特別在柱腳存在偏心荷載情況下,基底最大附加應力并不位于柱中心軸線與基底交點處。

基于上述情況,需要一種行之有效的方法,描述大型基礎下基底有效附加應力的空間傳遞過程、計算基底平面上各目標點的沉降量以及找出最大沉降發生點位置等,為工程設計和施工提供可靠的參考數據和理論依據。

1 非飽和土的體變特性

非飽和土的力學理論必須解決兩個根本問題,其一,建立場變量之間的關系;其二,建立控制方程。由于控制方程的推導可以從土力學已有的理論和一些相關學科得到借鑒,因而建立場變量之間的關系就成了解決該問題的關鍵。飽和土的場變量共有五個, 即土骨架位移、土骨架應變、孔隙水流速、總應力和孔隙水壓力。飽和土力學的成功之處就在于建立了有效應力與應變的關系;對于非飽和土,除了上述的五個場變量,還要增加三個場變量,即孔隙氣流速、孔隙氣壓力和含水率或飽和度或基質吸力。孔隙水流速和孔隙水壓力之間滿足Darcy定律;孔隙氣流速和孔隙氣壓力之間滿足修正的Fick定律。這兩個控制方程都比較簡單,關鍵是如何建立土的體積變化本構方程,最終達到求解非飽和土變形或穩定問題的目的。目前,對非飽和土的研究非常廣泛,研究領域主要集中在強度理論[15]、滲流理論[16]、體變理論[17]以及參變量的試驗量測[18]等方面。為了與本項目的研究內容相一致,這里主要介紹非飽和土的應力狀態變量的建立、滲透特性、體變理論以及體變測試技術等的研究現狀。

1.1 應力狀態變量

土的力學性狀(即體變和抗剪強度性狀)取決于土中的應力狀態。土中的應力狀態可用若干應力變量的組合來描述,這些應力變量被稱之為“應力狀態變量”。描述飽和土的應力狀態時,只采用了單值有效應力作為其應力狀態變量,而且在解決涉及飽和土的許多巖土工程問題中已經取得了很大的成功,有效應力概念已被普遍接受用于研究飽和土。為了能在飽和土力學的基礎上分析非飽和土的力學特性,許多學者提出了許多非飽和土“有效應力”公式,均嘗試采用單值的有效應力或應力狀態變量,且都含有土的參數,但是將土的性質納入應力狀態描述將會導致許多困難,也與連續介質力學的觀點相矛盾,試驗結果也表明,量測出來的土的性質同所建議的有效應力之間不存在單值的關系。

Bishop[19]提出了獲得廣泛應用的非飽和土有效應力表達式,通過定義一個與土的飽和度有關的參數將兩個獨立的應力狀態變量聯系起來,其物理意義可理解為單位土面積基質吸力的作用面積。Bishop和Donald[20]曾初步驗證過該有效應力表達式的正確性,試驗結果也同時證明了使用獨立的兩個應力狀態變量是可行的。

Jennings和Burland通過壓縮試驗得出, 當粗粒土的飽和度高于20%、粉土高于40%～50%、黏土高于85%時,Bishop公式才適用,隨后,Aitchison給出了一些修正的有效應力公式[21]。陳正漢等[22]在不考慮非飽和土的剪脹性和濕脹(濕陷)特性的條件下,導出了各相異性多孔介質中有多種不混溶流體流動時有效應力的普遍公式,同時導出了有效應力參數表達式。徐永福[23]根據非飽和土微孔隙分布的分形模型,得到了能夠反映非飽和土結構特性的有效應力公式。

有效應力應用于非飽和土雖然概念明確,但有效應力與土性參數相關聯,在試驗和理論上都存在著困難,因而許多研究者傾向于采用多應力狀態變量來描述非飽和土的力學性狀。

自20世紀70年以來,Frelund和Morgenston在充分認識上述局限性和總結前人工作成果的基礎上,提出雙應力狀態變量理論,并根據非飽和土中各相力的平衡導出了平衡方程,定義了描述非飽和土的三個應力張量(組合之一)來描述非飽和土的應力狀態[24]。

1.2 滲透特性

研究土的滲透特性對于解決土的滲流與變形耦合問題十分重要。水通過土的緩慢運動通常稱為滲流或滲透。以往常規滲流分析中主要考慮飽和區內的滲流情況,而沒有考慮非飽和區內水的流動,如求解均質各向同性飽和土的二維滲流微分方程時,繪制流網的圖解法曾經被大量應用,該方法要事先知道滲流域的邊界條件,并定出水頭邊界或流量邊界,考慮非飽和區的低滲透性而一般假設浸潤線作為不透水的上部邊界,由于此線又是最上部的流線,故等勢線必須與之正交。但該方法分析各向異性、非均質土時,將變得十分困難。實際工程中,考慮非飽和土區的滲透性影響十分重要,如天然邊坡土在長時間連續降雨時的失穩破壞、膨脹土浸濕時引起的地面隆起,特別是地下水位的上升造成建筑物地基承載力下降,地基的穩定與變形因而受到影響等。總之,將土的飽和區和非飽和區作為一個整體來研究將是十分必要的。

對于穩態流分析,認為土體中任何一點的水頭和滲透系數不隨時間而變化;對于非穩態流,認為水頭(或滲透系數)隨時間而變化。但不管是穩態流,還是非穩態流,水頭和滲透系數均隨空間位置而變化。Neuman[25]基于平面應變問題對土壩進行了飽和-非飽和滲流數值模擬,首先將有限單元法用于飽和-非飽和滲流中,并提出了用不變網格法分析自由面滲流的Galerkin方法;Lam等[26]解答了飽和-非飽和土體中的若干經典滲流問題,并于1988年用Galerkin的加權殘余原理建立了二維非穩態滲流問題的有限元公式。

在國內,陳守義(1997)、姚海林(2002)、李兆平(2001)及包承綱(2004)等均對降雨入滲條件下非飽和土邊坡的穩定性進行了一定的研究;張家發[27]建立了考慮降雨入滲補給條件的三維飽和-非飽和非穩態滲流的數學模型,并利用編寫的程序對三峽船閘高邊坡飽和-非飽和非穩態的滲流場進行了數值模擬;朱偉等[28]對大型河堤洪水的滲透試驗的飽和-非飽和滲流狀況進行了有限元解析;詹良通等[29]對非飽和膨脹土的強度及變形特性進行了三軸試驗研究。

1.3 宏微觀體變理論

近年來,很多學者在非飽和土領域開展了大量的研究工作,提出了若干類型非飽和土的本構關系,主要體現在三個方面,其一,應力與體積-質量本構關系,建立了:應力狀態變量與應變、變形及土體體積-質量特性,如孔隙比、飽和度、含水率之間的關系;氣體-水混合體的密度方程;氣體-水混合體的壓縮方程。其二,應力與應力本構關系,描述了量測不排水加荷條件下,將孔隙壓力與法向應力相聯系的孔隙壓力參數;建立了將剪應力與應力狀態變量相聯系的強度方程。其三,應力梯度與滲流速率本構關系,描述了氣體與孔隙水的滲流定律。體積變化的本構關系只是土力學中使用的若干本構關系中的一種。

Biot(1941)在土體各向同性和線彈性響應假定的基礎上提出了三維固結理論。該理論假設土體為非飽和狀態,孔隙水中含有封閉氣泡。為全面描述非飽和土的變形狀態,使用了兩個本構關系:其一是針對土體結構,另一個則針對土體內的液相。在公式中用了兩個相互獨立的應力變量(有效應力和總應力),共采用4個體變系數表征土體應力和變形狀態。Frelund等(1977)對非飽和土提出了一種半經驗半理論的本構關系,即從三個獨立的應力狀態變量中任意選取兩個來描述土體積變化時所需的變形狀態變量滿足多相連續體的連續方程;1979年, Frelund等[30]又假定土是各向同性線彈性材料,將飽和土的廣義定律引申到非飽和土的本構關系中,用應力變量(如總應力、孔隙氣壓力和孔隙水壓力等)給出非飽和土的彈性本構關系。Alonso(1990)根據土飽和程度的臨界狀態,在壓縮試驗和三軸試驗的基礎上,提出了非飽和土彈塑性Barcelona本構模型。Alonso(1995)為了反映某些非飽和土的濕陷變形特性,提出了一種經驗屈服軌跡方程。

國內,劉祖德等[31]對膨脹性土的浸水變形性狀進行了三軸試驗,根據試驗結果總結了膨脹性土的變形特征;張原丁[32]對濕陷性黃土在不同含水率和壓力下進行了試驗研究;陳正漢[33]根據非飽和土相關三軸試驗結果,對SI屈服面提出了模型修正;孫建中等[34]進行了黃土在多種初始含水率的應力應變關系的試驗研究;汪東林等[35]對非飽和重塑黏土的變形性狀進行了試驗研究。

1.4 體變測試技術

非飽和土的本構關系將相應的變形狀態變量和應力狀態變量聯系起來,引入體積變化系數起了關鍵作用。而這些系數一般可由不同的室內土工試驗獲得(Fredlund,1989;Rahardjo,1990;Ho,1992),但是試驗方法和技術較飽和土復雜得多,例如如何控制試樣的基質吸力就是一個很難解決的問題。Escario[36]研制出第一臺非飽和土固結儀,在1980年又研制出了第一臺非飽和土直剪儀,用來測試基質吸力對非飽和土強度的影響程度;Fredlund[30]和Gan[37]對Escario非飽和土儀器進行了改正;Ho[38]針對孔隙比本構面的對數形式,提出了孔隙比本構面的近似表示形式;Delage和Vicol(1992)利用半滲透技術研制出了常規非飽和土固結儀,用來測控土樣內的基質吸力;1995年,Romero研制出了溫控非飽和土固結儀。俞培基等[39]使用了將高進氣陶土板作為底座的三軸儀;楊代泉和沈珠江(1990)對常規三軸儀進行了改進,保證了量測精度和試樣的小型化;劉國楠等(1994)改裝了非飽和土常規三軸儀,使之能同時量測試樣的孔隙水壓力和控制孔隙氣壓,并與軸移技術所測得的基質吸力進行了對比驗證;徐永福[40]對非飽和土三軸儀的壓力室進行了改裝,并于1998年用改裝可測吸力的三軸儀,研究了寧夏膨脹上的變形性質和強度特性。這兩種儀器都采用內置荷載傳感器和數據自動采集,既可控制豎向壓力,又可控制基質吸力;詹良通和吳宏偉(2006)利用三套新研制的雙壓力室非飽和土三軸儀,用來研究吸力變化對非飽和膨脹土變形和抗剪強度特性的影響。

2 飽和土的體變特性

飽和土由孔隙水和土顆粒構成,理論上不含空氣成份,飽和度為1,故稱飽和土為兩相系。飽和土體中任意點的應力(即有效應力)可以從作用于該點的總應力計算得出。 實踐證明,飽和土只需要單一應力狀態變量就可以描述其力學特性,其合理性已為試驗所證實并被普遍接受(Bishop,1950;Skempton,1961) 。研究表明,土的飽和程度無論是從非飽和到飽和狀態,還是從飽和到非飽和狀態,應力狀態均能平順過渡,飽和土和非飽和土理論并非完全彼此孤立的。實際上,飽和土可被看成是非飽和土的一個特例。非飽和土的另一個特例是干土,由空氣和土顆粒構成,不含水成份,其飽和度為0,故干土也為兩相系。

飽和土的強度、變形以及滲流理論的研究起步較早,理論相對完善,一些經典理論在工程實際中還得到了廣泛應用,雖然仍存在著不同程度的缺陷,但總體上已經取得了很大成功。Terzaghi(1936)建立了飽和土一維固結微分方程,指出對飽和土這種特殊情況,只剩下第一應力張量,同時采用有效應力概念描述飽和土的應力狀態; Terzaghi和Peck(1948)給出了土體小應變時一定初始條件與邊界條件下的線性解析解;Carter(1979)針對土體大應變情況做了數值分析;Lambe和Whitman(1979)提出了飽和土在三軸加荷條件下的孔隙水壓力公式,并指出在飽和土中滲透系數是孔隙比的函數,但一般情況下,假定飽和土的滲透系數為常數;Hird(1992)和Indraratna(1997)均從Hansbo(1981)理論出發,推導出了將砂井地基三維固結有限元問題轉換為平面應變問題來處理時的等效變換公式;Takeji Kokusho等[41]指出飽和土體中的水流受Darcy定律所控制,與非飽和土的主要區別是,飽和土通常假定滲透系數為常量,由非飽和土過渡到飽和土是一個比較平穩的過程;K.H.Xie和C.J.Leo(2004)給出了不同厚度的飽和均質黏土一維大應變固結的理論解答; Mahmoud和Hassanen(2007)采用二維換算邊界有限單元法對飽和土進行了動力固結耦合分析,該方法將飽和土視為兩相介質,也是對Biot固結理論的一種拓展。

在我國,錢令希和鐘萬勰等(1993)運用非線性彈塑性模型對飽和土的固結進行了有限元分析,給出了飽和土壤固結彈塑性分析的基本方程;沈珠江(1995)提出把混合物理論引入土力學中成為一種時尚;張均鋒(1999)對沖擊載荷下的飽和砂土滲流強化與結構破壞情況進行了實驗研究,提出排水沉降不是均勻現象,還出現了縱向排水通道、橫斷裂紋等現象;謝康和等(2004)基于Biot固結理論對飽和土體中半封閉壓力隧洞的應力和位移場進行了分析,建立了壓力隧洞的半封閉邊界條件,通過對控制方程的解耦,得到了孔隙水壓力的消散方程;丁洲祥和龔曉南等(2005)提出了歐拉描述的大變形固結理論,彌補了以往大變形固結理論的控制方程,忽視了固結過程中排水引起的質量變化的不足;謝康和等(2006)進行了應力歷史影響的飽和土一維非線性固結分析,并考慮地基應力歷史的影響,通過半解析法確定地基固結過程中正常固結與超固結的分界面;張引科等(2007)研究了飽和土的球對稱固結與Mandel-Cryer效應,通過直接求解飽和土球對稱Biot固結方程,得到了球對稱固結方程在真實空間的解析解;蔡元強和徐長杰等(2007)基于Gibson控制方程給出了厚層飽和土循環加載過程中承受不同壓力時的一維有限應變解答,域變換時,仍然保留了Laplace變換;熊偉和尚守平等(2008)對動荷載作用下的飽和砂土動剪模量進行了試驗研究,得到了該土樣在四種飽和度、三種固結壓力下的最大動剪模量以及動剪模量比歸一化曲線。

3 土的體變理論應用

3.1 工程應用現狀

在工程應用方面,現階段非飽和土的體變理論主要集中在環境的變化引起膨脹土的膨脹或濕陷性土的收縮對建筑物造成的破壞等方面,也就是說,目前對非飽和土的研究大多針對自然條件的改變,而考慮外加荷載與堿飽和效應方面的研究較少。膨脹土分布在世界各地,在季節性的干濕循環中,地表淺層的非飽和膨脹土往往表現明顯的脹縮特性,通常對機場、道路、露天邊坡以及少層建筑物等產生嚴重破壞。為此,國內外學者針對膨脹土的力學特性進行了大量的試驗研究;濕陷性黃土具有特殊的工程特性,對黃土地區的地基、邊坡和洞室等的穩定帶來了較大的危害。基于此,采用傳統的飽和土力學變形理論已經無法合理計算因干濕循環而引起的膨脹土、濕陷性土等對建筑物產生的變形影響,需要采用非飽和土力學理論和針對性的試驗來研究其變形影響問題,尤其是研究其他類型非飽和土的地面下沉、基坑位移、邊坡穩定、地基或路基沉降以及壩體位移等實際問題,將具有更重要的現實意義。

地下水位的降低引起孔隙水壓力的變化,土層飽和度降低,產生有效應力增量,土體再次發生固結而使得地面或基底產生沉降。在地基沉降的研究中,人們常常采用飽和土理論來計算含有非飽和土層的地基沉降量。飽和土固結理論離不開有效應力原理,土體的變形或體變,是由于有效應力發生改變的結果。而有效應力發生改變一般分為三種情況:其一,外荷載和土的自重應力不變,但孔隙水壓力發生了改變;其二,自重應力和孔隙水壓力增量為零,而外荷載增量大于零,地基中形成附加應力;其三,孔隙水壓力和外荷載同時發生變化。譬如,深基坑降水穩定后,基底上覆土層含水率降低,產生有效應力增量。同時,建筑物開始施工,外荷載不斷增加,有效應力增量和附加應力共同使地基產生沉降。

對于第一種情況計算地表沉降時,傳統方法僅對飽和區進行了計算分析,而忽略了非飽和區的豎向變形。Hsin-Yu Shan(1998)在對臺灣沿海地區地表沉降的調查中發現飽和土以上的非飽和土區域受降雨影響產生的沉降可觀,通過監測或計算,結果表明,非飽和土層的沉降量占計算深度范圍內土層總沉降量的比例約為47.9%; Kai-Yuan Ke(2004)通過對不同環境條件下的非飽和土柱開展了實驗室排水固結試驗。試驗表明,土柱的非飽和部分產生的沉降量可觀,不能忽略。

對于第二種情況計算基底沉降時,傳統方法先將地基按地下水位標高分成兩個區域。計算地下水位之上非飽和土層的自重應力時,一般采用土的天然重度;計算地下水位之下土層的自重應力時,則考慮使用土的浮重度。我國國家現行地基基礎規范或有關規程計算地基沉降時,引入了經驗系數,同時還對分層總和法公式進行簡化,求解出各分層地基土的變形后,最終達到求解地基受壓層的總沉降量的目的。

對于第三種情況計算基底沉降時,場地土層自上而下出現兩種情形,穩定水位以上為非飽和土層,穩定水位以下為飽和土層。受試驗條件的限制,非飽和土的力學特性和變形性狀尚不為人們所熟悉,工程中仍然延用上述傳統方法解決問題。

無論是第一種情況,還是第二種情況,針對飽和區域土的變形計算,使用有效應力原理,已經獲得了很大成功。但是,計算降水飽和地基的沉降時,應將非飽和土層和飽和土層區別開來對待,使計算條件與實際情況更加貼切,計算值的可靠性更高。

3.2 目前存在的問題

用于計算地基變形的方法很多,其中廣泛應用于實際工程的地基沉降計算方法主要有:分層總和法、現行規范法、彈性力學公式法以及變形發展三分法等。用這些方法解決飽和土的變形問題,許多方面已經取得了很大的成功。但是,若將它們應用于解決大型基礎下層狀地基的變形問題中,將會帶來一些困難和問題,具體表現在以下幾個方面:

(1) 分層總和法是計算地基最終沉降量最常用的方法。分層總和法采用K0(完全側限)條件下的地基土壓縮性指標,計算有限深度范圍內土層的壓縮量。對于部分類型基礎,如條形基礎、擴展基礎等,通常取其基底中心處的地基附加應力進行近似計算。根據以往經驗,這種做法基本上可以解決基礎形狀簡單、尺寸不大的多層或少層建筑基礎的基底沉降問題。但是,隨著高層建筑和超高層建筑的增多,作用荷載和基礎尺寸不斷加大,基礎型式多變,特別是對于一些大型、復雜、重要的基礎,如筏形基礎、構造板擴展基礎等,僅僅計算基底中心點的沉降是遠遠不夠的,且該點的沉降值不一定就是最大值。

(2) 現行規范法是在分層總和法的基礎上,采用土層平均附加應力系數,結合地區經驗規定了較為適宜的土層沉降計算深度,計算結果運用沉降經驗系數修正后,須滿足地區建筑物基礎沉降允許值。這種做法是對分層總和法進行了改進,使沉降計算結果較大程度上接近實測值。但是,規范法仍然沒有克服分層總和法單點計算基底沉降的缺點。對于筏形基礎、構造板擴展基礎等大型基礎,誤認為最大荷載作用點就是最大沉降發生點,忽略了有效附加應力空間傳遞過程中出現應力擴散、傳遞和疊加同時進行的事實。因此,設計基礎和地基時,人們常常將最大荷載作用點作為地基最大變形控制點,存在一定的安全隱患。

另外,采用規范法計算地基變形時,常常會出現下列情況:①對于低壓縮性土層,如砂類土,變形計算值遠大于實測值;②對于中等壓縮性土層,變形計算值與實測值相近;③對于高壓縮性土層,如粉質黏土等軟弱夾層土,變形計算值小于實測值。

(3) 運用彈性力學相關理論公式計算地基沉降量時,遵照半無限空間內地基呈均質和線性變形等假設。這種方法用于計算巖石地基或較密實的砂類土地基的變形時,計算結果比較理想。但是,在實際工程中,地基類型復雜,難以滿足假設條件,受荷載的傳遞和疊加影響的土層深度有限,研究表明,無黏性土(如砂類土等)地基的變形模量是隨深度而增大的,計算結果往往偏大。另外,還有一個缺點是無法考慮相鄰基礎之間的作用影響。

(4) 變形發展三分法考慮地基變形過程中可能出現的三種變形情形,即瞬時沉降、固結沉降和次壓縮沉降。計算地基沉降時,將這三個分量分開來計算,然后疊加。提出將單向壓縮條件下的沉降計算結果乘上經驗修正系數,得到了地基考慮側向變形修正后的固結沉降,計算精度得到了提高。但是,變形發展三分法只適用于黏性土地基。

(5) 在運用規范修正法計算層狀砂土地基的變形時,一些地區地方規程對砂土和軟弱夾層土的沉降計算經驗修正系數值雖然給予了細化和補充,但是,因部分砂土和軟弱夾層土沉降計算經驗系數是在有限經驗條件下提出的,沉降計算結果與實際值仍相差甚遠。

4 層狀土變形計算方法

分析層狀土的變形,除了首先要考慮不同類型土的本構關系、土層物理力學性質、基底有效附加應力的空間傳遞等,還應考慮因基坑降水可能產生的非飽和效應。此時,地基沉降不僅僅因為基底附加應力的作用,基底上覆土層產生的有效應力增量對地基沉降的貢獻同樣不可忽略。研究表明,隨著高層建筑和超高層建筑的不斷增多,作用荷載和基礎尺寸不斷加大,基礎型式多變,特別是對于一些大型、復雜、重要的基礎,基底最大荷載作用點不一定是最大沉降發生點,基礎中心點的沉降值也不一定就是最大沉降值。傳統的地基沉降計算方法只能在彈性范圍內采用統一的土材料本構模型逐次單點計算地基沉降量,應用局限性較大,如果仍采用該種方法確定大型基礎下層狀地基最大沉降發生點和計算其最大沉降量將具有盲目性和不合理性,也給大型基礎建(構)筑物的安全使用帶來較大隱患。到目前為止,如何準確計算和完整描述非自由場層狀土的靜力變形成為研究者們一直致力解決而尚未很好解決的問題。

Mendoza等[42]在1988年針對震區墨西哥城建筑物基礎的行為進行了分析,指出層狀土的力學性狀并非是一些單一土層力學性狀的簡單組合,同砂土或碎石土相比較,軟弱土層(如淤泥質土和粉質黏土等)具有明顯的非線性特性,該類土層的存在使層狀土的整體性能變得更加復雜起來。之后,美國地震工程研究所(EERI)[43]在洛馬普列塔地震分析報告中也得出了相同的結論。層狀土中軟黏土層受到地震荷載作用時能夠強化地面運動并且加劇建筑物的總體損害程度。Naoki Takahashi、Chung-Jung Lee等[44-45]分別對由砂土層和黏土層交互構成的層狀土進行了地震響應聯機測試試驗研究,發現黏土層具有強化和減弱地面運動的雙重特性,即位于有液化傾向的砂土層之下的黏性土將減弱短周期結構物的地震運動,但強化長周期結構物的地震運動。Enayat Masoud等[46]提出土體結構和孔隙比是影響土體滲透性的主要因素,起著控制土體變形的作用,并提出了一個層狀土變形的概念模型。李純等[47-49]基于宏微觀多孔介質理論,研究了大型基礎下基底有效附加應力在層狀土內的空間傳遞路徑與疊加原理,提出了層狀土變形分析模型,推導了層狀土變形計算方法,基于通用塑性理論簡化了Paster-Zienkiewicz本構模型,運用自編程序SSBS對大型基礎下層狀土的靜動力變形性狀進行了三維數值模擬分析,計算結果得到了工程實測數據的驗證。實踐證明,層狀土變形分析方法較好地克服了傳統分層總和法只能單點計算基底沉降的不足,為工程設計和施工有效防控重大工程突出災害的發生提供了可靠的基礎數據和理論參考。

5 結論及建議

近年來,各國學者從工程實際出發,針對層狀土的體變特性及其變形計算方法從實驗、數值模擬、變形機理及地基改良等方面都進行了一系列的分析研究,可得到以下四個方面的主要結論:

(1) 非飽和土與飽和土的體變理論是可以統一起來的,即當飽和度S=1時,飽和土成為非飽和土的一種特殊形式。

(2) 在飽和土形成為非飽和土的過程中,產生的有效應力增量對土層變形的貢獻不能忽略,因此,如果采用飽和土理論來分析非飽和土的力學性狀,所得結果會產生較大誤差。

(3) 層狀土的力學性狀(特別是其動力特性)并非是一些單一土層力學性狀的簡單組合。同砂土或碎石土相比較,軟弱土層(如淤泥質土和粉質黏土等)具有明顯的非線性特性,該類土層的存在使層狀土的整體性能變得更加復雜起來。

(4) 大型基礎下層狀土的最大沉降并不一定發生在基礎中心處,且基底最大荷載作用點沉降值也不一定是沉降最大值,因此,按照傳統方法計算得到的結果存在一定的安全隱患。

綜上可知,目前關于層狀土的靜動力特性研究仍十分有限,開展有條件下的實驗室試驗和工程實測,建立層狀土性能與材料力學參數智能預測系統,為理論模型提供精準的物理力學參數,以及針對層狀地基中不同類型土進行精確力學性能分析,是今后值得深入研究的方向。