S-CLAY1模型在软土地基沉降分析中的应用

2021-11-08农玲莉沈江涛

西部交通科技 2021年8期

农玲莉，沈江涛

(广西交科工程咨询有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

预测填方路基下的软土地基沉降一直都是交通工程界的热点[1-3]，其中多数研究采用修正剑桥模型预测软土地基沉降。S-CLAY1弹塑性模型与修正剑桥模型相比[4]，考虑了土的各向异性和硬化，与软土的物理和力学性质更加接近，但关于该模型预测软土地基沉降效果的研究相对较少。为此，本文首先介绍了S-CLAY1模型，通过一维压缩试验和三轴试验确定相关参数，代入该模型，经数值分析得到沉降曲线，并将沉降曲线与实测数据进行匹配，以研究该模型预测软土地基沉降的效果。

1 S-CLAY1模型

1.1 模型介绍

S-CLAY1模型是在临界状态模型的基础上扩展而来，与修正剑桥模型的各向同性不同，该模型通过屈服面的旋转来模拟软土的各向异性，同时通过屈服面的往外扩展来模拟土的硬化，因此与相对修正剑桥模型相比，该模型与实际更加接近。模型假定应变由弹性应变和塑性应变组成，弹性变形部分假定为各向同性，体积应变和偏应变表现形式如式(1)所示：

(1)

式中：κ——一维压缩曲线斜率；

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——临界状态的斜率；

α——表示屈服曲线的倾斜值。

(3)

通过式(4)就可以得到塑性剪切应变：

(4)

S-CLAY1模型中，土体硬化分别通过屈服曲面的大小和屈服曲面的旋转角度来表示，如式(5)所示：

(5)

1.2 参数确定

2 模型在试验软基路段的实际应用

2.1 试验软基路段

松铁高速公路路线起点位于博白县松旺镇周北村西南面，终点位于合浦县山口镇。主线全长21.439 013 km。该高速公路沿线靠近海陆交界处，路基所处地形为第四纪冲积平原，地势平坦，地下水位较高，局部有积水。

根据该路段软土层性质、厚度、路堤填土高度等条件，沿线选取了100 m长度的试验监测路段，监测路段选择在路基软土层较厚、性状较差、填土较高等路基沉降和稳定问题突出的路段，布置了3个典型监测断面，断面间距为40 m，断面上沉降测点布置在软土地基顶部(填方路堤底部)，采用沉降计监测。

2.2 模型参数获取

监测填方路堤段的软土地基土样采取了7组，分别在3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m深度处采取，通过对采集到的土工试样进行土体物理性质试验得到土体参数e0，进行高压固结试验得到土体参数κ和λ，进行三轴试样得到土体参数M，进行固结压缩试验得到土体参数K0。μ、β为控制各向异性张量的参数，μ、β分别取为13λ和0.75 m。所有由室内试验和计算得到的模型参数如表1所示。

表1 参数结果汇总表

土体材料参数采用以下数值：(高压固结试验得到的)弹性模量E=29 500 kN/m2，(经验值)泊松比u′=0.35，(三轴试验得到的)摩擦角φ=35°，(土样物理性质试验得到的)土体重度γ=18.6 kN/m3。同时为了提高计算过程的收敛性，根据土样三轴试验结果假定土体的粘聚力c′=2 kN/m2。将上述数据导入有限元软件Plaxis[5]中进行模拟，模型采用平面应变模型，网格总共划分为1 426个三角形单元，每个单元含15个节点，长度方向取65 m，计算深度取25 m，如图1所示，这样可以保证结果的精度。

图1 路基断面及网格划分示意图

3 验证结果分析

本次监测共采取了2个横断面的监测数据，监测过程历时590 d，本文选择了两个有代表性的断面的最终沉降数据进行分析，并将实测结果与模拟结果进行对比，分析结果如下页表2所示。

表2 实测与模型预测结果对比表

可以看出，预测结果与实测结果较为接近，误差率一般在10%左右，换算成绝对值大概误差为3 cm，误差产生的原因是软件模拟软基上填土加载速率为常数，而实际施工过程中软基上填土加载速率不是常数，而是间断的，模拟加载和实际加载模式的不同使得模拟结果产生了误差。

同时将K35+860、K35+900两个断面的590 d实测沉降历时曲线与模型模拟预测沉降历时曲线对比(见图2)，可见两者曲线较吻合，说明利用S-CLAY1模型预测软土地基沉降的效果较好。同时从图2可以看出，开始阶段实测曲线与预测曲线之间存在较大的误差，后期慢慢趋于接近，这主要是由于施工工序的差别，在Plaxis软件中，通过每个单元重度的增加来模拟路基填土，加载速率为常数，累计沉降也是连续的，实际施工过程中，由于受到各种客观因素的影响，施工过程不能保证连续无间断，因此实际观测数据存在一定的离散性。