寧波軟土工程地質(zhì)特性及本構(gòu)模型研究

■吳偉良 ■浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 嘉興 314001

1 寧波軟土研究現(xiàn)狀

關(guān)于寧波軟土工程特性的研究相對較少，目前已有的研究成果一般也只是針對某方面特性而展開的［1］。寧波軟土研究最早可追溯到二十世紀(jì)五十年代，由浙江大學(xué)、鐵科院合作研究，解決了寧波市鐵路路堤地基穩(wěn)定問題，開辟了寧波軟土研究的先河。1981 年曾國熙等人對寧波軟土進行了以強度為主的研究，指導(dǎo)了杜湖水庫高壩地基的建設(shè)。1992 年朱向榮等人結(jié)合寧波爍社機場及舟山機場建設(shè)的經(jīng)驗，對軟土變形進行了研究。二十世紀(jì)九十年代，在寧波地區(qū)大規(guī)模建設(shè)發(fā)展的要求下，軟土的相關(guān)研究慢慢變熱。蘇伯苓對寧波地區(qū)軟土的流變規(guī)律及工程實例應(yīng)用進行研究，并取得顯著成果。為解決蕭甬鐵路寧波段工程問題，1997 年周全能等人詳細研究了寧波軟土工程地質(zhì)特征，并指導(dǎo)鐵路建設(shè)的順利完成。進入二十一世紀(jì)，寧波軟土工程特性的研究越來越少，這與當(dāng)今經(jīng)濟發(fā)展節(jié)奏完全不符，很有必要對寧波軟土工程特性展開深入的研究，為各類工程提供必要的軟土地質(zhì)工程資料。

2 寧波軟土工程地質(zhì)特征

2.1 工程概況

寧波軟土地貌多為濱海相淤積平原，軟土覆蓋面積廣闊，工程場地基本分布于軟土層之上［2］。造成寧波城區(qū)建筑沉降變形的主要軟土層有兩層:第一層由全新世海相淤積泥質(zhì)土組成，厚度較大，含水量大，多為流塑狀態(tài)，壓縮性高，厚度為2～20 米;第二層為上更新世海積層，厚度為28～45 米，壓縮性較第一層低，呈軟流塑狀態(tài)。寧波軟土具有海綿結(jié)構(gòu)和大型的層理構(gòu)造，由于含有較多有機質(zhì)、粘粒多、結(jié)合水豐富、顆粒間粘結(jié)力弱，因此壓縮性較大，透水性差。本文主要以上述兩層軟土為例，對寧波軟土工程地質(zhì)特征及本構(gòu)模型進行研究。

2.2 工程地質(zhì)特征

根據(jù)寧波軟土層的物理力學(xué)指標(biāo)，可分析得到寧波軟土具有的工程地質(zhì)特征有:

(1)含水量高。軟土的天然含水量w 一般超過液限wL5% 到10%，土體飽和度較高，液性指數(shù)大于1，Sr 大于94%，以粘性土軟硬度為標(biāo)準(zhǔn)進行劃分，軟土處于流塑狀態(tài)，流變性明顯。

(2)孔隙率高，壓縮性高。這類軟土受壓力后沉降比較大，屬于高壓縮性軟土，孔隙率大于1，壓縮系數(shù)平均值為0.76MPa-1，壓縮模量在2MPa 到3MPa 之間。

(3)滲透性較差。軟土層的顆粒成分以細顆粒為主，礦物成分以親水性及活動性較大的礦物為主，液限WL在30%到50%之間，擴散層的水膜厚度較大，滲透系數(shù)小。垂直方向的滲透系數(shù)約為2.12x10-7cm/s，水平方向滲透系數(shù)約為3.94x10-7cm/s。由上述分析可知，軟土地基上的建筑物的沉降周期較長，常?？蛇_數(shù)十年，而且后期沉降比將會逐漸增大，因此在實際工程施工過程中應(yīng)充分考慮到軟土的次固結(jié)沉降。

(4)抗剪強度較低。在寧波軟土地基修筑土壩、深基坑工程及路堤等工程時需要對軟土地基進行預(yù)處理或基坑支護。因為軟土粘聚力在4～30KPa 之間，內(nèi)摩擦較小，直接影響到地基的承載力和邊坡的穩(wěn)定性。

(5)寧波軟土靈敏度較高，靈敏度平均為4，屬于中等靈敏度軟土。靈敏度越大，表示土結(jié)構(gòu)對強度的影響越大。由于寧波軟土的靈敏度大，土結(jié)構(gòu)與強度的聯(lián)系較為緊密。寧波軟土結(jié)構(gòu)受擾動后，強度常常降低75%左右，這對工程施工是很不利的，因此需盡量避免土體受到擾動。

3 本構(gòu)模型研究

3.1 彈塑性損傷模型［3］

(1)軟土損傷基本理論

寧波軟土的結(jié)構(gòu)性較強，其受力時粒間聯(lián)接不斷被破壞，這種微觀機制的變化使得軟土的土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。我們把軟土從原狀土向重塑土過渡，并伴隨著粒間結(jié)構(gòu)破壞及顆粒結(jié)構(gòu)重新排布的這個過程叫做損傷。1988 年沈珠江最早運用軟土損傷對土體本構(gòu)關(guān)系進行研究，奠定了土體損傷力學(xué)模型的基礎(chǔ)。

采用損傷力學(xué)研究土體結(jié)構(gòu)時可用損傷來描述土體結(jié)構(gòu)破壞的過程，找出其演化的規(guī)律，并建立起含有損傷變量的本構(gòu)方程。這樣能更詳細地描述天然軟土在受力后所表現(xiàn)出的應(yīng)變性狀。

(2)損傷變量的確定

損傷變量就是在損傷力學(xué)中所定義的一個可以描述土體損傷演變過程的變量。根據(jù)損傷變量函數(shù)可計算出損傷變量的值:

W=(qu-q)/(qu-q’u)=1-e-a(ε1-εf)

qu、q’u 為原狀土和重塑土在無側(cè)限壓縮試驗中的應(yīng)力峰值強度;q為應(yīng)力峰值;εf為應(yīng)力峰值qu所對應(yīng)的軸向應(yīng)變，ε1為應(yīng)力值q 所對應(yīng)的任一軸向應(yīng)變;a 為損傷演化參數(shù)。

(3)建立本構(gòu)關(guān)系

本文主要從損傷力學(xué)基本理論、應(yīng)變增量的計算及彈性損傷矩陣三個方面對本構(gòu)關(guān)系的建立進行介紹。

根據(jù)沈珠江(1993)提出的土體損傷理論，土體在受到壓力的作用時，其變形過程可以看成由原狀土向損傷土演變的過程，其力學(xué)參數(shù)可由下式計算得出:

S=(1-ω)Si+ωSd

S 為天然土體的力學(xué)參數(shù)，Si為原狀土的力學(xué)參數(shù)，Sd為損傷土的力學(xué)參數(shù)，ω 為損傷比。

由彈性矩陣可推算出:

根據(jù)上式，可依次對ω、A’d、{δfd/δσ}T進行計算。

(4)模型參數(shù)的確定

彈塑性損傷模型的參數(shù)一共有9 個，分別為λ、k、M、e0、u、A0、ea、q0和P0，其中能確定的只有8 個，確定過程如下:

①確定修正劍橋模型參數(shù)(λ、k、M)

M=6sinΦ/(3-sinΦ)

Φ 為內(nèi)摩擦角。

λ=Cc/ln10，k=Cs/ln10

Cc、Cs分別為壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)。

②其他參數(shù)的確定

Gs為軟土的相對密度;ω 含水量;γ 為軟土的天然容重。

3.2 彈粘塑性模型

本文結(jié)合寧波軟土蠕變實驗結(jié)果，在Borja 模型的基礎(chǔ)上，對彈粘塑性模型進行改進，用Mersi 模型代替singh-Mitchell 模型，建立一個適用于任何剪切應(yīng)力水平范圍的本構(gòu)模型。Borja模型的軟土蠕變包括體積蠕變和剪切蠕變兩種，分別屬于Taylor 次固結(jié)模型和singh 一Mitchell 模型，這兩者都是通過引入滯后變形項來計算軟土蠕變影響的［4］。

(1)體積蠕變模型t1

在相同固結(jié)壓力的情況下，體積蠕變模型中軟土的次固結(jié)系數(shù)一直保持不變。具體計算公式如下:

Φ=Ca/ln10，Ca為次壓縮系數(shù)，tv為體積蠕變時間。

(2)剪切蠕變模型

剪切蠕變經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪墙⒃谌S流變實驗的基礎(chǔ)之上的，具體如下:

當(dāng)時間一定時，該模型可簡化成指數(shù)型應(yīng)力-應(yīng)力模型，適用于剪切應(yīng)力在20%～80%之間的土體，而不能反映其他應(yīng)力水平范圍內(nèi)的土體性狀，尤其對應(yīng)力水平低于20%的土體，效果極其不明顯。

4 結(jié)語

寧波軟土具有流變性明顯及結(jié)構(gòu)性較強兩大特點，通過室內(nèi)工作，筆者分析了寧波軟土工程地質(zhì)特征，對寧波軟土含水量、孔隙度、滲透性、抗剪強度及靈敏度做出了詳細解釋。并且修正劍橋模型進行功能擴展，對寧波軟土進行本構(gòu)模型研究，介紹了彈塑性損傷模型與彈粘塑性模型兩種本構(gòu)模型。

［1］劉用海，朱向榮，吳健，等.寧波軟土結(jié)構(gòu)性成因及其對工程特性影響的研究［J］.工業(yè)建筑，2008，38(3):68-71.

［2］王文軍，劉用海，朱向榮.寧波海相軟土工程特性研究［J］.工程勘察，2008，(10):19-24.

［3］李金柱，朱向榮，劉用海.結(jié)構(gòu)性軟土彈塑性損傷模型及其應(yīng)用［J］.浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2010，44(4):806-811.

［4］劉用海，李水明，俞伯華.寧波軟土次固結(jié)特性試驗研究［J］.土工基礎(chǔ)，2009，23(3):77-79.