绍兴地区软土小应变刚度模型参数试验研究

陈叶丰 王纲

摘 要 随着绍兴地区社会经济的快速发展和杭州大湾区发展战略的实施，绍兴地区的轨道交通建设迎来的重大契机。然而绍兴地区广泛分布的具有高含水率、高压缩性、高灵敏度、低强度的深厚淤泥质软土成为轨道交通工程建设的一大难题，准确预测计算软土地基中深基坑开挖、盾构施工引起的地基变形，对施工周边场地建构筑物和地下管线的保护具有重要意义，小应变硬化模型相比传统摩尔库伦模型可以更好地模拟基坑、盾构施工引起的变形，但一般地勘报告无法提供小应变硬化模型的参数。本文通过采集高质量现场原状土试验，开展系列室内试验对绍兴地区软土小应变刚度模型参数进行了研究，可为类似工程提供参考。

关键词 杭绍城际铁路;淤泥质黏土;小应变硬化（HSS）模型;参数研究

引言

杭绍城际铁路是连接杭州市和绍兴市的一条城际铁路。为地铁制式，将是浙江省首条跨市运营的地铁线路。线路全长20.3km，始于萧山区杭州地铁5号线姑娘桥站，穿越杭金衢高速公路、萧甬铁路、西小江、牛头山和杭甬客专，沿群贤西路向东抵达柯桥区笛扬路站与绍兴轨道交通1号线贯通。全线平面示意图如图1所示。全线包括高架车站、区间，山岭隧道和地下车站、盾构区间等多种结构形式。

根据地勘报告统计，本项目地下车站及盾构区间范围内均存在淤泥质黏土层，具有高含水量、高压缩性、中～高灵敏度、高触变、高流变以及低渗透性和低强度等特性，在动力作用下，土体结构较易破坏，使强度骤然降低，基坑开挖后，土体的回弹会对基坑支护结构、周围邻近已有建筑物、地下管线等产生不利影响，时空效应明显，因此本文主要对该土层的小应变刚度参数进行研究。

1小应变刚度本构模型（HSS）

为了考虑土体刚度与应力的相关性，反应剪切硬化和压缩硬化现象，Schanz 等[1]提出了土体硬化双曲线弹塑性模型，可同时考虑剪切硬化和压缩硬化，采用Mohr-Coulomb破坏准则。但是该模型不能考虑土体的小应变刚度特性，从使土体卸荷引起的变形过大。Benz[2]在HS模型的基础上，结合修正的Hardin-Drnevich剪切模量关系，考虑了土体在小应变区域内刚度隧应变的非线性变化，提出了硬化土小应变模型。该模型包含11个HS参数和2个小应变参数。c'为土的有效黏聚力，φ'为有效内摩擦角，K0为正常固结条件下静止侧压力系数，ψ为土的剪胀角，m为刚度应力水平相关幂指数，pref为参考应力，vur为加卸载泊松比，E50ref 为三轴排水剪切试验的参考割线模量，为三轴排水剪切试验的参考加卸载模量，为固结试验中的参考切线模量， Rf为破坏比，为小应变刚度试验的参考初始模量，γ0.7为割线剪切模量衰减到初始剪切模量70%时所对应的剪应变。常规地勘报告通常仅提供土的有效黏聚力、有效内摩擦角及正常固结条件下静止侧压力系数，其余参数一般采用经验公式进行估算，但是由于土体显著的地域性以及本身力学特性的复杂性，很难有广泛适用的经验公式，而参数的确定对计算结果的影响较大。为了提高在基坑、盾构施工过程中有限元计算分析结构的准确性，本文根据Plaxis3D有限元近接施工模拟参数确定需要，对绍兴地区的淤泥质软土小应变刚度模型参数进行了试验研究。

2试验研究

室内试验主要包括土的基本物理性质试验、三轴固结不排水试验（CU）、三轴固结排水试验（CD）、标准固结试验和一维固结加载—卸载—再加载试验。

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999），土的基本物理性质试验包括：含水率试验、密度试验、土粒比重试验、界限含水率试验和渗透试验。

本文针对绍兴软土的小应变硬化（HSS）模型，制定试验计划测得相应的模型参数，三轴固结不排水剪切（CU）试验或三轴固结排水剪切（CD）试验确定c'和φ'，采用标准固结试验确定，通过三轴固结排水剪切（CD）试验确定，由三轴固结排水加载—卸载—再加载剪切试验确定。

2.1 标准固结试验

标准固结试验采用8级荷载，分别为12.5、25、50、100、200、400、800和1600kpa。每级荷载固结稳定时间为24h。每层土样至少做2组试验。根据《Plaxis 3D Tunnel Material Models Manua Version 2》，对荷载-应变关系曲线拟合成函数关系表达式。对函数求导可得到荷载时曲线切线的斜率值，该值便是参考应力时固结试验的参考切线模量。

2.2 三轴压缩试验

CU试验、CD试验和三轴固结排水加载—卸载—再加载剪切试验采用GDS静力三轴仪。

根据标准固结试验可确定各深度土样的先期固结压力pr，因此可以确定CU试验和CD试验的有效围压分别为100kPa、150kPa、200kPa。

（1）根据CU试验结果绘制总应力莫尔圆和有效应力莫尔圆，即可分别得到总应力强度指标、和有效应力强度指标、。

（2）CD试验测定，如图2-1所示。

取轴向应变ε=15%的点所对应的偏应力值为破坏值qf。连接原点和  qf 所对应的点的直线斜率即为试验的参考割线模量。

（3）三轴固结排水加载—卸载—再加载试验测定，如图2-2所示。

從图中可以看到，卸载—再加载过程中试样的应力—应变关系表现为一个滞回圈。用卸载—再加载曲线的平均斜率，即连接滞回圈两端点的直线斜率，得到围压下试样的参考卸载—再加载模量。

2.3 一维固结加载—卸载—再加载试验

一维固结加载—卸载—再加载试验的加载方案为：12.5kpa→25kpa→50kpa→100kpa→200kpa→400kpa→200kpa→100kpa→200kpa→400kpa→800kpa→1600kpa→800kpa→400kpa→200kpa→100kpa→50kpa→25kpa→0。

由图3可以看到，埋深较浅的绍兴软土先期固结压力较小，可视为正常固结黏土;埋深较深的绍兴软土先期固结压力较大，为典型的超固结土。

2.4 绍兴软土的HSS模型

通过上述试验可以得到绍兴软土的SHS模型，见表1。

注：1.上表中“试验”指本课题研究开展的室内试验;“试验”数据通过CD试验获得，“勘察”和“文献”数据通过CU试验获得;“试验”的均远大于其他文献的。

3结束语

本文通过室内试验对绍兴地区广泛分布的淤泥质软土小应变硬化本构模型参数进行了研究，可为杭绍城际铁路建设过程中基坑、盾构等土体开挖工程引起地基土体变形的精确模拟计算提供参考。

参考文献

[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.