S-CLAY1模型在软土地基沉降分析中的应用

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。

(a)K35+860断面

4 结语

(1)S-CLAY1弹塑性模型与修正剑桥模型相比，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，模拟预测软基沉降的预测结果与实际观测值符合性较高，且模型所需参数均可通过常规土工试验来确定，试验成本较低，具有较强的应用价值。

(2)S-CLAY1弹塑性模型预测沉降误差产生的原因是由于计算软件模拟加载过程和实际软基上填土加载过程的不同使得模拟结果产生了误差。

(3)软土除了具有各向异性，还具有流变性，但S-CLAY1弹塑性模型在流变性方面尚有不足，下一步研究将考虑在S-CLAY1弹塑性模型中加入土的黏性参数。