饱和软土地基变形中的耦合效应

岩土工程
饱和软土地基变形中的耦合效应
吴小建, 阮文军
( 同济大学土木工程学院 , 上海 200092) 摘 要 : 详细介绍了饱和软土地基变形 过程中存在的耦合效应 , 并简要分析了各种耦合效应 对地基变形的影响 。 关键词 : 饱和软土地基 ; 固结 ; 渗流 ; 耦合效应 大量的工程实践和研究都表明 , 饱和软土地基变形的发展过 程是多因素共同作用的复杂过程 , 地基的变形主要包括 : ! 外部荷 载引起地基的弹 / 弹塑性压缩变形( 瞬时变形 ) ; ∀ 土体孔隙中孔隙 水的排出导致的固结变 形 ( 主固结变 形) ; # 土 骨架蠕变引起的流 变变形 ( 次固结变形 ) 。可见 , 饱 和软土地基变形是多 种土力学物 理过程相互作用的结果 , 要准确预测地基的变形, 尤其是长期变形 的发展变化规律, 就必须研究地基变形过程中的耦合作用。 1 饱和软土地基变形中的耦合效应 饱和土体研究的经典问题总 的来说 包含三 个方面 : 渗流、 固 结和强度问题 , 三者之间通过有效应力原理而 彼此相互联系。饱 和土体固结过程中 , 荷载增加 时土体 逐渐被 压缩 , 压缩过 程中部 分水量将从土体中排 出 , 土体 中孔 隙水 压力 相应 地转 化为 土粒 间的有效应力使得有 效应 力增 加 , 从而 导致 土体 产生 主固 结变 形 ; 土体在有效应力作用下 , 由于颗 粒表面 吸附水 ( 气 ) 的 粘滞作 用 , 土体骨架发生错动和颗粒 重新排 列 , 土 体内部 应力重 新调整 而产生流变变形 ; 渗流过 程则 由于 渗透 体积 力作 用于 土骨 架而 导致土体有效应力变 化进 而影 响地 基的 固结 变形 和流 变变 形。 因此 , 饱和土体孔隙水压力的 存在 , 直接影 响到土 颗粒之 间的平 衡状态 , 实质上就 是土体 力学 作用 与地 下水 渗流 之间 的共 同作 用 : 渗流引起土体变形 , 导致土体 的孔隙 比、 渗透系数 改变 , 又反 过来影响渗流过程。因此 , 饱和土体的固结 ( 主固结 ) 、 流变 ( 次固 结) 与渗流过程是密切联系 , 彼 此又相 互影响 的耦合 过程。综上 所述 , 软土地基变形过程中的耦 合作用 主要有 流固耦 合作用 ( 固 结与渗流的耦合作用 ) 和主次固结的耦合作用 。 2 饱和软土地基变形的主次固结耦合效应 尽管土体流变学与固结理论 分别从不 同角度 反映出 了土体 2. 2
图1 改进流变模型
析比较符合实 际。但是 , 尽管修正的 K omamura- Huang 模型已 被许多岩土工程问题所 采用 , 它 本质上 还是属 于元件 模型 , 不能 体现土体屈服 后复杂的应力 - 应变关系。近年来 , 随着土体流变 理 论 研 究 的 不 断 深 入 , 越 来 越 多 的 针 对 修 正 的 Ko mamura H uang 模型的改进流变模 型 ( 图 1) 在工程 实际 中得到 应用 并取 得不错结果。常用方法 是将原模型 中的圣 维南体 用相关的 弹塑 性模型替代。
总第 118 期Biblioteka 2006 年第 2 期西部探 矿工程 W EST - CH IN A EXPL OR AT ION EN GIN EERIN G
ser ies No . 118 Feb. 2006
文章编号 : 1004
5716( 2006) 02
0001
02
中图分类号 : T U 433
文献标识码: B
响后结果与实测结果更相近。综上所述 , 饱和软土地基 地固结过 程是一复杂耦合作用 过程 , 土 体的 流变 特性 与渗 流固 结特 性共 同决定了变形发展的基本规律。 3 饱和软土地基变形的固结渗流耦合效应 在基坑降水开挖 或采 用降 水堆 载预 压法 进行 地基 处理 时 ,
析 [ J] . 河海大学学报 , 1995, 23( 5) . 罗晓辉 . 深基坑渗流 - 应力耦合分析[ J] . 工程勘查 , 1996, 6. 平杨 , 白世伟 , 徐燕萍 . 深基坑工程渗流 究 [ J] . 岩土力学 , 2001, 22( 1) . Coupli ng Effects in Foundation Deformation of Saturated Soi l W U Xiao jian, R U A N Wen ju n ( Coll eg e of Ci vi l Engi neer in g , T ongj i Uni v ersi ty , Shan ghai 200092, Chi na) Abstract: Th e det ailed descri pt ion of th e coupl ing ef fect s durin g t h e cou rse of t he foun dat ion deformat ion is given, and t he cont ribut ions of t h e dif f erent eff ect s t o t he f oundat ion def ormat ion are also discu ssed b rief ly. Key words: sat urated soil; consolidat ion; s eepage; coupling ef f ect 应力耦合分析数 值模拟研
敬
告
作
者
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变形的客观规律 , 但是实 质上 均从 理论 上揭 示了 土体 变形 的时 效性。早期研究认为土体主、 次固结过程按照土体中超 静孔隙水 压力的消散进程以主固结终点 EO P 为分界点截然划分为两个阶 段 [ 1] , 并且两 者 间互 不 影 响。但 是随 着 相关 研 究 的不 断 深 入 , M erchant 和 Bjerr um 发 现荷 载施 加后 土体 主、 次固 结过 程 不但 同时发生 , 而且两者彼此影响 , 软 土地基的 变形与 稳定实 质上是 两个过程耦合作用的结果。这一 点已为后 来的诸 多研究 及大量 工程实践所证实。 2. 1 饱和软土地基的流变模型 已有研究表明 , 土体具有 典型的 弹塑性 特性 , 将土体 看作弹
参考文献 : [ 1] 图3 地基变形随时间变化曲线 [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] 殷建华 , Jack I. Clar k. 土体与时间相关 的一维应 力 - 应变 性状、 弹 粘塑性模型和固结分析 [ J] . 岩土力学 , 1994, 15( 3) . 陈远洪 , 洪宝宁 , 龚道勇 , 刘萌 成. 一个考 虑土体流 变的修正 剑桥粘 弹塑性模型 [ J] . 河海大学学报 , 2002, 30( 5) . 余志顽 , 赵维炳 , 顾吉 . 粘弹 粘塑性软基排水预压的三维 有限元分
地下水流动的水力学 特征 将发 生改 变 , 形成 的水 头差 使得 基坑 或处理段地基附近地 下水 发生 激烈 流动 , 对 土骨 架产 生附 加应 力 ( 渗透体积力 ) 而改变骨架的有效应力 , 引起土骨架的 附加变形 则可能导致基坑 / 地基失稳、 地 表沉降 等问题。渗 流产生 的渗透 体积力将土体孔隙水 流动 和土 体骨 架应 力直 接联 系起 来 , 它实 质上反应了地下渗流 特征 与土 体应 力状 态间 的相 互作 用 , 即渗 流 - 应力耦合效应。 自 20 世纪 60 年代起 , 各国学 者就渗流 应力耦 合分析在大 坝工程及地下工程等中 的应用。 Durand 和 L ouis 等在分 析 Ar non 大坝蓄水的基础工程中即将水力场与应力场进行了耦合分析。罗 晓辉采用有限元法对定常及非定常水流作用支护基坑进行了耦合 变形分析研究[ 4] 。平扬 等基于 BIOT 固 结理论 , 对深基 坑工程开 挖过程中渗流场与应力场的变化规律及其导致的基坑稳定问题进 行了数值模拟 , 得到了基坑在开挖和降水过程中开挖范围及临近 区域地面沉降等环境效应的基本规律 , 并对比分析了考虑渗流作 用和不考虑渗流作用时基坑周围土体水平位移差异 ( 图 4) [ 5] 。结 果表明, 考虑耦合作用的地基变形计算结果要大于未考虑耦合作 用时的计算结果 , 且更接近于实测值。在渗流过程中 , 软土介质变 形和孔隙变化是应力和孔隙压力相互作用的结果 , 也就是说饱和 软土地基变形是固结与渗流共同作用的结果。 4 结束语
- 粘弹 - 粘塑性体 , 采用修正的 Ko mamur a- Huang 模 型模拟分
2
西
部
探
矿
工
程
Feb. 2006 N o. 2
图2
地基变形随时间变化曲线
图4
基坑周围土体水平位移
尽管关于软土地基变形的相关研究已取得了很大进展 , 但是在 模拟软基变形过程中多场耦合效应时仍有诸多问题亟待深入研究, 主要有 : ! 从软土的细观结构研究变形的动态特性 , 以揭示软土变形 中耦合效应的机理和本质; ∀ 构建能够合理反映土体特性的耦合分 析模型 ; # 加强土工试验技术研究 , 以便精确确定模型中的 基本参 数。我们期待着能准确模拟饱和软土地基变形的复杂变化规律, 以 从根本上解决软基沉降 / 差异沉降对工程的不良影响。
饱和软土地基粘弹塑性 BIOT 固结
由于土体 的蠕变不考虑孔隙水 排出对 土体物 理力学性 质的 影响 , 因此 , 对于饱和软 土介质基坑、 地基仅研究土体流变特性而 得出的变形规 律必然 与土体 实 测变 形发 展规 律存 在较 大误 差。 有鉴于此 , 陈远洪 [ 2] 等将修正剑 桥模型、 邓肯 - 张 模型分别 考虑 进修正 Ko mamur a- H uang 模型 建 立了 粘弹 塑性 BIO T 固 结分 析模型以此对 比模拟 研究地 基的 变形 发展 规律 ( 图 2) 。由 图 2 可以看到 , 考虑时间效应 ( 流变 ) 后 修正剑桥 模型粘 弹塑性 BIO T 固结模型模拟 结果与实际的试验结果最为接近。这是由于 : 修正 的剑桥模型仅 仅考虑了 土体 的塑 性变 形、 邓肯 - 张模 型则 只考 虑了土体的非 线性弹 性变形 , 实 质上 均仅 仅 分析 了土 体的 不同 压缩状态下的 主固结变形 , 无法 反映流 变效应 , 从 而导致结 果偏 小 ; 而粘弹塑性 BIOT 固结模型由于不但可以模拟土体的 主固结 变形 , 而且可以模拟次固结变形 , 因此与实测结果吻合。 余志顽、 赵维炳等 [ 3] 则建立了殷 氏双屈 服面粘 弹塑性 BIO T 固结模型来模 拟某高 速公路 软基 排水 预压 加固 过程 , 采用 三维 有限元方法求解这一复 杂的固结过 程 , 以全面 考虑施 工过程、 土 的粘弹 粘塑 性变形过 程 , 力求 准确 分析 固 结变 形对 工程 质量 的影响 ( 图 3) 。研究 表明 , 地 基弹 / 弹塑性 固结 变形量 小于 粘弹 塑性固结变形 量 , 考虑软土流变 影响是 必要的 , 并 且考虑流 变影