苏州软土蠕变特性的参数研究及其有限元应用

1、苏州软土蠕变特性的参数研究及其有限元应用第6卷第1期2010年2月地下空间与工程chinesejournalofundergroundspaceandengineeringvol.6feb.2010苏州软土蠕变特性的参数研究及其有限元应用谈炎培，叶冠林,王建华，孙德安（1 上海交通大学土木工程系，上海200240;2.±海大学土木工程系，上海200444） 摘要:为探讨苏州地铁一号线沿线软土地层的蠕变特性及其对盾构隧道长期沉降 的影响,对该区土样进行三轴试验和一维蠕变试验引入关口一太田模型（so模型）播 述苏州土依赖时间的本构关系，结合有限元程序cleaves对试验进行数值模拟，并验

2、证 模型及程序的可靠性最后对苏州地铁长期沉降作一算例分析.研究表明:苏州地铁沿线土层 有明显的蠕变效应;引入so模型的gleaves程序较好地模拟出苏州土本构关系;为控 制隧道的长期沉降，应严格控制盾构顶推力.关键词:软土;蠕变;木构模型;有限元分析;盾构隧道中图分类号:tu447文献标识码:a文章编号:16730836（2010）01 0080 一 04studyonparameterofconstitutivemodelforcreepcharacteristics ofsuzhousoftsoilandltsapplicationinfiniteelementanalysistanyan

3、pei,yeguanlin,wangjianhuaisundean(1 .departmentofcivilengineering,shangha ijiaotonguniversity.shanghai200240.chin a；2.departmentofcivilengineeringeshanghaiuniversity.shanghai200444.china abstract:thetriaxialcompressiontesta ndon edimensionalcreeptestareemployedforthesof tsoilalongtheno.lsubwayinsuzh

4、oucitytostudyitscreepcharacteristicsandtheireffectonthelong 一 termsettlementofshieldtunne 1 .sekiguchiohtaconstitutivemodel(somode 1 )isintroducedtodescribethetime 一dependentstress一 strainbehaviorofthesoil.themodelisincorporatedinthefemprogramgleavestosimula tetheabovetests.the validityofthemodeland

5、gleavesarechecked.thengleavesisusedtoanalyzethepost 一constructionlong一termsettlementofshieldtunneling.ther°csear°chshowsthatthesoftsoilalongthesubwayisobviouswithcreep effect.gleaveswhichadoptss 一 omodelcansimulatethestress strainbehaviorofthesoil wel 1 .thejacking thrustofshieldmachinesho

6、uldbeeontmhedinappropriatedrangeaccordingtotheresul . keywords:softsoil;creep;constitutivemodel;finiteelementanalysis;shieldtu nnel1引言土的蠕变是指在外荷载不变的情况下土的变形随时间增长的现彖在岩土工程屮，软土蠕变所产生的变形可影响结构物的正常使用，其至引起破坏准确地预测和评价土体蠕变变形的前提是建立能描述土体蠕变特性的流变本构模型及获得准确的模型参数流变模型中，组合元件模型使用最广泛,如陈宗基假定粘土与maxwell材料类似，得到一维问题的固结和次固结效应的解j

7、对于非线性流变，詹美礼,钱家欢等建立了一个带双屈服而的粘弹塑性模型该模型较全而地反映了土 的特性，但参数不易确定殷建华和jamesgra- ham提出”等效时问”概念,基于修正剑桥模型发 展了一个弹粘塑性木构模型，但该模型参数也难以 确定李兴照和黄茂松针对地铁振动引起沉降收稿日期:200912-26（修改稿）作者简介:谈炎培（1983），男，博士研究生，主要从事软土时效特性等方面的研究.e一mail: winclsun.typ2010年第1期谈炎培，等:苏州软土蠕变特性的参数研究及其有限元应用81问题开发了动力循环蠕变模型在应用分析方面，张冬梅，黄宏伟等分析了盾构隧道长期沉降的组成和原因，对上

8、海地铁1,2号线的长期沉降进行了预测.本文借鉴已有的研究成果，对苏州地铁一号线沿线软土进行三轴和蠕变试验;引入关口一太田模型（s 0模型），采用fem程序gleaves模拟上述试验;最后作一算例分析.表1场地土的性状及物理指标table 1 physicalpropertiesofsoilsinthefield表2计算参数表table2parametersforcalculation2取土概况及试验方法2.1分场地土概况苏州市地铁一号线沿线主要地层为第四系冲积，冲湖积层土工试验的取土点为苏州乐园站，其主要地层物理指标从上至下见表1 盾构施工只影响邻近地层，所以取接近隧道的地层， 层进行试验由于

9、层粉土的蠕变性不强,因此只 对第，层土进行试验.2.2三轴固结排水剪切试验方案三轴固结排水剪试验按土工试验规程的方法 进行，第层土试验时的围压为200,960kpa,第 层土试验时围压为80,160,320,640kpa.2.3 一维蠕变试验方案维蠕变试验采用单向i占i结仪，先分级加载i占i结,每级固结时间24小时.加载至目标值后，保持 荷载不变，再进行蠕变试验第层土进行50, ioo,2oo,4ookpa固结压力下的蠕变试验;第层 土进行 50,100,150,200,3130,400,800,1600kpa 固 结压力下的蠕变试验.2.4试验结果分析试验结果见图1图4.由图1 一图2可见，

10、第，层土表现岀明显非线性，在围压较低吋试验 曲线有明显的屈服平台，围压较高时呈现硬化特 性,另外层土在低围压时有轻微剪胀，主要是超 i古i结特性影响.蠕变试验结果如图3图4,表明 ，层土均具有较明显的蠕变效应，且层土的 蠕变效应比层土强，另外试验曲线的后半段次固 结系数逐渐减小，表明随时间发展,蠕变效应有减 弱趋势，也是超固结特性的影响.24.0020001600a20o莒童z墨s te-t(200kpb)冬predi.ctlon(200kpa)atestc9(矶 pa)*prediction(960kpa)-a,la*图1第层土三轴试验与计算结果对比fig.l comparisonbetwe

11、enmeastlre:dandpredictedresultsfortheno.3soillayerinconsolidateddrmndedtest82地下空间与工程第6卷/=0 (8)围压 80,160kpa(b)围压 320,64okpa.图2第层土三轴试验结果与计算结果对比fig.2mparisonbetweenmeasuredandpredictedresultsfortheno.5soillayerinconsolidateddraindedtest1101130100010000100000t-me(minute)图3第层土蠕变试验与计算结果对比fig.3comparisonbe

12、tweenmeasuredandpredictedresults fortheno.3soillayerinonedimensionalcreeptest昌写*g0bn墨|ihle(mi 删 te)(a) 50,100,150,200kpatime(minute)(b) 300,400,800,1600kpa图4第层土一维蠕变试验结果与计算结果对比fig.4comparisonbetweenineasllredandpredictedresults fortlleno.ssoillayerinonedimensionalcreeptest3s0模型土体本构模型采用s-o模型,该模型是在剑桥模型

13、的基础上考虑蠕变效应得到的，主要参数与 剑桥模型一致，只增加了 2个与蠕变性质有关的参 数,详细理论可参考文献64土工试验的数值模拟4三轴试验数值模拟的模型及计算参数 进行轴对称分析,有限元模型取一个四边形单 元，底部固定，顶部自由,左右分别为一侧自由,一 侧对称;排水条件为上下排水，左右不排水主要 计算参数按土工试验结果选取，见表2.4.2结果对比及分析由图1,2可见，层土的计算结果与试验结果 吻合较好;层土在低圉压(<200kpa)时的计算 跟试验的结果趋势上一致,但数值上差别较大;而 在中高围压(200kpa)时，两结果吻合较好主 要是由于试验土的超固结应力为135kpa（

14、固结试 验得到），当围压较低时超固结特性影响，而s-0 模型不能考虑超固结的影响.4.3 一维蠕变试验的模型及参数有限元模型与三轴试验类似，模型尺寸按试样 实际大小取值，按试验方案进行加载.4.4结果对比及分析由图3,4可见,同样地，由于超固结特性影响， 低围压时计算与试验结果差别较大，表现为试验的 初始孔隙比比计算的初始孔隙比小;中高围压时， 两结果差别很小.综合上述试验结果与计算结果 进行对比,s-o模型能较好地描述苏j州土的依赖 于吋间的应力应变关系，嵌入s-0模型的有限元 程序cleaves可靠性较高,可用于与苏州土有关 的岩土工程数值计算.5有限元算例5.1计算模型采用gleaves

15、对苏州地铁一号线作一平面 有限元分析，以探讨盾构面板顶推力对隧道工后长 期沉降的影响.计算断面为纵断面，土体按地勘报 告进行分层,有限元模型及边界条件见图5.5.2计算参数第，层土采用s-o模型,其余土层釆用 弹性模型，土层分层及计算参数见表1,表2.采用 不同的盾构顶推力进行计算，顶推力与静止土压力 的比值分别为 0.727,0.818,0.909,1,1.09,1.181,1.27,计算时间取为工后120天.5.3结果分析芒（plo2010年第1期谈炎培，等:苏州软土蠕变特性的参数研究及其有限元应用83 计算得到各比值下地表的长期沉降线如图6所示可见盾构开挖隧道对开挖面斜上方45度及斜后方

16、30度方向范围内的土体产牛扰动,形成漏 斗区，从而产生地表长期沉降.当顶推力接近静止土压力时，地表最大长期沉降很小;当两者差值增大时,地表最大长期沉降快速增加当顶推力/静止:£压力二0.91.1的时候,地表长期沉降量可控制在适当的范围内.图5计算模型fig.5fememalysismodel6结论本文在苏州软粘土的室内三轴和蠕变试验的 基础上，选用s-0模型对其进行模拟，并确定其 计算参数，最后用于隧道长期沉降的有限元分析.可得如下结论：图6不同顶推力时地表各点长期沉降图fig.6long一termsettlementofshieldtunnelwith differentjacki

17、ng:thrustsapplied(1) 试验显示苏州地铁沿线的，层土均具有较明显非线性和蠕变效应，采用s-0模型及合 适的材料参数可较好地模拟出这些力学特性；(2) 但对于层土在低围压下的超固结特性，s-0模型则未能考虑.此外，层土的蠕变趋 势在试验后期有减弱趋势,这也是s-0模型则未 能反映的今后应对该模型进行改进或开发新的 模型；通过对苏州地铁隧道进行有限元讣算，确认了采用s-0模型的程序cleaves可分析隧道 施工荷载引起的地层蠕变.盾构开挖隧道对开挖 面斜上方和斜后方土体产生扰动，形成漏斗区，从 而产生地表长期沉降;顶推力接近静止土压力吋， 地表最大长期沉降很小;当两者差值增大时，

18、沉降 值快速增加.参考文献：1 陈宗基固结及次时间效应的单向问题j. 土木工程,195&5(1):110.(tantjongkie.onedi?inensionalproblemsofconsolidationandsecondarytime effectsj.chinacivilengineeringjournai,195&5(1) :1 一 10.(inchinese)(2) 詹美礼，钱家欢,陈绪禄.软土流变特性试验及流变 模型j岩土工程,1993,15(3):5462(zhanmeili?qianjiahuan,chenxulu.testsonrheo- logicalb

19、ehaviorofsoftsoilandrbeologiemodel j.chinesejournalofgeotechnicalengineering,l 993,26(3) :13一21.(inchinese)3 yin,j一 h.,andgraham,j.elasticviscoplasticmodellingofthetime一-dependentstressstrainbehav一iourofsoilsj.canadiangeoteehnicaljournal, 1999,36:736745.4 李兴照，黄茂松循环荷载作用下流变性软黏土的边 界面模型j岩土工程,2007,29q:249254.(