軟土地基的變形與穩(wěn)定性綜述

軟土地基的變形與穩(wěn)定性分析綜述摘要：通過對軟土地基變形、穩(wěn)定性分析兩方面進(jìn)行較為系統(tǒng)的總結(jié)與歸納，得出了當(dāng)前的研究進(jìn)展情況和存在的問題。關(guān)鍵詞：軟土地基、變形、穩(wěn)定性、預(yù)測AsurveyontheanalysisofdeformationandstabilityonSoft-soilfoundationAbstract:throughrelativelysystematicalgeneralizationforbothdeformationandstabilityanalysisonsoft-soilfoundation,foundingoutcurrentstudyingstatusandopenquestions.Keywords:soft-soilfoundation,deformation,stability,forecast1軟土地基路堤變形分析變形問題歷來是土力學(xué)中的主要研究課題之一。對于路堤工程而言，變形問題包括沉降和水平(側(cè)向)位移兩個方面。自從Terzaghi(1923年)的一維固結(jié)理論問世以來，路基沉降的理論研究己取得了長足的進(jìn)展，已形成多種計算方法，大致分為三類:一類是基于彈性理論和太沙基固結(jié)理論的解析方法（理論公式法）；第二類是運(yùn)用二維或三維固結(jié)理論或Biot固結(jié)理論(亦稱真三維固結(jié)理論)，結(jié)合多種本構(gòu)模型建立的數(shù)值分析法；第三類是基于實(shí)測沉降時間過程線的各種經(jīng)驗(yàn)推算法。1.1解析法基于彈性理論的路堤最終固結(jié)沉降量的計算公式己有很多種。如e－p壓縮試驗(yàn)曲線或壓縮模量E或壓縮系數(shù)建立的分層總和法公式，考慮土體應(yīng)力歷史影響的情況下按e-log(p)壓縮曲線建立的公式，弗洛林、Egorovl、黃文熙[1]、Davis和Poulos以及魏汝龍等許多學(xué)者根據(jù)廣義虎克定律得出二維(平面應(yīng)變問題)和三維沉降計算公式，Lambe[2]、Marr等提出的應(yīng)力路徑法，Skempton和Bjerum[3]提出的用三軸不排水條件下得出的三維孔隙水壓力計算最終固結(jié)沉降的方法等。此外，還有根據(jù)半無限均質(zhì)線彈性體推導(dǎo)得出的彈性理論公式。上述這些公式中的土中應(yīng)力都需根據(jù)線彈性理論進(jìn)行計算。目前，工程中采用一維固結(jié)沉降公式計算地基的最終固結(jié)沉降較為普遍。但是，當(dāng)可壓縮土層是很厚的軟粘土?xí)r，采用這種方法將會引起很大的誤差。1.2數(shù)值分析法太沙基一維固結(jié)理論計算地基沉降隨時間而發(fā)生的變化，這一方法具有概念明確，計算簡便等特點(diǎn)，從而成為許多教材和規(guī)范推薦的方法。由于太沙基一維固結(jié)理論采用的均質(zhì)地基、荷載瞬間一次施加的假定與實(shí)踐不符，以后的學(xué)者對這一方法作了進(jìn)一步發(fā)展。徐長節(jié)[4]、李冰河等[5]分別從土性和本構(gòu)模型的不同分類研究了成層土一維固結(jié)問題，給出了相應(yīng)的沉降計算公式。折學(xué)森[6]在考慮土體非線性變形情況下，從任意時刻土中一點(diǎn)的變形條件出發(fā)建立了地基一維固結(jié)沉降計算公式及瞬時沉降計算公式。Rendulic將Terzaghi的一維固結(jié)理論推廣到二維和三維的情況，得出Terzaghi-Rendulic固結(jié)理論。這種理論未考慮應(yīng)力與應(yīng)變需要滿足的相容條件，最后得出的固結(jié)方程只含孔隙壓力一個變量，其形式與熱傳導(dǎo)方程或擴(kuò)散方程一致，稱為擬三維固結(jié)理論。Biot直接從彈性理論出發(fā)導(dǎo)出了三維固結(jié)理論方程，確保了土中應(yīng)力與應(yīng)變所滿足的相容條件，被稱為真三軸固結(jié)理論。以后的發(fā)展除了考慮骨架變形的流變性、非線性和大變形等復(fù)雜化的因素外，并無實(shí)質(zhì)性的不同。二維或三維固結(jié)理論或Biot固結(jié)理論結(jié)合多種本構(gòu)模型建立數(shù)值分析法。關(guān)于地基沉降的數(shù)值分析方法，國內(nèi)外學(xué)者也做了大量研究工作。計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使一些能較真實(shí)地反映地基土體的應(yīng)力應(yīng)變特征及變形-時間特征的本構(gòu)模型(如Duncan-chang模型、Cam-clay模型、各種粘彈塑模型)和固結(jié)模型(Biot理論)在數(shù)值分析中得到了運(yùn)用。許多文獻(xiàn)正是在這一條件下，運(yùn)用Biot固結(jié)理論結(jié)合不同的本構(gòu)模型分別對地基中孔隙水壓力消散規(guī)律及地基的變形時間過程進(jìn)行了深入的分析和討論。當(dāng)然，這些方法還不同程度地存在模型識別、參數(shù)確定的困難性以及計算過程復(fù)雜等問題。1.3經(jīng)驗(yàn)推算法根據(jù)實(shí)測沉降時間過程，采用不同的數(shù)學(xué)方法模擬和預(yù)測地基沉降隨時間而變化的過程的方法有雙曲線法、指數(shù)曲線法、三點(diǎn)法、新野法和二次多項式法等。近來又出現(xiàn)了建立在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的時間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。1.4存在的問題以上幾種方法互為補(bǔ)充，己成為地基沉降計算的主要手段。而且隨著工程實(shí)踐的發(fā)展，尚在不斷地創(chuàng)新。然而，由于土體本身具有的復(fù)雜性，以及各種工程條件的不確定性，從工程建設(shè)的發(fā)展和要求來看(尤其是對高速公路這類對沉降計算要求精度高的情況)，現(xiàn)有沉降計算方法還有許多問題有待研究，例如用分層總和法計算沉降時對土體非線性問題的考慮，土體側(cè)向變形對沉降的影響，以及不同地質(zhì)條件、加載條件下沉降修正系數(shù)的選用。用數(shù)值分析方法計算時，雖然己可靈活選用各種地基模型，但對各種本構(gòu)模型的識別以及模型參數(shù)值的確定方面仍存在不同程度的困難。對于運(yùn)用實(shí)測沉降時間過程的經(jīng)驗(yàn)推算法，由于通常以數(shù)學(xué)方法為基礎(chǔ)，其觀測數(shù)據(jù)隨機(jī)性對沉降的影響，各種土質(zhì)條件、加載方式等對觀測數(shù)據(jù)以及觀測時間的依賴程度等都還需要進(jìn)一步深入論證。以上這些問題的存在，使得地基沉降計算的準(zhǔn)確性尚無法得到較好的保證，從而不同程度地影響了工程建設(shè)的質(zhì)量[7]。而對路堤工程來說，水平位移的研究不可忽視。一維太沙基理論和基于實(shí)測沉降時間過程線的各種經(jīng)驗(yàn)推算法只考慮沉降問題，不能計算路堤的水平位移，而數(shù)值分析法一般能計算路堤的水平位移。2軟土地基路堤穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性問題關(guān)系著工程的安全、施工進(jìn)度、工程質(zhì)量等至關(guān)重要的問題。隨著高速公路等高填土路堤在軟土地區(qū)的大規(guī)模興建，由于工期較短，使得路堤填筑較快，對路堤的穩(wěn)定性提出更高要求。由于軟土的強(qiáng)度低，有過很多軟土地基上堤壩或路堤失穩(wěn)的事例。許多實(shí)例表明，在較均勻的軟土地基中，失穩(wěn)的堤壩多是沿圓弧形滑面移動，因此，目前多用圓弧滑動法為代表的極限平衡法來驗(yàn)算其穩(wěn)定性。圓弧滑動法有瑞典法、費(fèi)侖紐斯法、簡化畢肖普法等。由于簡化畢肖普法在很多情況下都是精確的[8]，因此常用于路堤的穩(wěn)定性分析。目前也有不少學(xué)者采用滑移線法分析地基承載力和穩(wěn)定性。陳慶中等[9]結(jié)合有限元法、極限平衡理論和常微分方程的數(shù)值解法等，提出用于土坡穩(wěn)定的滑移線數(shù)值分析法，該方法考慮土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和土坡失穩(wěn)的破壞形式，從分析土坡應(yīng)力分布的變化入手，直接確定臨界滑裂面的位置，進(jìn)而計算土坡總體安全系數(shù)。沈珠江[10]提出一種基于滑移線場滑塊平衡的極限分析方法來分析土工織物加筋軟土地基的穩(wěn)定性，并對連云港一發(fā)生對稱滑移破壞的土工布加筋路堤進(jìn)行了驗(yàn)算。趙均海等[11]應(yīng)用統(tǒng)一滑移線場理論，研究了剛塑性體平面應(yīng)變問題和空間軸對稱問題的滑移線場理論的控制方程，給出了平面應(yīng)變和軸對稱下的統(tǒng)一滑移線場理論，并推導(dǎo)出典型邊坡和路基極限荷載的統(tǒng)一解。[12]分別采用相適應(yīng)的流動法則和不相適應(yīng)的流動法則進(jìn)行路堤的有限元分析，并且考慮了時間效應(yīng)，他們假定土的內(nèi)摩擦角為常值，然后逐步減小粘聚力C值，以求各結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移，這樣可以得到路堤破壞時所需的最低粘聚力，再進(jìn)行圓弧分析，發(fā)現(xiàn)兩者得到的結(jié)果非常接近。楊小禮等[13]在上限定理的基礎(chǔ)上，將路堤離散為三角形單元，在單元中構(gòu)造線性速度場，根據(jù)相關(guān)聯(lián)流動法則以及邊界條件建立約束方程，引入數(shù)學(xué)規(guī)劃方法尋求路堤承載力的上限解。歐志東等[14]i[15]用有限元分析了失效的連云港軟土路堤，地基土采用修正劍橋模型，填土采用Duncan-Chang模型，其分析結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合?？傮w而言，軟土地基路堤的穩(wěn)定性分析采用上述極限平衡分析法和有限元等數(shù)值方法。但這些方法都未能充分考慮填土的加載過程。軟土地基路堤的穩(wěn)定性和施工時的加荷速率有密切的關(guān)系，加載過程中，一方面地基土的強(qiáng)度因固結(jié)而提高，另一方面剪應(yīng)力也在增大。另外，目前加筋路堤得到廣泛應(yīng)用，但采用極限分析法和數(shù)值法在分析加筋路堤穩(wěn)定性方面還有很多工作要做，因?yàn)槟壳胺治黾咏盥返痰姆€(wěn)定系數(shù)與未加筋情況提高無幾，而工程實(shí)踐卻表明加筋后路堤的穩(wěn)定性提高很多。3軟土地基路堤變形和穩(wěn)定性的預(yù)側(cè)3.1變形預(yù)側(cè)在軟土地基路堤填筑施工中，變形監(jiān)測起著很重要的作用。由于路堤填筑施工時現(xiàn)場監(jiān)測的時間序列數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含著系統(tǒng)演化的信息，所以期望能從這些數(shù)據(jù)中找出其蘊(yùn)含的規(guī)律，并用己知的觀測數(shù)據(jù)來預(yù)測系統(tǒng)未來的發(fā)展動態(tài)，也即利用施工中監(jiān)測的信息來預(yù)測可能變形和穩(wěn)定性等信息。從確定性系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，只要保證原始實(shí)測數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確，原則上可以預(yù)測路堤任一時刻的沉降量。特別通過對填土期結(jié)束的沉降觀測數(shù)據(jù)的處理能對工后沉降未來的發(fā)展趨勢有著更好反映。因此，利用基于實(shí)測數(shù)據(jù)收集和處理的系統(tǒng)分析技術(shù)的預(yù)測沉降的方法得到應(yīng)用，歸納起來，主要有前面已提到過的幾種沉降計算和預(yù)測方法，即雙曲線法、指數(shù)曲線法、三點(diǎn)法、新野法、二次多項式法、時間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。也有采用灰色預(yù)測法，利用灰色理論將無規(guī)律的原始數(shù)據(jù)經(jīng)生成后，變成較有規(guī)律的數(shù)列模型。灰色理論從1982年提出至今20余年，在巖土工程中已有許多方面的應(yīng)用[16][17]。不過這些方法都有一個共同的缺點(diǎn)，就是預(yù)測模型一旦確立，模型參數(shù)保持不變，另外根據(jù)前期實(shí)測沉降的數(shù)據(jù)也有很大相關(guān)，從而可能導(dǎo)致沉降預(yù)測精度不高，這就存在著模型選擇和辨析數(shù)據(jù)代表性問題。且采用上述方法對路堤水平位移和穩(wěn)定性的預(yù)測還鮮有人做過。3.2反演分析法在變形和穩(wěn)定性預(yù)側(cè)上的應(yīng)用反演分析方法不失為一種對路堤變形和穩(wěn)定性同時進(jìn)行實(shí)時預(yù)測的有效方法。早在1948年，Terzaghi和Peck針對實(shí)際工程存在許多不確定因素，理論計算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異的現(xiàn)象，提出了動態(tài)觀測方法，即根據(jù)觀測結(jié)果修正土工參數(shù)，進(jìn)而取得合理的計算結(jié)果。這實(shí)際上是反演理論的雛形。反演分析以工程現(xiàn)場的量測值(如位移、孔壓)作為基礎(chǔ)信息反求實(shí)際巖土的力學(xué)參數(shù)、初始地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)荷載等，為理論分析特別是數(shù)值分析提供符合實(shí)際情況的基本參數(shù)。A.Asaoka等[18]提出一個沉降預(yù)測的逆分析方法，把一維固結(jié)沉降過程用普通的差分方程表示，對該方程進(jìn)行重新組構(gòu)表示成反方程，從而可以利用沉降觀測值來確定方程的未知參數(shù)，并利用確定的參數(shù)預(yù)測將來的沉降。龔曉南[19]將Duncan-Chang模型和Biot固結(jié)有限元方程相結(jié)合，建立了一個具有四參數(shù)的非線性彈性方程組，然后根據(jù)地基固結(jié)過程中測得的位移值和孔壓值反算地基土的非線性彈性參數(shù)和滲透系數(shù)。M.Shoji等[20]采用二維彈性固結(jié)有限元進(jìn)行反分析，運(yùn)用了BFGS擬牛頓優(yōu)化方法進(jìn)行參數(shù)反演。朱合華等[21]提出了動態(tài)施工反演分析的思想，反推了基坑開挖過程中各土層的彈性模量，給出了作用在墻體兩側(cè)的土壓力分布，并預(yù)報各相繼施工階段的墻體和土體變形、內(nèi)力及內(nèi)支撐梁軸力。K.Arai等采用共扼梯度優(yōu)化方法和雙曲線本構(gòu)數(shù)值模型，根據(jù)量測位移值反分析土的變形模量。另外也有楊林德等著的有關(guān)反演分析理論的著作中全面系統(tǒng)地介紹了反演分析的計算理論與應(yīng)用技術(shù)。采用反演分析方法對路堤穩(wěn)定性預(yù)測需要控制(臨界)標(biāo)準(zhǔn)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ017-96)中對路堤穩(wěn)定性的控制標(biāo)準(zhǔn)是:沿路堤中心線地面沉降速率不宜大于10mm/d；坡腳水平位移速率不宜大于5mm/d?！豆仿坊┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(JTJ033-95)對此也作了同樣的規(guī)定。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對砂井或塑料排水板地基，中心地面沉降速率可放寬至1520mm/d。松尾和河村[22]提出了路堤穩(wěn)定性預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)公式，該公式包含路堤中心地面的沉降量S和路堤坡腳處的水平位移量S，是一個不同應(yīng)力水平下/S與S之間的統(tǒng)計關(guān)系。杭甬高速公路試驗(yàn)段觀測結(jié)果分析表明[23]，某一時段內(nèi)坡腳下路基內(nèi)最大水平變形增量和路堤中心地面垂直變形增量比值與路堤穩(wěn)定性成正比關(guān)系。5結(jié)語由以上分析可見，軟土地基變形、穩(wěn)定性的分析和預(yù)測一直以來就是工程研究人員和相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。文中，對研究進(jìn)展以及存在的問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的概括。參考文獻(xiàn)[1]黃文熙，張文正，俞仲泉.水工建筑物土壤地基的沉降量與地基中的應(yīng)力分布[J].水利學(xué)報，1957(2):1-60[2]LambeT.W.,Methodsofestimatingsetlement,J.SoilMech.AndFound.Div.,ASCE,1964,90(5):43-67[3]SkemptonA.W.andBjerumL，AContributiontotheSetlementAnalysisofFoundationonClay,Geotechnique,1957,7(4):168-178[4]徐長節(jié)，蔡袁強(qiáng)，吳世明，任意荷載下成層彈性地基的一維固結(jié)，土木工程學(xué)報，1999(4).[5]李冰河，應(yīng)宏偉等，考慮上體自重的一維大應(yīng)變固結(jié)分析，土木工程學(xué)報，2000(3).[6]折學(xué)森，軟土地基沉降計算，北京，人民交通出版社，1995.[7]鐘才根.高速公路軟基路堤沉降動態(tài)預(yù)測與控制同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.[8]龔曉南.土工計算機(jī)分析.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.[9]陳慶中，高正中.土坡穩(wěn)定滑移線數(shù)值分析法.北方交通大學(xué)學(xué)報，1997,21(4):405-410.[10]ShenZhujiang.Limitanalysisofsoftgroundreinforcedbygeosynthetics.ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,1998,20(4):82-86.[11]趙均海，馬淑芳，魏雪英，俞茂宏.基于統(tǒng)一滑移線場理論的邊坡穩(wěn)定分析.長安大學(xué)學(xué)報(建筑與環(huán)境科學(xué)版)，2003,20(4):1-4.[12]O.C.Zienkiewizc.Alimitdesignmethodforreinforcedembankmentsonsoftfoundations.2ndInter.Conf.ofGeotextiles,1976[13]楊小禮，李亮，李克坤等.上限有限元法及其在路堤穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，2002,20(1).[14]歐志東，劉國，李志高.高填路基穩(wěn)定問題的非線性有限元分析.福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003,31(1)[15]J.C.Chai,NorihikoMiura,andS.L.Shen.Performanceofembankmentswithandwithoutreinforc