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2025 , Vol. 42 >Issue 5: 165 - 173

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240144

岩土工程

武汉长江一级阶地土体硬化模型参数试验研究

  • 李光诚 , 1 ,
  • 邵勇 , 1 ,
  • 伊盼盼 2 ,
  • 王璐 1 ,
  • 陈明 1 ,
  • 马路寒 3
展开
  • 1 湖北省城市地质工程院,武汉 430050
  • 2 中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉 430071
  • 3 武汉中隧轨道交通工程技术有限公司,武汉 430080
邵 勇(1989-),男,湖北武汉人,高级工程师,硕士,主要从事环境岩土、环境地质、环境污染防治工作。E-mail:

李光诚(1971-),男,湖北武汉人,正高级工程师,硕士,主要从事岩土工程工作。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-02-21

  修回日期: 2024-04-01

  网络出版日期: 2024-12-26

基金资助

国家自然科学基金项目(12002243)

湖北省地质局科技项目(KJ2023-46)

湖北省教育厅科学研究计划项目(B2020254)

收起

Experimental Study on Soil Hardening Model Parameters of First-stage Terrace of Yangtze River in Wuhan

  • LI Guang-cheng , 1 ,
  • SHAO Yong , 1 ,
  • Yi Pan-pan 2 ,
  • WANG Lu 1 ,
  • CHEN Ming 1 ,
  • MA Lu-han 3
Expand
  • 1 Hubei Institute of Urban Geological Engineering,Wuhan 430050,China
  • 2 Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
  • 3 Wuhan Tunnel Rail Transit Engineering Technology Co., Ltd., Wuhan 430080,China

Received date: 2024-02-21

  Revised date: 2024-04-01

  Online published: 2024-12-26

Fold

摘要

为系统获取土层变形有限元数值模拟所需的土体力学参数,以武汉长江一级阶地“上黏下砂”典型二元结构土层(粉质黏土、粉土、粉砂和细砂)为研究对象,通过系统的物理性质试验、固结试验及三轴固结排水加载-卸载-再加载试验,测定土体的修正摩尔-库伦硬化模型关键参数( E o e d r e f、 E 50 r e f、 E u r r e f、c'、φ'、Rf)。基于试验数据,结合国内其他地区的试验结果与经验值,系统分析武汉长江一级阶地典型土层模量参数间的定量关系,并提出参数取值的建议。研究成果补充了《湖北省基坑工程技术规程》中黏性土与粉土的有效应力强度指标,修正了砂土参数的工程取值(如砂土 c' 的非零特性)。该研究不仅为长江一级阶地类似工程提供了直接参数依据,还可为岩土工程有限元分析参数反演、参数敏感性分析及工程适应性校正提供重要参考。

关键词： 基坑工程; 硬化模型参数; 数值模拟; 修正摩尔-库伦; 长江一级阶地

本文引用格式

李光诚 , 邵勇 , 伊盼盼 , 王璐 , 陈明 , 马路寒 . 武汉长江一级阶地土体硬化模型参数试验研究[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(5) : 165 -173 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240144

Abstract

A series of physical property tests, consolidation tests, and unloading-reloading tests were conducted on undisturbed soil samples of silty clay, silt, and fine sand from the first-stage terrace of Yangtze River in Wuhan. The indoor experimental values of modified Mohr-Coulomb model parameters, including E o e d r e f, E 50 r e f, E u r r e f,c',φ',and Rf for typical soil layers with upper clay layer and lower sand layer in this terrace, were directly acquired. Using experimental data, adjusted experimental data, and empirical data from other regions in China, the relationships among different modulus parameters of typical soil layers in this region were analyzed. Moreover, the effective strength indexes were compared with the current provincial standard specification. The parameters obtained from this experimental study can be comprehensively selected and applied in areas with similar engineering geological background conditions. Additionally, they can offer valuable references for geotechnical engineering finite element parameter inversion analysis, parameter sensitivity analysis, and parameter applicability correction, which are based on the finite - element modeling experience of actual foundation pit engineering and the monitoring data of foundation pit engineering examples.

Key words： foundation pit engineering; hardening model parameters; numerical simulation; modified Mohr-Coulomb; first-stage terrace of Yangtze River

0 引言

岩土工程有限元数值模拟分析软件因包含多种本构模型被广泛应用。对于深基坑、隧道等大体量开挖卸荷工程,因非线性的理想弹塑性或应变软化/硬化塑性本构模型考虑了不同的应力和应变水平导致的土体刚度的变化,可以对挡土结构周围环境的变化给出比较好的预测结果。
对岩土工程来说,理论算法与地区经验取值往往密不可分,各类本构模型的地区性参数取值对分析结果科学性的贡献不容小觑。为了减少在缺乏直接试验数据时,因参数选取不确定所造成的模型反复调试,各地区岩土工程师通过统计区域经验数据和试验数据结果,为本地区的基坑工程数值分析参数的确定提供了参考。王卫东等[1-2]、梁发云等[3]结合室内试验、工程实例计算检验、参数敏感性分析及反演分析得出了上海地区典型土层土体的硬化土小变形(Hard Soil Small,HSS)模型参数确定方法。刘畅[4]通过试验获得过天津地区土层土体硬化模型的部分参数。周恩平[5]对北京某处场地硬化土小应变本构模型相关参数的确定进行了相应试验验证。刘钊等[6]对华南地区的花岗岩残积层修正摩尔库伦模型参数开展了研究。司马军等[7]针对武汉地区天然老黏性土的硬化土(Hard Soil,HS)模型参数进行了修正。李光诚等[8]结合数值建模分析,对武汉地区的土体刚度模量的取值关系进行了初步的探究。徐伟等[9]对武汉软土小应变硬化模型参数开展了试验研究。
武汉地区尚缺乏除老黏性土和软土之外其它代表性土层的土体硬化模型参数选取成果,各土层模型参数中压缩模量Es1-2、切线模量 E o e d r e f、割线模量 E 50 r e f、卸载模量 E u r r e f、有效黏聚力c'、有效内摩擦角φ'、破坏比Rf等无地区标准值可以参考,模量之间的关系也不明确。由于基坑工程的地区差异性明显,直接在武汉地区的基坑工程数值模拟分析中套用其它地区的模型参数取值,或选取其它经验性取值,均会影响模拟分析结果的准确性。
本文通过对汉口一级阶地典型“上黏下砂”二元结构地层中高质量获取的粉质黏土、粉土、粉砂、细砂原状土样开展三轴固结排水剪切试验、三轴固结排水加载-卸载-再加载试验及标准固结试验等一系列室内土工试验,首次较完整地测试和分析了武汉一级阶地典型土层土体的修正摩尔-库伦模型参数,成果可为分析确定武汉地区及其他类似地区的基坑工程数值分析本构模型参数提供有益参考[10]。

1 修正摩尔-库伦本构模型及其参数

修正摩尔-库伦本构模型是可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型土体行为的双硬化(压缩硬化和剪切硬化)弹塑性模型,考虑了土体的剪胀特性,引入了屈服帽盖,土体刚度随应力变化而变化,可以充分考虑加载和卸载时刚度模量的变化[11],已逐步取代摩尔-库伦本构模型,成为基坑工程数值模拟分析的首选。
本文采用Midas GTS NX 2021 R1数值模拟分析软件中的修正摩尔-库伦本构模型,在定义土体非线性参数时,参考压(应)力、模量应力水平相关幂指数、孔隙率、正常固结下的侧压力系数K0nc、最终膨胀角(剪胀角)均有相应的计算公式和较为可靠的建议取值,因此本文主要研究对象为 E o e d r e f、 E 50 r e f、 E u r r e f、c'、φ'、Rf,以及 E o e d r e f、 E 50 r e f、 E u r r e f、Es1-2之间的比例关系。

2 原状土样的现场获取和基本物理性质参数的确定

2.1 原状土样的现场获取

武汉长江一级阶地冲积相工程地质亚区主要沿武汉长江、汉江及府河两岸分布,是武汉地区比较有代表性的工程地质区段,该亚区表层一般被松散人工杂填土所覆盖,其下依次为软-可塑状的黏性土(黏土、粉质黏土、粉土互层)、松散-密实的砂土及砂卵石层,互层土、砂土、砂卵石层中赋存孔隙承压水[12]。
本次试验土样均取自位于该工程地质亚区的某基坑工程项目场地,距离长江北岸线3.0 km。该场地前期曾经开展过常规岩土工程勘察,为此次取样提供了较好的基础。于紧贴场地一侧红线某原始勘察钻孔东北侧约7 m处地表原始状态较好的位置确定了本次试验钻孔的位置。在40 m孔深范围内(为本基坑最大挖深3倍左右),原勘察钻孔共揭露了1层杂填土、3层粉质黏土(其中第3层粉质黏土后经试验判定为粉土)和3层砂土。试验钻孔实际揭露的地层及位置分布与原勘察钻孔基本一致。为满足土工试验所需样品数量要求,对较薄的黏土层全部深度内采用敞口薄壁取土器取样,较厚的砂土层采用内置环刀取土器间隔深度取样,取得了较为理想的原状样品,如图1所示。文献[13]针对此次原状样品获取有较为详细的研究。
图1 原状样的现场外观检查

Fig.1 Inspection of the appearance of undisturbed samples

2.2 原状土样基本物理性质参数的确定

首先对所取原状土样的基本物理性质参数(表1)进行了室内试验分析,主要参数包括烘干法测定的含水率,土工标准环刀法测定的天然密度,比重瓶法测定的相对密度,计算得到的初始(天然)孔隙比,液塑限联合测定法测定的塑性指数,筛析法+密度计法测定的颗粒组成百分数。其中塑性指数和颗粒分析用于对4-2土层的重新定性,本文不再单列此两项数据。
表1 土层基本物理性质参数

Table 1 Physical parameters of typical soil layers

土层 土样深
度/m		 密度/
(g·cm-3)		 含水
率/%		 相对
密度		 初始孔
隙比
3粉质黏土层 3.7~4.2 1.98 30.97 2.75 0.819
4-1粉质黏土层 5.7~6.2 1.99 28.63 2.74 0.771
4-2粉土层 8.2~8.7 1.90 34.54 2.73 0.766
5-1粉砂层 17.2~17.4 1.95 32.30 2.70 0.769
5-2细砂层 29.2~29.4 2.00 29.34 2.70 0.697
5-3细砂层 39.8~40.0 2.04 20.08 2.70 0.596

3 基于原状土样的室内土工试验

3.1 试验内容和主要试验设备

主要试验设备如图2所示。土体试验内容包括三部分:标准固结试验、三轴固结排水剪切试验、三轴固结排水加载-卸载-再加载试验。标准固结试验测试土体的 E o e d r e f、Es1-2,采用国产三联高压固结仪,设备型号为YS-3。三轴固结排水剪切试验测试土体的 E 50 r e f、c'、φ'、Rf,三轴固结排水加载-卸载-再加载试验测试土体的 E u r r e f,均采用英国全球数字系统(Global Digital Systems,GDS)仪器公司的饱和-非饱和动态三轴实验系统。
图2 主要试验设备

Fig.2 Main testing devices

3.2 三轴固结排水剪切试验

3.2.1 试样饱和

样品的尺寸(直径×高)为38 mm×76 mm。采用削土器对原状粉质黏土样进行削样,将削好的试样装入饱和器置于无水的抽气缸内进行抽气,当真空度接近一个标准大气压后,继续抽气3 h,然后注入清水,并保持真空度稳定,待饱和器完全被水淹没时停止抽气,试样在水下静置12 h,将饱和好的试样装到饱和-非饱和动态三轴实验系统进一步反压饱和。对于粉土、粉砂、细砂样,根据试样的干密度在设备底座上制样,从底部将二氧化碳气体通入制备好的试样,置换空隙中的空气,接着进行水头饱和,再进行反压饱和。凡是饱和时施加反压200 kPa,使土体内残余气泡缩小,持续时间4 h左右。

3.2.2 孔隙压力系数B的检测

关闭反压阀门,保持反压体积不变,围压增大30 kPa,测定孔隙压力系数B,若 B = Δ u Δ σ > 95 %,认为试样饱和,其中, Δ u为孔隙压力增量, Δ σ为周围压力增量。

3.2.3 固结

试样饱和后,打开反压阀门,开始施加设定围压,对试样进行等向固结,待孔隙水压力和反压体积趋于稳定时,固结完成。

3.2.4 排水剪切

围压保持不变,采用等应变速率开展排水剪切。由于黏性土和砂类土的排水速率存在差异, 3、4-1、4-2土层的剪切速率采用0.005 6 mm/min, 5-1、5-2、5-3土层的剪切速率采用0.009 5 mm/min,保证试样中的孔隙水有充足的时间排出。当试样的应变达16%,停止试验。部分三轴固结排水试样试验前后状态如图3所示。
图3 部分三轴固结排水试样试验前后状态

Fig.3 State of some specimens before and after triaxial consolidated drainage test

3.3 三轴固结排水加卸载试验

加卸载试验采用的设备和前3步试验步骤同三轴固结排水剪切试验,其中第3步固结试验中围压设置为100 kPa。下一步开展加卸载试验,把同一层土样在100 kPa围压下三轴固结排水剪切试验的破坏时的偏应力值作为预计破坏偏应力值。首先控制偏应力等速加载至预计破坏偏应力值的40%,然后偏应力等速卸载到0,然后再进行等速加载至预计破坏偏应力值的60%。对于3、4-1、4-2层土样,初次加载和卸载的时间均为10 h,再次加载的时间为12 h。对5-1、5-2、5-3层土样初次加载和卸载的时间均为8 h,再次加载的时间为10 h。

3.4 标准固结试验

用环刀切取3、4-1、4-2层原状土样,由于砂土样不易成型,5-1、5-2、5-3层土样根据实测干密度采用重塑的方法制样。制备好的试样采用上述三轴试验中抽真空的方法进行饱和。对饱和后的试样开展标准固结试验。试验分7级荷载逐级加载12.5、25、50、100、200、400、800 kPa,每级加载时间为24 h。

4 试验参数的确定

4.1 E o e d r e f、Es1-2参数的确定

参考切线模量 E o e d r e f的确定方法如下:通过标准固结试验可以得到试样轴向荷载与轴向应变的关系,并用一元三次方程进行拟合,拟合采用的方程为
y = A x 3 + B x 2 + C x + D 。
式中:x为轴向应变;y为轴向荷载;A、B、C、D为拟合参数。
根据每组拟合曲线求得轴向荷载为100 kPa时曲线的斜率,该斜率即为参考切线模量 E o e d r e f。各土层标准固结试验轴向荷载与轴向应变的关系曲线及拟合成的函数关系曲线如图4所示,曲线决定系数R2均>0.99。
图4 各土层试样固结试验轴向荷载-轴向应变关系

Fig.4 Relationship between axial load and axial strain of specimens from different soil layers during consolidation test

压缩模量Es1-2的确定方法如下:土的压缩模量为土体在侧限条件下的竖向附加压应力与竖向应变的比值。Es1-2指压力由初状态压力p1=100 kPa增加到末状态压力p2=200 kPa时的压缩模量。计算公式为
E s 1 - 2 = p 2 - p 1 e 1 - e 2 / ( 1 + e 0 ) 。
式中:e0为初始孔隙比;e1、e2分别为p1、p2作用下压缩稳定后的孔隙比。各土层试样孔隙比与垂直应力的关系曲线如图5所示。
图5 各土层试样固结试验孔隙比与垂直应力关系曲线

Fig.5 Relationship between porosity and vertical stress of specimens from different soil layers during consolidation test

根据以上确定方法得出的各组试样的 E o e d r e f和Es1-2如表2所示。
表2 各层土体的 E o e d r e f和Es1-2

Table 2 E o e d r e f and Es1-2 values of each soil layer

土层 E o e d r e f/
MPa		 Es1-2/
MPa		 土层 E o e d r e f/
MPa		 Es1-2/
MPa
3粉质黏土层 4.86 5.12 5-1粉砂层 14.57 21.98
4-1粉质黏土层 6.28 6.83 5-2细砂层 17.42 23.26
4-2粉土层 11.88 13.12 5-3细砂层 18.95 22.98

4.2 c'、φ'参数的确定

通过对各组试样开展三轴固结排水剪切试验,每组试样施加3~4种不同的围压值,各试样在不同围压下的应力莫尔圆如图6所示,通过绘制各莫尔圆的公切线可以得到每层土样的c'、φ'值,其值见表3。
图6 各土层土体应力莫尔圆

Fig.6 Mohr circle of each soil layer

表3 各层土体的c'、φ'

Table 3 Values of c' and φ' of each soil layer

土层 c'/kPa φ'/(°) 土层 c'/kPa φ'/(°)
3粉质黏土 14.13 25.77 5-1粉砂 0.28 39.06
4-1粉质黏土 13.07 26.04 5-2细砂 0.24 39.41
4-2粉土 10.45 33.92 5-3细砂 0.28 39.78

4.3 E 50 r e f、Rf参数的确定

参考割线模量 E 50 r e f的确定方法,设置围压100 kPa,进行三轴固结排水剪切试验,得到各组试样偏应力与轴向应变的关系曲线。如果曲线存在峰值点,取该峰值点作为破坏应力qf值,无峰值点时,取轴向应变15%对应的偏应力作为破坏应力qf值。然后获取曲线中偏应力值对应0.5qf的数据点,将坐标原点与该点相连,连线的斜率即为参考割线模量 E 50 r e f。各层土样在100 kPa围压下的应力-应变关系曲线如图7所示。
图7 各土层土体三轴固结排水应力-应变曲线

Fig.7 Strain-stress curves of specimens from different soil layers during triaxial consolidated drainage test

破坏比Rf的确定方法为:将偏应力与轴向应变的双曲线关系转换成εa/q-εa的直线关系
ε a q = ε a q a - 1 2 E 50 , 　 q < q f 。
式中: E 50为割线模量;εa为轴向应变;qa为偏应力的渐近值;q为偏应力。
为了提高准确性,在转换过程中,使直线通过q/qf=70%和95%的点,绘制出εa/q-εa关系曲线,该关系曲线为线性关系,其斜率为1/qa,计算qf/qa可得到破坏比Rf。图8为各组试样的εa/q-εa关系曲线。
图8 各层土体εa/q-εa关系曲线

Fig.8 Curves of εaversus q-εa of each soil layer

根据以上确定方法得出的各组试样参考割线模量 E 50 r e f和破坏比Rf如表4所示。
表4 各层土体的 E 50 r e f和Rf

Table 4 E 50 r e f and Rf values of each soil layer

土层 E 50 r e f/MPa qf/kPa qa/kPa Rf
3粉质黏土层 5.2 212.6 263.2 0.81
4-1粉质黏土层 5.2 215.4 263.2 0.82
4-2粉土层 6.7 220.5 277.8 0.79
5-1粉砂层 9.8 329.2 434.8 0.76
5-2细砂层 9.6 322.7 434.8 0.74
5-3细砂层 9.7 352.8 434.8 0.81

4.4 E u r r e f参数的确定

对各组试样开展三轴固结排水加卸载试验,各组试样的三轴固结排水加卸载偏应力与应变的关系曲线如图9所示。在卸载-再加载过程中各组试样的偏应力与应变的关系曲线均出现一个滞回圈,用卸载和再加载曲线的平均斜率表示试样的参考卸载再加载模量,各组试样的 E u r r e f见表5所示。
图9 各土层土体三轴固结排水加卸载应力-应变曲线

Fig.9 Unloading and reloading strain-stress curves of specimens from different soil layers during triaxial consolidated drainage test

表5 各层土体的 E u r r e f

Table 5 E u r r e f value of each soil layer

土层 E u r r e f/MPa 土层 E u r r e f/MPa
3粉质黏土层 19.1 5-1粉砂层 40.5
4-1粉质黏土层 24.8 5-2细砂层 54.1
4-2粉土层 35.7 5-3细砂层 54.5

5 试验所得参数的对比分析

5.1 土的抗剪强度有效应力指标

对于一些需要精确评价地基强度和稳定性的工程,要考虑孔隙水压力存在的影响,此时就必须采用有效应力法(水土分算),在数值分析建模选择“排水”时需要输入土的抗剪强度有效应力指标。
原勘察报告[14]、原状取样勘察结果[15]与《湖北省基坑工程技术规程》(DB42/T 159—2012)[16]抗剪强度指标参考值表B.0.1中比贯入阻力Ps、标准贯入试验值N、地基承载力特征值fak较为接近的行列项所对应的土体和本次试验的原状土样一致,因此,将试验所得抗剪强度有效应力指标与规程参考值在表6中进行了对比分析。本次试验补充了规程没有给出的相应黏性土、粉土的c'、φ',修正了砂层的c'、φ'。从表6可以看出:3层粉质黏土的c'较规范黏聚力c降低约20%,φ'约为规范内摩擦角φ的2.6倍;4-1层粉质黏土的c'较规范c降低约43%,φ'约为规范φ的2倍;4-2层粉土的c'较规范c降低约5%~15%,φ'约为规范φ的1.5~1.7倍;5-1层粉砂的φ'较规范值提高约22%,5-2层细砂的φ'较规范值提高约9.5%,5-3层细砂的φ'与规范取值基本一致;三层砂土的c'为0.24或0.28,数值分析建模时对砂层c'取0往往会造成计算的不收敛,试验所得c'将有助于提高模型的运行成功率。
表6 c'、φ'值的对比分析

Table 6 Comparative analysis of c' and φ' values

土层 指标来源 抗剪强度有效应力指标
Ps/MPa N fak/kPa c'/kPa φ'/(°) c/kPa φ/(°)
DB42/T 159—2012 0.80 3.0 90 — — 17 10
3粉质黏土层 原勘察报告 0.68 3.0 80 — — 15 7
本次试验结果 — — — 14.13 25.77 — —
DB42/T 159—2012 1.20 5.0 120 — — 23 13
4-1粉质黏土层 原勘察报告 0.84 5.1 120 — — 23 13
本次试验结果 — — — 13.07 26.04 — —
DB42/T 159—2012 2.00 — 110 — — 12 20
4-2粉土层 DB42/T 159—2012 3.00 — 150 — — 11 23
本次试验结果 — — — 10.45 33.92 — —
DB42/T 159—2012 6.00 14 170 0 32 0 30
5-1粉砂层 原勘察报告/原状取样勘察 6.39 11.2、15 160 — — 0 28
本次试验结果 — — — 0.28 39.06 — —
DB42/T 159—2012 8.00 21 210 0 36 0 33
5-2细砂层 原勘察报告/原状取样勘察 8.98 21.3、24 220 — — 0 33
本次试验结果 — — — 0.24 39.41 — —
DB42/T 159—2012 12.00 40 290 0 40 0 36
5-3细砂层 原勘察报告/原状取样勘察 12.85 34.8、37 280 — — 0 35
本次试验结果 — — — 0.28 39.78 — —

注:4-2粉土层经原状取样勘察重新定性,不再列出原勘察报告取值。

5.2 土的刚度模量参数

切线刚度和割线刚度对土体的力学特性和变形行为具有重要影响,切线刚度可以描述砂土对应力变化的响应程度,割线刚度用于分析土体的的非线性响应和破坏模式。卸载模量则对具有剪切硬化效应类型土体的沉降和隆起影响较大。室内试验直接获取这些土的刚度模量参数需要耗费大量人力物力且用时较长,若建立工程地质勘察报告中一般会提供的Es1-2和 E o e d r e f、 E 50 r e f、 E u r r e f之间的数值关系,则可以较为经济有效地解决数值分析时土体刚度模量参数的取值问题。
表7统计分析了武汉、上海、北京、天津4个不同地区的土体刚度模量参数选取对比,包括直接的室内试验数据,算例检验+反演分析调整后的试验数据,仅模型推演的经验数据和行业工程师不限地区的经验取值数据共4类。本文将主要对比分析此次试验所针对的粉质黏土、砂土和粉土的 E o e d r e f和Es1-2、 E 50 r e f和 E o e d r e f、 E u r r e f和 E o e d r e f参数间的关系(表格数值前3列),为了和其中部分文献资料一致,也列出了 E u r r e f和 E 50 r e f、 E 50 r e f和Es1-2参数间的关系(表格数值后2列)。
表7 不同地区土体刚度模量参数对比

Table 7 Soil stiffness modulus parameters in different regions

地区 土体 E o e d r e f/Es1-2 E 50 r e f/ E o e d r e f E u r r e f/ E o e d r e f E u r r e f/ E 50 r e f E 50 r e f/Es1-2
武汉(本次试验) 3粉质黏土 0.95 1.07 3.93 3.67 1.02
4-1粉质黏土 0.92 0.83 3.95 4.77 0.76
4-2粉土 0.91 0.56 3.01 5.33 0.51
5-1粉砂 0.66 0.67 2.78 4.13 0.45
5-2细砂 0.75 0.55 3.11 5.64 0.41
5-3细砂 0.82 0.51 2.88 5.62 0.42
武汉(试验数据)[7] 老黏性土 — 2.93 4 1.36 —
武汉(调整后的试验数据)[7] — 2.4 6 2.5 —
武汉(经验数据)[8] 粉质黏土、砂土 1 1~1.5 — 7 —
上海(试验数据)[1,3] 黏土 0.63~0.9 1.2~1.3 5.7~10.5 4.4~8.4 0.8~1.13
淤泥质粉质黏土 1.06~1.1 1.2~1.3 12.4~13.6 9.3~11.6 1.23~1.3
淤泥质黏土 0.85~0.9 1.08~1.1 8.2~10.2 7.8~9.4 0.91
粉质黏土 0.87~1 0.9~1.08 3.9~7.2 4.3~6.7 0.87~0.96
上海(调整后的试验数据)[2] 黏土 0.9 1.2 7 — —
淤泥质粉质黏土
淤泥质黏土
粉质黏土
上海(经验数据)[2,11] 砂土 1 1 4 — —
黏土、砂土 — 0.83~1.43 — 4~9 0.9~1
北京(试验数据)[5] 粉土 1.09 1.28 3.04 2.49 1.34
粉质黏土 1.09 0.98 4.52 4.61 1.07
北京(调整后的试验数据)[5] 粉质黏土 1 1~2 — 4~6 —
北京(经验数据)[5,11] 砂土 1 1 — 3~5 —
黏土、砂土 — 1~2 — 2~4 —
天津滨海软土(试验数据)[4] 粉质黏土 2.11 0.7 — 2.1 1.56
淤泥质黏土 1.94 1.7 — 2 1.28
黏土 1.79 1.1 — 1.8 1.89
粉质黏土 1.4 0.5 — 1.4 0.73
天津(经验数据)[11] 黏土、砂土 — 0.67~1 — 5 1.5~2
不分地区的经验取值[11] 黏土 1 1~2 — 3 —
砂土 1 1 — 3 —

注:均为参考应力100 kPa时的数据结果。

5.2.1 粉质黏土

从表7中可以看到,此次试验所得两层粉质黏土的 E o e d r e f/Es1-2分别为0.95、0.92,除天津地区外,其它地区的4类数据取值最大为1.09,最小为0.87,说明武汉地区粉质黏土可近似取 E o e d r e f≈Es1-2。
此次试验所得两层粉质黏土的 E 50 r e f/ E o e d r e f分别为1.07、0.83,与上海的试验数据0.9~1.08较为接近。从表7中亦可以看出,不同地区的 E 50 r e f/ E o e d r e f试验结果基本均<1,且普遍小于各自地区调整后的试验取值及经验取值,因此武汉地区此两层粉质黏土的 E 50 r e f/ E o e d r e f可能亦要在试验值的基础上适当上调。
此次试验所得两层粉质黏土的 E u r r e f/ E o e d r e f分别为3.93、3.95,与北京地区的试验数据较为接近,与上海地区试验数据的低值更为接近,但明显低于上海地区调整后的试验数据。
此次试验所得两层粉质黏土的 E u r r e f/ E 50 r e f分别为3.67、4.77,与北京地区的试验数据以及调整试验数据的低值较为接近,与上海地区试验数据的低值也较为接近,但是行业通用经验取值的1.2~1.6倍左右。总体来看,武汉地区粉质黏土的 E u r r e f/ E 50 r e f试验值处于4类数据取值的中间水平。

5.2.2 砂土

从表7可以看出,国内无砂土刚度模量参数的直接试验研究数据,多为直接借鉴国外研究或各种来源的经验数据,且基本认为 E o e d r e f≈Es1-2≈ E 50 r e f,这可能与砂土原状样不易采集及制样成型有关。本次如前文所述,通过汉口一级阶地原状土样的获取实践,成功获取了武汉地区三层砂土的原状样,为砂土刚度模量参数的直接试验研究提供了可能。本次试验所得 E o e d r e f/Es1-2在0.66~0.82之间,均值约为0.75,且两层细砂的值均大于粉砂。 E 50 r e f/ E o e d r e f在0.51~0.67之间,均值约为0.58,且两层细砂的值均小于粉砂。
武汉地区三层砂土的 E u r r e f/ E o e d r e f试验值介于2.78~3.11之间,均值约为2.92,且两层细砂的值均大于粉砂,小于仅有的一组上海经验值4。
三层砂土的 E u r r e f/ E 50 r e f试验值介于4.13~5.64之间,均值约为5.13,且两层细砂的值均大于粉砂,偏向于其它几个地区经验取值的中高值。

5.2.3 粉土

从表7中可以看出,关于粉土刚度模量参数的试验研究数据或经验取值寥寥无几。与收集到的北京地区一组试验数据相比,武汉、北京两地区的 E o e d r e f/Es1-2(≈1)和 E r e f u r/ E o e d r e f(≈3)试验值均比较接近,但武汉地区 E 50 r e f/ E o e d r e f试验值仅为北京地区试验值的44%且小于经验值1。

5.3 破坏比Rf

目前,无论是试验数据、调整试验数据或经验数据,大部分文献(除上海淤泥质土外)、软件预置、行业通用给出的Rf参考取值均为0.9。从表8可以看出,武汉地区黏土、粉土和砂土的Rf均在0.8附近,黏土较粉土、砂土稍大,与北京地区的试验数据较为接近,较上海地区的试验数据低0.15左右。
表8 不同地区土体Rf参数对比

Table 8 Rf values of soils in different regions

地区 土样 Rf
武汉(本次试验) 3粉质黏土 0.81
4-1粉质黏土 0.82
4-2粉土 0.79
5-1粉砂 0.76
5-2细砂 0.74
5-3细砂 0.81
武汉(经验数据)[7,8] 老黏性土、粉质黏土、
砂土		 0.9
上海(试验数据)[1,3] 黏土 0.91~0.96
淤泥质粉质黏土 0.58~0.68
淤泥质黏土 0.54~0.72
粉质黏土 0.89-~0.95
上海(调整后的试验数据)[2] 黏土 0.9
淤泥质粉质黏土 0.6
淤泥质黏土 0.6
上海(经验数据)[2] 粉细砂 0.9
北京(试验数据)[5] 粉土 0.8~0.86
粉质黏土 0.69~0.8
北京(调整后的试验数据)[5] 黏土、粉土 0.9
北京(经验数据)[5] 砂土 0.9
不分地区的经验取值[11] 砂土 0.9

6 结论

(1)补充了湖北省标规程中黏性土、粉土的c'、φ',修正了砂层的c'、φ'。粉质黏土的c'值较规范c值降低约20%~43%,φ'值约为规范φ值的2~2.6倍。粉土的c'较规范c降低约5%~15%,φ'约为规范φ取值的1.5~1.7倍。砂层φ'较规范值最多提高约22%,c'为<0.5的非零值。
(2)对武汉地区粉质黏土,可近似取 E o e d r e f≈Es1-2; E 50 r e f/ E o e d r e f在0.83~1.07之间,与上海地区的试验数据较为接近,且根据地区经验来看,实际取值可能需要在试验值的基础上适当上调; E u r r e f/ E o e d r e f在3.95左右,与北京地区的试验数据较为接近,与上海地区试验数据的低值更为接近,但明显低于上海地区调整后的试验数据; E u r r e f/ E 50 r e f在3.67~4.77之间,与北京地区的试验数据以及调整试验数据的低值较为接近,与上海地区试验数据的低值也较为接近,是行业通用经验取值的1.2~1.6倍,总体处于各地区取值的中间水平。
(3)对武汉地区砂土,有别于 E o e d r e f≈Es1-2≈ E 50 r e f的经验取值, E o e d r e f/Es1-2均值约为0.75,且细砂值大于粉砂值, E 50 r e f/ E o e d r e f均值约为0.58,且细砂值小于粉砂值; E u r r e f/ E o e d r e f试验均值约为2.92,且细砂值大于粉砂值,小于仅有的一组上海经验值4; E u r r e f/ E 50 r e f试验均值约为5.13,且细砂值大于粉砂值,偏向于其它几个地区经验取值的中高值。
(4)对武汉地区粉土, E o e d r e f/Es1-2≈1, E u r r e f/ E o e d r e f≈3,均与北京地区的试验数据接近,但 E 50 r e f/ E o e d r e f试验值仅为北京地区试验值的44%且小于经验值1。
(5)武汉地区黏土、粉土和砂土的Rf均在0.8附近,黏土较粉土、砂土稍大,与北京地区的试验数据较为接近,较上海地区的试验数据低0.15左右,小于行业通用参考取值0.9。
(6)本次试验研究所得参数可结合不同地区的经验综合选取应用,亦可为未来基于实际工程建模经验和工程实例监测数据的参数反演分析、参数敏感性分析、参数的适用性校正提供趋势参考。

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