蘇志軍 李競 蘇志營

1 中化地質礦山總局，北京 100013

2 中化地質礦山總局河南地質局，河南 鄭州 450002

3 鄭州中蘇巖土工程有限公司，河南 鄭州 450002

4 河南亞星建筑安裝工程有限公司，河南 鄭州 450012

鄭州地區(qū)空間規(guī)劃與工程建設日趨緊密，具有能夠承載多層建筑物且地層分布范圍大、特征明顯的巖土體（特征土），研究其特性合理化利用越來越為土木工程師所關注。持續(xù)發(fā)展的基礎建設使得工程條件越來越復雜，通過顆粒介質材料承受并傳遞上部荷載，多數工程幾何形態(tài)多樣、力學環(huán)境復雜、地質條件復雜，使得當前在結構力學、彈性力學、巖土力學等傳統(tǒng)方法中難以獲得解析解。而隨著計算機技術的發(fā)展，數值分析（數值模擬）方法已逐漸成為土木工程求解科學問題不可或缺的分析手段。

因此，采用數值模擬的方法以鄭州地區(qū)奧蘭花園住宅小區(qū)場地淺部特征土為主要對象，將原位測試、室內試驗相結合來開展本次研究。

1 基本情況

1.1 淺部特征土

特征土是指土體內存在可辨識包含物或特征明顯的巖土體，其物理力學性質具規(guī)律性，在較大范圍內都有分布；能夠承擔一定的上部荷載；測試特征曲線明顯；特征土層具有科研研究和經濟利用價值等。鄭州淺部特征土一般是指層底埋深10～15m以上的具上述特征的典型巖土層。

奧蘭花園住宅小區(qū)場地位于鄭州市鄭東新區(qū)，東風東路與鄭汴路交匯處北約300m路西，北臨康寧街，南側為福祿街，東臨東風東路，西傍康平路。場地地貌單元區(qū)域上屬于黃河泛濫沖積平原，場地內勘探孔揭露85.0m范圍內，5.9～10.3m以上為新近紀堆積粉土、粉質粘土；約10.0～30.0m為第四紀全新世沖積形成的地層，以粉土、細砂層為主；30.0～85.0m為第四紀晚更新世沖積形成的地層，以粉土、粉質粘土為主[1]。

奧蘭花園分布特征土上部（層底埋深5.5～9.8m）：地層呈灰-灰（褐）黃色，濕，中密。搖振反應中等，干強度低，韌性低，無光澤。有粘性，質軟，偶見少量蝸牛殼碎片。局部有粉質粘土夾層，軟塑。

其下部（層底埋深6.4～12.6m）：地層呈淺灰-灰（褐）黃色，濕，密實。搖振反應迅速，干強度低，韌性低，無光澤。本層稍有砂感，局部發(fā)育粉砂薄層。

鄭州地區(qū)四至六層、高層低配裙樓及荷載較大的廠房等建（構）筑物大多直接或間接以地基處理形式采用該特征土層為主要持力層。

根據鄭州市城市人防工程地質勘查資料[2]及東西南北不同區(qū)域結合項目勘探情況，搜集整理鄭州城區(qū)特征土分布情況見表1。

表1 鄭州城區(qū)特征土分布情況一覽表Table 1 Distribution table of characteristic soils in Zhengzhou urban area

1.2 數值模擬

土是由巖石經過風化后產生的松散物集合體，主要的特點是不連續(xù)性和三相性（土固體顆粒-固相，土中水-液相，土中氣-氣相），這使其變形和強度等力學性質不同于其它連續(xù)介質，變得極其復雜。目前，采用較多的數值模擬方法是離散元法和有限差分法、有限元法等。

1.2.1 離散元法

離散元法克服了傳統(tǒng)連續(xù)介質力學模型的宏觀連續(xù)性假設，從細觀層面上對土的工程特性進行數值模擬，并通過細觀參數的研究來分析宏觀力學行為，尤其適用于粉土、砂性土等具離散介質的力學分析。由于其研究基本構成為顆粒，因此從本質上適合研究固體（松散或黏結）介質的力學特性[3]。

1.2.2 有限差分法與有限元法

有限差分法和有限元法是以連續(xù)介質為基礎考慮，它們考慮了土體的非線性彈塑性關系，且都產生一組待解方程組。盡管這些方程是通過不同方式推導出來的，但兩者產生的方程式一致的。有限單元程序需要將單元矩陣組合成大型整體剛度矩陣，有限差分則無需如此。它們的缺點是不能體現顆粒間的復雜相互作用，不能刻畫類似粉土這類特征土的流動變形特征。

因此，側重研究與實際應用，本文主要選擇離散元法進行數值模擬。

2 淺部特征土測試

2.1 土的物理力學性質

奧蘭花園項目對原狀土樣進行了常規(guī)項目的分析（表2），用四聯(lián)電動剪力儀做直剪試驗；靜三軸做不固結不排水UU剪切試驗（表3）；同時進行了高壓固結試驗測試（表4）。

表2 特征土物理性質統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of physical properties of characteristic soil

表3 特征土力學性質統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of mechanical properties of characteristic soils

表4 特征土高壓固結成果統(tǒng)計表Table 4 Statistical table of high pressure consolidation results of characteristic soils

2.2 原位測試

2.2.1 靜力觸探

靜力觸探采用LT-20A靜力觸探工程車施工，雙橋探頭，配備LMC-310C型自動采集、記錄、數據處理打印微機系統(tǒng)[4]。

2.2.2 標準貫入

標準貫入試驗采用標準貫入儀作現場測試，嚴格按規(guī)范執(zhí)行，試驗時清孔干凈，扶正鉆桿，詳細記錄貫入度。采用導向桿變徑自動脫鉤式落錘裝置（錘重為63.5kg，落距為76cm）配合鉆機進行測試。

2.2.3 測試結果統(tǒng)計

特征土進行原位測試數理統(tǒng)計（表5）。

表5 特征土原位測試統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of in-situ test of characteristic soil

從表中可以看出，特征土上部略軟下部偏硬，數理統(tǒng)計符合規(guī)范要求，經測算地基承載力上下相差不大，擬建建筑物存在負荷小的多層建筑物時可考慮上部承載；存在負荷大的多層建筑物時可考慮下部為主要持力層。

3 特征土數值模擬

3.1 直剪試驗模擬

直剪試驗（直接剪切試驗）是將制備的代表性試樣放入剪切盒內，將上盒固定，施加垂直壓力，逐級施加水平剪力使下盒沿水平方向滑動，直至試樣剪切破壞。因而對于直剪試驗的顆粒流模型，可僅建立直剪儀剪切盒與盒內的土樣。通過定義，使剪切盒發(fā)生一定量的位移并使土樣產生剪切破壞[5]。

實際顆粒流模擬時主要分為試樣生成，圍壓施加，加載三個步驟實施。

直剪試驗測試相對簡單，試驗不能嚴格控制排水條件；剪切面不是沿最薄弱面產生破壞，土樣的剪切破壞始于邊緣，應力集中發(fā)生在邊緣（圖1）。

圖1 PFC顆粒流直剪試驗模擬Fig.1 Direct shear test simulation of PFC particle flow

縱觀剪切模擬，細粒土存在明顯的剪切帶，這在直剪試驗過程中不易直接觀察到，但試樣破壞后模擬與試驗形態(tài)呈現較好的一致性。破壞形式為受限強制性剪切破壞。

3.2 三軸試驗模擬

三軸試驗（三軸壓縮試驗）是將制備的代表性試樣放置于充滿液體的壓力室內，試樣用薄橡皮膜包裹，使土樣與膜外液體完全隔開。在給定的三軸壓力室周圍壓力作用下，不斷加大軸向附加壓力，直至試樣破壞。當周圍壓力（σ1為大主應力，σ2為中主應力，σ3為小主應力，σ2、σ3為圍壓）為不同方向大?。é?≠σ3）時，為真三軸試驗；當三軸不同方向周圍壓力均為同一常數（σ2=σ3=k）時，為靜三軸試驗。

Robert D. Holtz指出：“莫爾早在1900年就假設了一個實際材料的破壞準則：當破壞面的剪應力達到了該面上的某個單值函數時，材料就破壞了[6]?！毕鄬τ讦?=σ3=k的情況，中主應力的增加會提高土的強度已經成為人們的共識。

實驗表明，主應力方向對抗剪強度的影響大于中主應力的影響，從實用的角度出發(fā)，忽略中主應力的影響是偏于安全的[7]。綜上所述，本次PFC模擬主要是靜三軸試驗（圖2），不同粒徑下剪切帶分布及取向不同，按試樣級配顆粒組成模擬模型進行模擬計算，模擬破壞形態(tài)與試驗取得較好的一致性。

圖2 PFC顆粒流三軸試驗模擬Fig.2 Triaxial test simulation of PFC particle flow

4 特征土破壞方程與試驗對比

4.1 特征土破壞方程

根據粗粒料真三軸試驗結果結合顆粒流數值模擬，河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點試驗室得出真三軸建立的各向同性強度準則[8]，結合鄭州地區(qū)特征土不同區(qū)域取土測試結果及數值模擬，建立靜三軸特征土破壞方程式（1）：

式中：

φ0為靜三軸壓縮條件下內摩擦角

4.2 試驗與反演對比分析

根據特征土分布情況，采用集管理、專業(yè)及系統(tǒng)分析軟件為一體的信息化模式，以提高試驗模擬與實際工程相關參數的準確度[9]。取特征土土層上下部視為一體考慮，采樣六組（S-1—S-6）進行靜三軸不固結不排水試驗（UU）——將制備好的代表性試樣放入三軸儀壓力室內，在排水閥門關閉的情況下，先向土樣施加周圍壓力，隨即施加軸向應力進行剪切，直至破壞的試驗，試驗成果整理成不固結不排水強度包線圖（圖3），將試驗結果與破壞方程反演計算結果進行對比。

依照摩爾-庫倫理論破壞準則，可以采用最大主應力比較法、最小主應力比較法以及內摩擦角比較法來判別土體單元是否發(fā)生破壞[10-11]。建立的特征土破壞方程反演參數，可以方便進行這種判斷。

圖3 三軸（不固結不排水）試驗強度包線Fig.3 Triaxial (unconsolidated and undrained) test strength enveloping line

表6 試驗值與反演值的比較Table6 Comparison of test value and inversion value

從表6中可以看出，由于土質不均勻性，代表性試樣測試結果存在一定離散性，而采用破壞方程反演計算的結果一致性比較好。這為技術人員后期分析提供了便利，也為采樣困難、地層在采取一定質量代表性樣品測試后進行反演對比選取適宜的評價參數提供了新的思路。同時，也避免了技術人員在均值、最小值、修正值、經驗值之間模糊取值，為參數確定提供了有利的支撐。

5 結論

（1）結合鄭州城區(qū)地基土特征，提出特征土的概念，以奧蘭花園場地為例，對鄭州淺部具經濟價值的特征土進行分析，研究鄭州淺部特征土分布情況，采取現場原位測試與代表性試樣采取進行室內物理力學性質測試相結合的方法，得出其上部略軟下部偏硬的一般規(guī)律。由于特征土上下部地基承載力相差不大，可根據擬建多層建筑物荷載大小優(yōu)選可利用部位為主要持力層，以實現其經濟價值。

（2）比較離散元法與有限元法，選用顆粒流離散元法對特征土進行了直剪試驗和三軸試驗模擬，與試驗符合一致，考慮直剪試驗存在受限強制性破壞，與實際應用存在差距。因此，采用靜三軸模擬進行特征土破壞方程構建。

（3）在前人研究基礎上，得出特征土靜三軸破壞方程，并通過采樣測試驗證。采用破壞方程反演計算的結果一致性較好。這對特征土深入研究分析和充分利用提供了便利，也為采樣困難地層在采取有質量保證的代表性樣品測試后，進行反演比選確定適宜的評價參數提供了支撐。