武汉长江一级阶地土体硬化模型参数试验研究

doi:10.11988/ckyyb.20240144

摘要/Abstract

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'、R_f)。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

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 R_f 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

中图分类号:

TU412地形调查和勘探

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]. raybet体育在线院报, 2025, 42(5): 165-173.

LI Guang-cheng, SHAO Yong, Yi Pan-pan, WANG Lu, CHEN Ming, MA Lu-han. Experimental Study on Soil Hardening Model Parameters of First-stage Terrace of Yangtze River in Wuhan[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(5): 165-173.

图/表 17

图1 原状样的现场外观检查

Fig.1 Inspection of the appearance of undisturbed samples

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

图2 主要试验设备

Fig.2 Main testing devices

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

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

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

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	E_s1-2/ MPa	土层	$E o e d r e f$ / MPa	E_s1-2/ 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

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	E_s1-2/ MPa	土层	$E o e d r e f$ / MPa	E_s1-2/ 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

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

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

图8 各层土体εa/q-εa关系曲线

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

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	q_f/kPa	q_a/kPa	R_f
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

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	q_f/kPa	q_a/kPa	R_f
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

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

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

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
土层	指标来源	P_s/MPa	N	f_ak/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	—	—

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	$E o e d r e f$ /E_s1-2	$E 50 r e f$ / $E o e d r e f$	$E u r r e f$ / $E o e d r e f$	$E u r r e f$ / $E 50 r e f$	$E 50 r e f$ /E_s1-2
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]	老黏性土	—	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	—	—
上海(经验数据)^[2,11]	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
北京(试验数据)^[5]	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	—
北京(经验数据)^[5,11]	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	—
不分地区的经验取值^[11]	砂土	1	1	—	3	—

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	$E o e d r e f$ /E_s1-2	$E 50 r e f$ / $E o e d r e f$	$E u r r e f$ / $E o e d r e f$	$E u r r e f$ / $E 50 r e f$	$E 50 r e f$ /E_s1-2
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]	老黏性土	—	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	—	—
上海(经验数据)^[2,11]	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
北京(试验数据)^[5]	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	—
北京(经验数据)^[5,11]	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	—
不分地区的经验取值^[11]	砂土	1	1	—	3	—

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	R_f
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
北京(试验数据)^[5]	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

[1]	王亚林, 吴雨芯, 朱士江, 赵树君, 夏栋. 滴头端面倾角对滴灌管局部水头损失的影响[J]. raybet体育在线院报, 2025, 42(5): 138-146.
[2]	王思莹, 唐厚佳, 黄涛, 钱军. 考虑止水结构弹性的大型弧形闸门振动分析[J]. raybet体育在线院报, 2025, 42(3): 171-177.
[3]	吴贞晖, 王孟, 刘扬扬, 吴比, 肖洋, 张可可. 引江补汉工程运行对三峡水源区水环境的影响预测[J]. raybet体育在线院报, 2025, 42(2): 194-203.
[4]	邱松楠, 黎晓冬, 周鹏展. 渗透破坏作用下管涌土强度劣化机制及预测模型[J]. raybet体育在线院报, 2025, 42(1): 186-193.
[5]	牛云岗, 麻凤海, 王琼亿. 正断层对下盘影响区基坑围护桩变形的影响[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(9): 130-137.
[6]	梁瑞, 祁芳霞, 周文海, 李生荣, 楼晓明. 不同损伤模型下偏心不耦合装药爆破特性[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(9): 98-105.
[7]	杨忠勇, 李林, 孙诗为, 张勇, 唐艳平, 王紫阳, 刘新健, 徐杨. 两坝间河道高含沙水流驱动的下游船闸阀门井水位异常特征分析[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(9): 79-85.
[8]	易顺, 潘家军, 王艳丽, 徐晗, 白强强, 杨志勇. 基坑地表沉降的偏态分布函数应用[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(8): 135-141.
[9]	高学平, 魏南疆, 刘殷竹. 接立面转弯隧洞的侧式出水口水力特性[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(7): 94-102.
[10]	李海涛, 任光明, 冯川, 唐杨, 王霆, 王亮. 高原山区微型群桩基础承载特征及竖向-水平联合荷载研究[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(7): 139-147.
[11]	韩雷, 吕春玮, 王正君, 张帅康, 李洋. 墩头角度对竖缝式鱼道水力特性的影响[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(6): 84-90.
[12]	周晔凯, 秦鹏, 李杰成, 匡义, 田蕾, 吴仕琪, 徐欣悦. 一种新型双曲弧面海堤护坡结构的防浪消能效果[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(4): 89-94.
[13]	张健, 马建林, 王钦科, 苏伟. 碎裂岩夹层中大跨度悬索桥隧道锚稳定性分析[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(4): 149-156.
[14]	马鹏杰, 魏凯, 康静伟, 芮瑞, 蔡正乾, 夏荣基. 单排微型桩加固缓倾长大裂隙土边坡的力学机制[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(3): 178-185.
[15]	刘玉娇, 余明辉, 黄宇云, 吴华莉. 鄱阳湖水利枢纽对江湖洪期水动力过程的影响[J]. raybet体育在线院报, 2024, 41(3): 9-15.