硬壳层对深软土在超载作用下的水平位移的影响机制：实验、理论及数值研究

《Ocean Engineering》：Influence mechanisms of hard shell layer on horizontal displacement of deep soft soil under surcharge loading: experimental, theoretical and numerical studies

硬壳层对深层软土水平位移的影响研究采用现场监测、理论分析和ABAQUS数值模拟，揭示了不同条件下三种典型位移模式（弓形、三段线性、抛物线型），建立了弹性梁固定底端四种顶端约束的理论模型，提出局部硬壳层位移修正公式，阐明厚度与模量耦合作用机制，为软基工程稳定性评估提供理论支撑。

　　

吴敏|张玲|邓涛|刘奇健|陈永勇|张远航

湖南大学土木工程学院，中国湖南省长沙市410082

摘要

准确描述深层软土的水平位移特性对于确保软土工程项目的整体稳定性和施工安全至关重要。然而，地表硬壳层的存在显著影响了在超载作用下获得的水平位移数据的可靠性。为了研究硬壳层对深层软土水平位移的影响机制，本研究结合了现场倾角仪测量、理论分析和ABAQUS数值模拟。在不同硬壳层条件下，识别出三种典型的软土侧向位移分布模式：弓形、三段线性和抛物线形。建立了一个具有固定底端和四种类型上端约束条件的弹性梁的理论分析模型，并提出了针对局部硬壳层区域的水平位移校正公式。分析进一步阐明了硬壳层的厚度和弹性模量与软土水平位移之间的协同调节作用，以及相关的约束状态和变形模式。这些发现为预测和评估类似地质工程项目中深层软土基础的整体稳定性和变形模式提供了理论依据。

引言

软土基础广泛分布在沿海滩涂、河口平原和湖泊地区，这些地方通常采用大规模填土和超载加载来满足工程建设需求。由于含水量高、孔隙率大和抗剪强度低，深层软土在超载作用下容易发生侧向变形，这可能危及相邻结构的稳定性并影响施工安全（邓等人，2022年；陈等人，2024年；刘等人，2024年、2025a年、2025b年；肖，2024年；陈等人，2025年；黄等人，2025年；李等人，2025年；吴等人，2025年；彭等人，2026年）。因此，准确识别和评估软土在超载作用下的水平位移特性对于变形控制和软土工程的风险评估至关重要。

在工程实践中，软土基础的浅层表面经常受到重复的施工干扰，包括临时填土作业、重型机械的碾压以及长期的交通荷载。这些干扰会显著改变浅层软土的物理和力学性质，从而导致形成一个相对坚硬且压实的表层，通常称为硬壳层（王等人，2023年；袁等人，2025年）。与下层软土相比，硬壳层通常具有更高的密度、更大的刚度和更好的结构完整性，这改变了土壤在外荷载作用下的变形响应（景等人，2001年；陈等人，2019a年、2019b年；罗等人，2023年；袁等人，2025年）。现有关于软土基础中硬壳层的研究主要集中在其形成机制、应力分散特性以及对承载能力和沉降行为的影响（曹和窦，2012年；冯等人，2012年；陈等人，2019a年；陈等人，2019b年；袁和魏，2021年）。普遍认为，硬壳层可以通过重新分配应力和限制表面变形来提高荷载传递效率并增强软土的整体稳定性。然而，大多数先前的研究主要集中在垂直变形和承载性能上，而它们对超载作用下深层软土水平位移的影响则受到的关注相对较少（文等人，2007年；文和周，2008年；赵，2011年；王等人，2015年；张等人，2017年；黄和李，2021年；李，2022年；王等人，2022年；边等人，2023年）。特别是，在不同硬壳层条件下深层软土的约束机制、变形模式和深度依赖性响应特性尚未得到系统阐述。

在实际的岩土工程中，倾角仪管被广泛用于监测软土基础的水平位移（Lehtonen等人，2015年；Shin等人，2016年；Fan等人，2017年；Allil等人，2021年；陈等人，2023年；Damiano等人，2025年；刘等人，2025a年、2025b年；王等人，2025年）。当地表存在硬壳层时，倾角仪管上段的变形可能会受到部分约束，导致测量到的位移低于周围软土的位移。因此，监测数据可能无法准确反映基础的真正变形行为，这可能导致对基础稳定性和变形风险的误判。许多研究探讨了倾角仪测量误差的原因和缓解措施。李（2011年）确定了倾角仪测量误差的来源，并提出了提高数据准确性的针对性措施。李等人（2013年）通过分析滑动倾角仪的测量原理，研究了误差的原因，并建立了用于消除零漂移误差的校正公式。赵（2021年）通过分析倾角仪数据处理方法与数值分析中采用的欧拉方法之间的一致性，探讨了倾角仪监测误差。这些研究表明，现有的关于倾角仪误差的研究主要集中在仪器引起的误差、环境因素和人为操作因素上，而关于硬壳层对软土水平位移约束效应的实验研究和分析仍然不足。

关于硬壳层对下层软土水平位移的影响，已经进行了一些相关研究（严等人，2003年；余和刘，2008年；刘等人，2018年；郑等人，2022年）。现有研究表明，当地表附近存在大面积高刚性硬壳层时，沿深度方向的土壤水平位移通常呈现弓形分布，最大位移出现在软土层的中间（孟等人，2024年）。李等人（2004年）研究了使用倾角仪测量软土底基层侧向变形的局限性，并强调了硬壳层施加的约束作用以及倾角仪管与周围土壤之间的刚度不匹配的影响。刘等人（2012年）进一步分析了在硬壳层存在的情况下倾角仪管监测侧向位移的局限性，并提出了需要更精确的测量仪器的需求。尽管这些研究探讨了硬壳层与倾角仪管之间的相互作用，但它们尚未完全阐明硬壳层如何影响软土本身的水平位移特性。此外，对于没有硬壳层、具有局部硬壳层和完整硬壳层的软土基础的水平位移特性的比较分析仍然缺乏。

基于此背景，本研究系统研究了硬壳层在超载作用下控制深层软土水平位移的影响机制。本研究基于在沿海软土区域进行的大规模现场超载加载试验，对有硬壳层和无硬壳层的区域的倾角仪监测数据进行了比较分析。本研究提出了一个具有固定底端和四种类型顶部边界约束的弹性梁理论模型，以解释在不同硬壳层条件下的倾角仪管变形特性。此外，根据现场观测结果开发了一种用于校正受局部硬壳层影响的水平位移监测数据的方法。为了进一步阐明影响机制和参数敏感性特性，使用ABAQUS进行了三维数值模拟，重点研究了硬壳层厚度和弹性模量的影响及其耦合效应。

测试概述

测试地点位于福州可门港铁路支线附近的海洋平原地区。该地区具有代表性的地质条件和深厚的软土层，是研究硬壳层如何影响超载作用下软土侧向位移的理想场所。从上到下，地层包括淤泥（厚度24.8米，工程性质差，属于松散结构的滨海相沉积物）；

硬壳层影响模型的建立

在软土填筑项目中，通常使用倾角仪来监测水平位移。倾角仪数据可以用来研究硬壳层如何影响土壤运动，从而了解整个场地的变形特性和深度依赖性趋势。通常，倾角仪管的底部会穿透到不受软土滑动影响的稳定地层中，因此可以将底部视为固定边界。

软土水平位移数据的校正

由于地表局部硬壳层对下层软土和倾角仪管上段的水平位移的约束作用，原始的倾角仪读数无法准确反映软土层在超载作用下的实际位移行为，因此需要对倾角仪测量结果进行适当的校正。通过比较不同深度倾角仪管的变形响应

数值模型的建立

为了研究硬壳层的关键参数如何调节大范围超载作用下软土的水平位移，使用ABAQUS建立了三维数值模型，有限元网格如图12所示。该模型长度为100米，宽度为50米，深度为45米，足以消除边界效应，提高模拟结果的准确性和物理真实性。根据现场地质数据，土壤层

结论

地表硬壳层的存在显著影响了软土水平位移监测数据的可靠性。通过现场监测、理论推导和与现有文献的交叉验证，研究了硬壳层对超载作用下深层软土位移的机械影响。为不同的硬壳层条件建立了三种不同的位移模式及其相应的分析模型

作者贡献声明

吴敏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式分析，数据管理，概念化。张玲：验证，软件。邓涛：资源，项目管理，调查。刘奇健：可视化，验证，资源获取。陈永勇：可视化，验证。张远航：方法论，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52178331）的财政支持。