花崗巖殘積粘性土加、卸荷抗剪強度分析

于月娥，程小勇

（1.廣東技術師范學院天河學院，廣東 廣州 510540；2.廣東省水利電力規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510170）

0 引言

隨著城市飛速發(fā)展，地鐵、隧道等地下卸荷工程接踵而至，基坑開挖問題大量涌現，但目前很多土體力學特性均屬于加荷土力學范疇，故類似基坑開卸荷工程設計，通常采用加荷理論公式進行折減或者用加荷試驗所確定各項強度指標值。但事實上，土體加荷過程與卸荷過程是兩種完全不同應力路徑，而應力路徑與土體強度、變形特性密切相關［1］，這使得卸荷工程設計與實際有很大差異，亦是造成塌方、滑坡、支護結構破壞等事故重要原因之一。如果外荷載引起土體應力小于結構強度Pc時，阻止土體壓密；而當荷載減少時，結構強度也會阻止土體膨脹。但在當前地下工程設計中，很少考慮這一本質問題影響。掌握土體在卸荷狀態(tài)下工程性質，根據卸荷各項強度指標進行與卸荷相關工程設計，就能減小與實際情況誤差，并可采取有針對性措施，預防事故發(fā)生。

為研究需要，作者選用廣州地區(qū)基坑開挖工程中花崗巖殘積粘性土（以下簡稱殘積土）為對象，通過加、卸荷試驗，初步研究在加、卸荷狀態(tài)下抗剪強度變化，研究先期固結壓力、含水量及抗剪強度間規(guī)律。

1 試樣制備及試驗過程

1.1 殘積土粒度成份、礦物成份

1.1.1 殘積土粒度成份

為了使顆粒分析成果便于利用和容易看出規(guī)律，需要把顆粒分析資料加以整理并用較好的方法表示出來［2］。目前，常用的方法有表格法和圖解法兩種。本試驗的數據整理采用了這兩種方法（表1）。

從試驗結果數據整理來看，各取樣點的試樣均不含有直徑大于2mm的顆粒，故按深圳法［3］對土進行分類，試驗用土都屬于花崗巖殘積粘性土。

1.1.2 花崗巖殘積粘性土礦物成份分析

花崗巖殘積土礦物成分分析采用X衍射礦物成份分析方法完成。

本次試驗采用荷蘭X′MPD Pro X射線衍射儀對各場地的4個花崗巖殘積土粉晶樣進行了X衍射分析。X衍射礦物成份分析結果見表2。分析結果表明，花崗巖殘積土次生礦物主要為高嶺石，其次為伊利石，原生礦物主要為石英，其次為長石。

表1 各取樣點原狀殘積土試樣顆粒分析成果表Table 1 The particle analysis of the residual soil

1.2 試樣制備

為了控制制備殘積土試樣均勻性，減小試驗數據離散性，制備試樣過程中，在保持土樣干密度不變的前提下，將含水量和密度作為控制指標。制備試樣密度、含水率與制備指標之差控制在±0.02g/cm3與±1％范圍內，平行試樣或一組內各試樣之差值分別要求在0.02g/cm3和1％內。

表2 X衍射物相分析結果Table 2 The results of phase analysis through X diffraction

本次試樣制備采用擊樣法，操作步驟如下：

（1）稱取代表性風干土樣，用碾土器將其碾散，將土樣拌勻，并測定風干土含水量。

（2）將風干土試樣2kg平鋪于不吸水盛土盤內，按式（1）計算試樣所需加水量，按預定含水量用噴水設備往土樣上均勻噴灑所需加水量，拌勻并裝入塑料袋內，然后放置于保濕缸內，靜置備用，靜置時間為24h。

式中：mω——所需加水量（g）；

ω0——風干土含水量（％）；

m0——風干含水量時土樣質量（g）；

ω——要求達到含水量（％）。

（3）根據擊實筒體積和要求干密度，按式（2）計算出制備試樣所需濕土質量，分三層擊入擊實筒內，擊實到所需密度。

式中：m——制備試樣所需濕土質量（g）；

ω實測——實測制備濕土試樣含水量（％）；

ρd——制備試樣所要求達到干密度（g/cm3）；

V——擊實筒體積（cm3）。

（4）擊實完成后，扭動并取下護筒，沿擊實筒頂細心修平試樣。擦凈筒外壁，稱筒與試樣總質量，準確至1.0g，并應符合制備試樣密度、含水量與標準差值要求。

（5）試樣制備盡量迅速，以防水分蒸發(fā)。

1.3 試驗方法及試驗設計

以廣州新造和石碁地區(qū)擾動花崗巖殘積粘性土為研究對象，采用室內常規(guī)土工試驗儀器，模擬地基開挖時土體卸荷過程，測定殘積土卸荷抗剪強度。室內模擬方法為：裝樣-固結-卸荷-直接快剪。

試驗儀器采用電動四聯儀，分別進行一次加載試驗和逐級卸荷試驗。

1.3.1 一次加載試驗強度

將土樣分組，各組試樣分別設定在不同固結壓力下（100kPa、200kPa、300kPa 和 400kPa）固結 24h，穩(wěn)定后立即實施快剪，得到不同固結壓力下殘積土抗剪強度值。

1.3.2 逐級卸荷試驗

將土樣分組，各組試樣分別設定在不同固結壓力下（100kPa、200kPa、300kPa 和 400kPa）固結 24h，穩(wěn)定后分級卸荷（每級卸荷50kPa）。例如200kPa固結壓力作用下，采用分三次卸荷，分別卸荷50kPa、100kPa、150kPa 后在 150kPa、100kPa、50kPa 的豎向壓力作用下立即實施快剪，獲得突然卸荷后殘積土抗剪強度值；其他固結壓力下的卸荷試驗過程與其相同。

2 成果整理及分析

2.1 先期固結壓力及含水量對加荷抗剪強度影響

表3 新造重塑殘積土一次加載試驗結果Table 3 The one loading results of remodeling residual soil in Xinzao area

一次加載試驗成果見表3和表4，將成果整理擬合成曲線如圖1和圖2所示，從關系圖中發(fā)現，不同先期固結壓力下殘積土抗剪強度相差較大。隨著先期固結壓力增加，土體抗剪強度顯著增加，相同含水量試樣400kPa先期固結壓力下抗剪強度是100kPa先期固結壓力下2～3倍；相同先期固結壓力下，殘積土抗剪強度隨含水量不同而變化，新造殘積土抗剪強度隨含水量增加呈拋物線變化，ω=20％近似為拋物線對稱軸，在含水量小于20％時，抗剪強度隨含水量增加而增大；當含水量大于20％時，抗剪強度隨含水量增加而急劇減小。石碁殘積土試樣抗剪強度與含水量有較好線性關系，抗剪強度隨含水量增加而減小?？傮w而言，殘積土抗剪強度隨含水量增加有逐漸減小趨勢。

表4 石碁重塑殘積土一次加載試驗結果Table 4 The a load results of remodeling residual soil in Shiqi area

2.2 含水量對加、卸荷抗剪強度影響分析

為研究含水量變化對殘積土加、卸荷抗剪強度影響，將新造和石碁擾動土制備含水量分別為15.37％、18.00％、22.28％、25.43％ 和 15.73％、18.52％、21.06％、25.50％。各不同含水量試樣一次卸荷抗剪強度見表5～表6，將加、卸荷抗剪強度描點繪圖為圖3～圖4。

圖1 新造重塑花崗巖殘疾粘性土不同先期固結壓力下含水量與抗剪強度關系曲線Fig.1 The curve between shear strength and water content vs，the remodeling granite residual soil under different previous pressure in Xinzao area

圖2 石碁重塑殘積土不同先期固結壓力下含水量與抗剪強度關系曲線Fig.2 The curve between shear strength and water con tent vs t，the remodeling granite residual soil under different previous pressure in Shiqi area

總體而言，卸荷抗剪強度相對加載強度較小，隨著含水量增加，殘積土加、卸荷抗剪強度差值逐漸減小。主要是因為試樣在固結穩(wěn)定后立即卸荷，產生負孔隙水壓力，負孔隙水壓力對土粒產生吸附作用，增加了有效應力。根據有效應力原理分析，產生負孔隙水壓力時，土體強度會增加。由于含水量越高試樣在卸荷后產生負孔隙水壓力越大大，反之較小，故隨著含水量的增加殘積土的加、卸荷剪切試驗強度差值總體呈逐漸減小的趨勢。

表5 新造重塑殘積土一次卸荷試驗結果Table 5 The one unloading results of remodeling residual soil in Xinzao area

表6 石碁重塑殘積土一次卸荷試驗結果Table 6 The one unloading results of remodeling residual soil in Shiqi area

圖3 新造重塑殘積土不同先期固結壓力下加載與卸荷抗剪強度對比Fig.3 The com parison of loading and unloading shear strength of the remodelingresidual soil in Xinzao area under different previous pressure

2.3 先期固結壓力對加、卸荷抗剪強度影響

將新造和石碁不同含水量狀態(tài)下一級卸荷試驗結果（表3和表4）與一次加載試驗結果擬合成對比曲線圖，如圖5～圖12所示。分析先期固結壓力作用對殘積土加、卸荷抗剪強度影響?？傮w而言，加載強度相對卸荷抗剪強度較大，隨著先期固結壓力增加而殘積土加、卸荷抗剪強度差值有減小趨勢。先期固結壓力越小，殘積土加、卸荷抗剪強度差值越大；反之越小?？梢娦逗蓪埛e土抗剪強度影響較大，故在工程設計中，若對于處于卸荷狀態(tài)下殘積土，應考慮卸荷對土體強度影響，設計參數應采用殘積土卸荷抗剪強度指標。

2.4 殘積土加、卸荷抗剪強度指標對比分析

圖4 石碁重塑殘積土不同先期固結壓力下加載與卸荷抗剪強度對比Fig.4 The comparison of loading and unloading shear strength of the remodeling residual soil in Shiqi area under different previous pressure

圖5 新造（w=15.37％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.5 The Comparison of loading and unloading shear strength in Xinzao area（w=15.37％）

圖7 新造（w=22.28％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.7 The Comparison of loading and unloading shear strength in Xinzao area（w=22.28％）

圖6 新造（w=18.00％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.6 The Comparison of loading and unloading shear strength in Xinzao area（w=18.00％）

圖8 新造（w=25.43％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.8 The Comparison of loading and un loading shear strength in Xinzao area（w=22.28％）

逐級卸荷試驗用土為石碁典型殘積土［4-5］，為擾動土，將其制備成w=21.06％重塑土試樣進行逐級卸荷試驗，試驗成果見表7，將其描點作圖如圖13所示。從不同固結壓力作用下，并分級卸荷后土體的抗剪強度隨著卸荷程度的增加，抗剪強度顯著減小，并且各級固結壓力下分級卸荷后，土體抗剪強度的減小趨勢基本一致，變化曲線的斜率基本相等。通過分析曲線還可以發(fā)現卸荷后殘積土抗剪強度不按加載路徑返回，而是殘留一定強度，即殘余強度。并且卸荷曲線均在一次加載強度曲線之上。產生這種現象本文認為：一是殘積土有一定“記憶”性，土體在先期固結壓力作用下，固結穩(wěn)定后立即進行卸荷快剪，土體沒有充分時間進行再次固結穩(wěn)定，其含水量和孔隙比完全不能恢復到加載時相應狀態(tài)，故抗剪強度差值存在；二是土體在卸荷后產生了負孔隙水壓力，卸荷快剪情況下，負孔隙水壓力來不及消散，所以其抗剪強度曲線不會與一次加載試驗快剪結果線重合。這種先加載固結后卸荷立即實施快剪對應于隧道和基坑的快速開挖，其土體還來不及進行再次固結穩(wěn)定（回彈）抗剪強度變化路徑。

圖9 石碁（w=15.73％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.9 The Comparison of loading and unloading shear strength in Shiqi area（w=15.73％）

圖10 石碁（w=18.52％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.10 The Com parison of loading and unloading shear strength in Shiqi area（w=18.52％）

圖11 石碁（w=21.06％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.11 The Com parison of loading and un loading shear strength in Shiqi area（w=21.06％）

圖12 石碁（w=25.50％）加、卸荷抗剪強度對比Fig.12 The Comparison of loading and unloading shear strength in Shiqi area（w=25.50％）

表7 逐級卸荷試驗成果表Table 7 The results under unloading step by step

圖13 加、卸荷抗剪強度與豎向壓力關系曲線Fig.13 The relation between the shear strengths of loading and the unloading，under different vertical pressurs

3 結論

（1）總體而言，重塑殘積土抗剪強度隨含水量增加而減小。

（2）殘積土加、卸荷抗剪強度差值隨含水量增加而減??；隨先期固結壓力增加有逐漸減小趨勢。

（3）土體應力歷史對其強度指標影響較大，基坑開挖有快有慢，時間長短視具體工程項目而定，故土體回彈程度不同，土體強度也隨之不同。

（4）殘積土卸荷抗剪強度理論要比加荷土體復雜，在卸荷工程土體設計中應該采用卸荷抗剪強度指標，尤其在基坑開挖等卸荷工程項目中，應充分考慮卸荷影響，采用土體卸荷抗剪強度指標更符合工程實際。

致謝：本試驗得到了中國地質大學（武漢）工程學院實驗室及老師的大力支持，在此對他們表示感謝!

［1］繆林昌，仲曉晨，等.膨脹土的強度與含水量的關系［J］.巖土力學，1999，20（2）：71-75.M IU Linchang， ZHONG Xiaochen， et al.The relationship between shear strength of expansive soil and water content［J］.Rock and Soil Mechanics，1999，20（2）：71-75.

［2］湖中雄.土力學與環(huán)境土工學［M］.上海：同濟大學出版社，1997，196-205.HU Zhongxiong.Soil mechanics and environment geotechnics［M ］.Shanghai：Tongji University Press，1997，196-205.

［3］SJG1-88，深圳地區(qū)建筑地基基礎設計試行規(guī)程［S］.SJG1-88.The foundation design try-out regulations in Shenzhen area［S］.

［4］廣州市軌道交通四號線工程石碁站詳細勘察階段巖土工程勘察報告［R］.廣東地質勘察基礎工程公司，2005.The geotechnical investigation report of Shiqi of metro line 4 in Guangzhou［R］.Guangdong Geological Prospecting Engineering Company，2005.

［5］廣州市軌道交通四號線新造至石碁區(qū)間詳細勘察階段第二次巖土工程勘察報告［R］.廣東地質勘察基礎工程公司，2005.The second geotechnical investigation report of the section between Xinzao and Shiqi of metro line 4 in Guangzhou［R］.Guangdong Geological Prospecting Engineering Company，2005.