側(cè)向卸荷路徑下天津?yàn)I海軟土強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究

王 沛，柴壽喜，李 晶，陳 建

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 朝陽(yáng)市地震局，遼寧 朝陽(yáng) 122000；3. 中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410075)

隨著天津?yàn)I海新區(qū)的建設(shè)發(fā)展，新區(qū)的建設(shè)逐漸重視地下建設(shè)空間的利用，建筑基坑及軌道交通建設(shè)等工程因而迅速發(fā)展.基坑工程作為一種典型的卸荷工程，軟土地區(qū)基坑的開挖，能引起基坑周邊土體應(yīng)力場(chǎng)的變化，這種變化受土體條件、卸荷水平和施工等多因素影響，基坑不同部位土體卸荷的應(yīng)力路徑是不同的[1-2].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，并取得了許多有益的成果.劉國(guó)斌等[3]利用應(yīng)力路徑三軸儀模擬基坑和隧道施工過(guò)程中的應(yīng)力路徑并進(jìn)行了不同類型的卸荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軟土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力路徑密切相關(guān).何世秀等[4]通過(guò)一系列 K0固結(jié)不排水試驗(yàn)對(duì)武漢地區(qū)有代表性的粉質(zhì)黏土在基坑開挖卸荷條件下的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并與加載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了比較，分析了基坑開挖變形計(jì)算相關(guān)參數(shù)的選取.宰金珉等[5]通過(guò)對(duì)南京河西地區(qū)原狀黏土應(yīng)力路徑試驗(yàn)，得出軸向加荷和側(cè)向卸荷條件下有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一致的結(jié)論.P.G.Hsieh等[6]通過(guò)5種不同方法得出土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)并對(duì)開挖工程進(jìn)行分析計(jì)算，得出采用各項(xiàng)異性不排水強(qiáng)度較為合理.鄭剛等[7]通過(guò)對(duì)天津市區(qū)第一海相層粉質(zhì)黏土卸荷試驗(yàn)，得出該種土在卸荷條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線可用雙曲線形式模擬，而且存在比較明顯的歸一化性狀.曾玲玲等[8]通過(guò)對(duì)廣州南沙典型軟土在不同固結(jié)條件下進(jìn)行了固結(jié)不排水剪應(yīng)力路徑試驗(yàn)，認(rèn)為側(cè)向卸荷會(huì)造成剪應(yīng)力增加、體應(yīng)力減小、從而使土體產(chǎn)生剪脹趨勢(shì).陳林靖[9]等采用應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)S儀對(duì)福州市區(qū)的典型飽和軟土進(jìn)行了一系列應(yīng)力路徑試驗(yàn)，建議以 K0固結(jié)試樣進(jìn)行三軸加、卸載試驗(yàn)確定鄧肯-張模型參數(shù).

筆者選取濱海新區(qū) 9～18 m 深度的海相軟土作為研究對(duì)象，采用應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀，分別進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU)、三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)(CU)以及模擬基坑開挖時(shí)主動(dòng)區(qū)側(cè)向卸荷減p應(yīng)力路徑試驗(yàn)(DEP)，對(duì)比分析不同試驗(yàn)條件下土的強(qiáng)度參數(shù)以及基坑開挖卸荷對(duì)土的強(qiáng)度參數(shù)、孔隙水壓力等的影響，以期對(duì)濱海軟土地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)有所借鑒.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣

試樣取自天津?yàn)I海新區(qū)第 I海相沉積的粉質(zhì)黏土，灰色、含少量貝殼等雜質(zhì).原狀土樣各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 土層主要物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)采用 SLB-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸 剪切滲透試驗(yàn)儀，如圖1所示.

圖1 SLB-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀

試驗(yàn)步驟如下：首先采用抽氣飽和法對(duì)試樣進(jìn)行真空飽和，根據(jù)試樣的埋深，對(duì)試樣分別進(jìn)行圍壓，依次是50 kPa、100 kPa、200 kPa的三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU)、三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)(CU)以及減p卸荷路徑試驗(yàn)(DEP).UU試驗(yàn)和CU試驗(yàn)進(jìn)行等壓固結(jié)，固結(jié)壓力與圍壓相同；DEP試驗(yàn)采用K0固結(jié).通過(guò)量測(cè)徑向變化量和控制偏差應(yīng)力，測(cè)定試樣 K0值.偏差應(yīng)力按 1.0 kPa/min速率進(jìn)行加載.當(dāng)徑向變形εr＜0.025%，圍壓按0.4 kPa/min速率定時(shí)增加并且到規(guī)定時(shí)間時(shí)，施加偏差應(yīng)力的增量；當(dāng)εr＞0.025%時(shí)，則停止主應(yīng)力差增量的施加，認(rèn)為試樣達(dá)到天然狀態(tài).通過(guò)大主應(yīng)力與圍壓的比值測(cè)定試樣K0值.試驗(yàn)過(guò)程中徑向變形值由式(1)得到

式中：εV為體應(yīng)變，εa為豎向應(yīng)變，εr為徑向應(yīng)變.

不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)和固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)的剪切過(guò)程采用的剪切速率為 0.05 mm/min；K0固結(jié)側(cè)向卸荷(DEP)應(yīng)力控制試驗(yàn)的剪切過(guò)程采用的加卸荷速率為0.4 kPa/min.試驗(yàn)p-q應(yīng)力路徑如圖2所示.

圖2 p-q應(yīng)力路徑

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同應(yīng)力路徑下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同圍壓下UU、CU、DEP試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示.

圖3表明：濱海新區(qū)③-5層粉質(zhì)黏土在UU、CU和DEP三種試驗(yàn)條件下，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線均接近雙曲線，不同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表明土體在應(yīng)變較小時(shí)呈明顯線性，且隨著圍壓的增加更加顯著；UU和CU試驗(yàn)應(yīng)力與應(yīng)變曲線呈硬化特征；而DEP試驗(yàn)應(yīng)力與應(yīng)變曲線呈軟化特征，說(shuō)明試樣呈超固結(jié)性狀，分析原因是與不同應(yīng)力路徑下土的初期固結(jié)狀態(tài)有關(guān).

圖3 不同應(yīng)力路徑下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

UU試驗(yàn)與CU試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線在15%以內(nèi)無(wú)峰值點(diǎn)，其強(qiáng)度破壞值取軸向應(yīng)變?chǔ)?=15%時(shí)相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度作為破壞點(diǎn).DEP試驗(yàn)方法下不同圍壓出現(xiàn)峰值強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變不同，圍壓越大，卸荷剪切的偏差應(yīng)力起始值越大，其破壞峰值越大.不同試驗(yàn)方法具體破壞點(diǎn)見表2.

表2表明：當(dāng)σ3＝50 kPa時(shí)，DEP試驗(yàn)偏差應(yīng)力與CU試驗(yàn)偏差應(yīng)力強(qiáng)度破壞值相差13.3%；而當(dāng)σ3分別為100 kPa和200 kPa時(shí)，UU、CU、DEP試驗(yàn)偏差應(yīng)力峰值依次遞增，且遞增幅度隨著應(yīng)變的減小而逐漸增加，這說(shuō)明一定程度上濱海軟土在不同應(yīng)力路徑下的力學(xué)性狀與初始固結(jié)狀態(tài)有關(guān).

表2 UU、CU、DEP試驗(yàn)的破壞點(diǎn)

2.2 土的強(qiáng)度參數(shù)

不同試驗(yàn)條件下土的強(qiáng)度包線如圖4所示.

圖4 不同試驗(yàn)條件下土的強(qiáng)度包線

表3為UU、CU、DEP試驗(yàn)分別得到的土的強(qiáng)度參數(shù).

圖4和表3表明：①總應(yīng)力條件下DEP試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角與常規(guī)CU試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角相差94.1%，黏聚力二者相差18.7%.說(shuō)明DEP試驗(yàn)對(duì)摩擦角的影響較大，對(duì)黏聚力的影響不大，對(duì)土的抗剪強(qiáng)度存在一定的影響，即K0固結(jié)DEP試驗(yàn)方法測(cè)定的強(qiáng)度比相同圍壓條件下正常固結(jié)土的強(qiáng)度高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象與土樣剪切開始時(shí)相同圍壓條件下密實(shí)度不同有關(guān)；②有效應(yīng)力條件下，DEP試驗(yàn)的摩擦角和黏聚力與CU試驗(yàn)分別相差3.2%和5.5%.說(shuō)明DEP試驗(yàn)對(duì)于有效摩擦角和黏聚力影響較小.決定土的抗剪強(qiáng)度的唯一因素是破壞面上的法向有效應(yīng)力，而與加卸荷方式、排水條件和應(yīng)力路徑等均無(wú)關(guān)，這與有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的唯一性理論是一致的.

表3 土的強(qiáng)度參數(shù)

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)③-5層軟土進(jìn)行不同應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以得到以下結(jié)論.

(1)濱海軟土在不同應(yīng)力路徑試驗(yàn)中，UU和CU試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈硬化特征，側(cè)向卸荷DEP試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線成軟化特征.在不同試驗(yàn)條件下土體在應(yīng)變較小時(shí)均呈明顯線性；在剪切過(guò)程中，不同應(yīng)力路徑條件下，其抗剪強(qiáng)度的破壞點(diǎn)不同.

(2)不同應(yīng)力路徑試驗(yàn)對(duì)濱海軟土強(qiáng)度指標(biāo)c、?有影響，但對(duì)c′、?′的影響較小，符合有效應(yīng)力原理.

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