卸荷應(yīng)力路徑下海積軟土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

趙建軍，姜 芯

(天津城建大學(xué) a. 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

卸荷應(yīng)力路徑下海積軟土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

趙建軍a,b，姜 芯a

(天津城建大學(xué) a. 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

利用GCTS空心圓柱扭剪儀對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)第一海相沉積軟土進(jìn)行了卸荷應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)，探討等P、減P應(yīng)力路徑下土樣的應(yīng)力-應(yīng)變、孔隙水壓力、有效應(yīng)力路徑、應(yīng)變速率等特性.試驗(yàn)結(jié)果表明：不同應(yīng)力路徑下土樣的力學(xué)性質(zhì)有很大的不同，減P土樣最終破壞時(shí)的應(yīng)變量要比等P土樣的小很多；不同應(yīng)力路徑下土的峰值強(qiáng)度不同；試樣的孔隙水壓力經(jīng)歷了先增加后減小的過(guò)程，當(dāng)孔壓達(dá)到峰值時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度最小，也是基坑開(kāi)挖最危險(xiǎn)的時(shí)刻.其研究成果可為解決軟土地區(qū)的基坑開(kāi)挖、隧道施工等卸荷工程問(wèn)題提供理論支持.

濱海軟土；卸荷應(yīng)力路徑；力學(xué)性質(zhì)；基坑開(kāi)挖

土的力學(xué)性質(zhì)不僅取決于土的類(lèi)型，而且與其應(yīng)力變化、后期加載及卸荷方式等有關(guān)．Lamber[1]提出的應(yīng)力路徑方法為研究在不同條件下土的強(qiáng)度、變形特性和力學(xué)性質(zhì)提供了一個(gè)合理的方法．后來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同應(yīng)力路徑下黃土、砂土和粗粒料等的應(yīng)力應(yīng)變和變形等特性進(jìn)行了一系列的三軸試驗(yàn)．研究表明，不同應(yīng)力路徑下土的各項(xiàng)性質(zhì)存在著明顯的差異[2-5]．

軟土地區(qū)的基坑開(kāi)挖和隧道工程施工過(guò)程中，周?chē)馏w應(yīng)力場(chǎng)的變化受到土體條件、卸荷水平和施工等多種因素的影響．基坑不同部位土體卸荷的應(yīng)力路徑不同[6-7]．從以往的研究來(lái)看，對(duì)軟土卸荷問(wèn)題的研究重點(diǎn)多集中于變形和強(qiáng)度特性上[8-11]，而對(duì)于卸荷的孔隙水壓力和軸向、徑向變形速率等涉及極少．

目前，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，土壓力的計(jì)算參數(shù)一般取自勘查報(bào)告．由于軟土有區(qū)域沉積的特點(diǎn)，雖然對(duì)參數(shù)的取值各地有一定經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于特定軟土的選取，符合實(shí)際應(yīng)力路徑的參數(shù)才是解決基坑支護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題的根本方法[12-13]．本文利用GCTS空心圓柱扭剪儀，對(duì)濱海新區(qū)軟土進(jìn)行了卸荷應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)，討論其應(yīng)力-應(yīng)變、孔隙水壓力、應(yīng)變速率等特性，為濱海新區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)提供理論支持．

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣品

試樣取自天津?yàn)I海新區(qū)臨港工業(yè)園區(qū)，12～18,m深度的第一海相層沉積的淤泥質(zhì)黏土，并夾有薄的粉土層，原狀土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1．

表1 土樣的物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)所用儀器為美國(guó)GCTS公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪儀，試樣高度100,mm、外徑和內(nèi)徑分別為50，25,mm的空心圓柱體．

飽和：開(kāi)啟GCTS系統(tǒng)，選取空心扭剪模塊進(jìn)行飽和，監(jiān)測(cè)孔壓系數(shù)B，當(dāng)B值達(dá)到95%,時(shí)，即可視為土樣飽和．

固結(jié)：試驗(yàn)主要采取兩種固結(jié)方式，等壓固結(jié)和

K0固結(jié)，固結(jié)時(shí)間為24,h．其中：等壓固結(jié)(σ1＝σ2＝σ3)的圍壓分別是50，100，200,kPa；K0固結(jié)(σ2＝σ3＝0.6σ1)的圍壓分別是50，100，200,kPa．

剪切：試樣不排水剪切，而且保持σ1方向角不變．采用等P、減P兩種應(yīng)力路徑對(duì)試樣進(jìn)行剪切，等P剪切就是在剪切過(guò)程中保持平均主應(yīng)力不變，增加剪切應(yīng)力使試樣達(dá)到破壞；減P剪切就是在剪切過(guò)程中平均主應(yīng)力持續(xù)減小，直至試樣破壞．本試驗(yàn)對(duì)于等壓固結(jié)，試樣采用等P的方式剪切，即Δσ1＝30,kPa/h，Δσ3＝Δσ2＝－15,kPa/h；Δp＝Δσ1＋Δσ2＋Δσ3＝0；對(duì)于K0固結(jié)，試樣采用減P的方式剪切，其中，λ＝Δp/Δq＝－1.0時(shí)分別做pc＝50，100，200,kPa；pc＝100,kPa時(shí)分別做λ＝Δp/Δq＝－1.5，－1.0，－0.5(Δσ1、Δσ2、Δσ3的具體數(shù)值詳見(jiàn)表2)．

表2 加載方式

2 應(yīng)力-軸向應(yīng)變特性分析

圖1為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)．由圖1可知：不同圍壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致，但固結(jié)圍壓的變化對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)形態(tài)有一定影響；相同應(yīng)力情況下，圍壓小的(50,kPa)應(yīng)變較大，反之亦然．圍壓增加，破壞的偏應(yīng)力也會(huì)增加．因此，在實(shí)際的基坑開(kāi)挖工程中，基坑上部的土體易出現(xiàn)破壞．

圖1 應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

表3為各種應(yīng)力路徑下土樣破壞時(shí)應(yīng)變值的大?。萈試驗(yàn)試樣破壞的軸向應(yīng)變?cè)?%,～6%,，較之減P試驗(yàn)(1.5%,～4%,)，可認(rèn)為等P試驗(yàn)土樣的變形能力較強(qiáng)．圍壓為100,kPa時(shí)，在相同應(yīng)變的情況下，λ＝－1土樣偏應(yīng)力最大，而λ＝－1.5和λ＝－0.5土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)幾乎重合，見(jiàn)圖1c．因此，對(duì)不同的應(yīng)力路徑、受力狀態(tài)，即使同一土樣，其破壞應(yīng)變亦不同．

表3 各種應(yīng)力路徑下的破壞點(diǎn)

圖2為相同圍壓下，等P和減P試驗(yàn)的應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)．由圖2可知：相同的圍壓下，等P試驗(yàn)的試樣變形量要大于減P試樣的．原因在于等P試驗(yàn)軸向加壓的同時(shí)圍向減壓，這樣有利于試樣變形的發(fā)展；減P試驗(yàn)軸向及圍向同時(shí)減壓，相較而言，不利于變形發(fā)展．

圖2 相同圍壓下等P和減P試驗(yàn)的應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

相同的圍壓下，減P試樣曲線(xiàn)要陡于等P試樣曲線(xiàn)，原因是側(cè)向卸荷形成的剪應(yīng)力要比軸向加載形成的剪應(yīng)力更容易使土樣發(fā)生剪切變形．周秋娟等[14]在一系列保持軸向荷載不變、逐步降低側(cè)向荷載和軸向加載、保持側(cè)向荷載不變對(duì)比的三軸試驗(yàn)中，也得到相似的結(jié)論．

3 孔壓-軸向應(yīng)變特性分析

圖3為孔壓-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)．由圖3可知：不論是等P還是減P試樣，相同應(yīng)變情況下，圍壓大的(200,kPa)孔隙水壓力較大．

圖3 孔壓－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

由圖3a可知，等P試樣的孔壓先上升，在試驗(yàn)后期略有下降，且未達(dá)到負(fù)值，即略有剪漲趨勢(shì)；由圖3b、3c可知，減P試樣的孔壓在剪切不久后就發(fā)生轉(zhuǎn)折，開(kāi)始下降，且下降數(shù)值較大，基本都達(dá)到負(fù)值．這是因?yàn)槭┘蛹魬?yīng)力時(shí)，土樣不排水，使得孔隙水壓力增加；隨著卸荷過(guò)程的進(jìn)行，剪應(yīng)力增加，變形增大，土樣的內(nèi)部有剪脹的趨勢(shì)，孔隙水壓力就會(huì)

有所降低，而減P試驗(yàn)的卸荷過(guò)程是雙向卸荷，有利于試樣內(nèi)部的膨脹發(fā)育，即剪脹更明顯．

孔壓-應(yīng)變的曲線(xiàn)規(guī)律反映出不同卸荷方式對(duì)試樣內(nèi)孔隙水壓力的影響不同．在固結(jié)圍壓相同的情況下，當(dāng)λ＝－1.5時(shí)，開(kāi)始卸荷后，孔壓逐漸上升，峰值出現(xiàn)最早也最大；當(dāng)λ＝－0.5時(shí)，開(kāi)始卸荷后，孔壓沒(méi)有明顯上升，在破壞變形的一半左右，孔壓開(kāi)始逐漸降低，直至破壞．這是因?yàn)椴煌男逗煞绞疆a(chǎn)生不同的偏應(yīng)力，偏應(yīng)力的大小和變化速率影響試樣的孔隙水壓力，如當(dāng)λ＝－1.5時(shí)，偏應(yīng)力最大，孔壓的變化速率最快，峰值最大．

根據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)外界荷載作用于飽和土體時(shí)，土中應(yīng)力被土骨架和土中水氣共同承擔(dān)，但只有通過(guò)土顆粒傳遞的有效應(yīng)力才會(huì)使土體具有抗剪強(qiáng)度．因此，當(dāng)土體的孔隙水壓力達(dá)到峰值時(shí)，土體的有效應(yīng)力最低，抗剪強(qiáng)度最小，所以此時(shí)是基坑開(kāi)挖過(guò)程中最危險(xiǎn)的時(shí)刻．在pc＝100,kPa、λ＝－0.5時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中試樣的孔隙水壓力幾乎沒(méi)有上升階段，這樣土體的抗剪強(qiáng)度保持相對(duì)較高的水平，基坑也就相安全．在實(shí)際工程中可適當(dāng)參考這種開(kāi)挖方式．

4 有效應(yīng)力路徑分析

圖4為有效應(yīng)力路徑變化曲線(xiàn)．由圖4可知，不論是等P試樣還是減P試樣，隨著固結(jié)圍壓的增大，土的峰值強(qiáng)度隨之提高，這反映了土的壓硬性對(duì)土的剛度和峰值強(qiáng)度的影響；等P試樣土的峰值強(qiáng)度高于減P試樣的．

圖4a中等P試樣的有效應(yīng)力路徑曲線(xiàn)近似斜線(xiàn)，只是在試驗(yàn)后期略有轉(zhuǎn)折；圖4b、4c中減P試樣曲線(xiàn)呈C型，隨著剪切應(yīng)力的增加，試樣的有效應(yīng)力曲線(xiàn)發(fā)生轉(zhuǎn)折，這與土內(nèi)孔隙水壓力的變化有關(guān)．如在圖3a中，等P試樣的孔隙水壓力在試樣被剪切破壞前略有減小；在圖4中，曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)折亦是發(fā)生在試樣即將被剪切破壞前．減P試樣的情況也是如此，這反映了土的剪脹特性對(duì)土強(qiáng)度的影響．

取各試樣有效應(yīng)力路徑的峰值在同一直角坐標(biāo)系中，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)性規(guī)律，可得到過(guò)原點(diǎn)的斜率為2.57的直線(xiàn)，見(jiàn)圖4d．

圖4 有效應(yīng)力路徑變化曲線(xiàn)

5 應(yīng)變速率特性分析

圖5為軸向應(yīng)變速率的變化曲線(xiàn)．由圖5可知，等P試樣的應(yīng)變速率明顯大于減P試樣的，這說(shuō)明不同的卸荷方式，將導(dǎo)致試樣不同的應(yīng)變速率．

分析圖5a得知，固結(jié)圍壓小的試樣，其應(yīng)變速率較大，即基坑周邊的上部土體較容易出現(xiàn)破壞．因此實(shí)際工程中應(yīng)注意圍護(hù)，尤其是確保上部支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性．

圖5c表明，固結(jié)圍壓為100,kPa、λ＝－0.5時(shí)，應(yīng)變速率曲線(xiàn)平穩(wěn)，變形速率較為均勻．在實(shí)際的基坑開(kāi)挖中，較為安全．

表4為各種應(yīng)力路徑下的軸向應(yīng)變速率達(dá)到峰值時(shí)試樣的應(yīng)變量．應(yīng)變速率達(dá)到峰值時(shí)，等P試樣的應(yīng)變量要大于減P試樣的．

圖5 軸向應(yīng)變速率的變化曲線(xiàn)

表4 各種應(yīng)力路徑下的軸向應(yīng)變速率峰值

6 結(jié) 論

(1)同一種土樣由于受力狀態(tài)、應(yīng)力路徑不同，土樣的力學(xué)特性亦不同．因此在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)不同的土體深度、卸荷方式等采取相應(yīng)的圍護(hù)措施．基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑上部土體更容易破壞，所以在實(shí)際的基坑工程中，尤其應(yīng)注意上部土體的圍護(hù)與安全監(jiān)測(cè)．

(2)不同應(yīng)力路徑下土樣的孔隙水壓力一般都經(jīng)歷了先增加后降低的過(guò)程；當(dāng)孔壓達(dá)到峰值時(shí)，土體的有效應(yīng)力最低，抗剪強(qiáng)度最小，因而此時(shí)是基坑開(kāi)挖過(guò)程中最危險(xiǎn)的時(shí)刻．

(3)不同應(yīng)力路徑得到土的峰值強(qiáng)度不同，并且等P試樣土的峰值強(qiáng)度高于減P試樣的．

(4)試驗(yàn)中pc＝100,kPa、λ＝－0.5時(shí)，試樣的孔壓幾乎沒(méi)有增加，土體的抗剪強(qiáng)度較高，而且應(yīng)變速率曲線(xiàn)也相對(duì)較為平穩(wěn)．因此在實(shí)際的基坑開(kāi)挖過(guò)程中，可適當(dāng)參考這種開(kāi)挖方式，基坑土體相對(duì)穩(wěn)定，安全系數(shù)也較高．

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Test Research of Mechanical Properties of Marine Soft Soil Under Unloading Stress Path

ZHAO Jian-juna,b，JIANG Xina
(a. School of Geology and Geomatics；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Triaxial tests under unloading stress path were conducted in first marine sedimentary soft soil of Tianjin Binhai new area by using GCTS hollow cylinder torsional shear apparatus,exploring the tress-strain,pore water pressure,effective stress path,strain rate of soil under two kinds of stress paths：DG (constant P) and DE (reduce P).The experimental results pointed that mechanical properties of soil under different stress paths were quite different. The deformation of DE (reduce P) soil samples are much smaller than the DG (constant P)soil samples,when the soil sample is eventually destroyed. The peak strength under different stress paths is not the different. The pore water pressure of the sample in creases firstly and then decreases. When the pore pressure reaches the peak,the shear strength of soil samples is minimal,which is also the most dangerous moment of excavation. Research results give theoretical support to excavation,tunneling and other geotechnical engineering problems in the soft soil area.

soft soil in the Binhai new area；unloading stress path；mechanical properties；excavation

TU447

A

2095-719X(2015)04-0267-06

2014-11-07；

2015-04-01

天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2011SCEEKL006)；天津市教委重點(diǎn)項(xiàng)目(2013ZD03)；天津市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(13JCZOJC35500)

趙建軍（1972—），男，山東肥城人，天津城建大學(xué)副教授，博士．