基坑開挖應(yīng)力路徑對(duì)土體變形影響試驗(yàn)研究①

李永波，劉 麗，董 雪

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津300050;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

0 引 言

研究表明，基坑開挖對(duì)周圍土體變形特性產(chǎn)生顯著影響［1～4］.開挖過程中，不同位置土體經(jīng)歷的應(yīng)力路徑不完全相同［5］，特別地，因開挖深度加深或支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工等原因造成的基坑周圍某些部位土體經(jīng)歷的應(yīng)力路徑十分復(fù)雜.

針對(duì)應(yīng)力路徑對(duì)深大基坑周圍土體變形性狀的影響，顏志雄［6］分析了天津市區(qū)基坑開挖卸載應(yīng)力路徑下土體的變形特性，認(rèn)為軟土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力路徑密切相關(guān);劉暢［7］認(rèn)為應(yīng)力歷史與路徑對(duì)固結(jié)不排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)影響較大，對(duì)有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)影響較小;曾玲玲［8］認(rèn)為不排水有效應(yīng)力路徑與土樣初始固結(jié)狀態(tài)有關(guān)，并且同一固結(jié)狀態(tài)下的有效應(yīng)力路徑具有唯一性;梅國(guó)雄［9］指出經(jīng)過側(cè)向卸荷的土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果明顯不同;胡海軍［10］研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)三軸試驗(yàn)后試樣孔隙比減小，孔隙分形維數(shù)增加;減圍壓三軸壓縮試驗(yàn)后試樣的孔隙分形維數(shù)減小.

實(shí)際上，基坑側(cè)邊土體位置會(huì)隨開挖加深發(fā)生轉(zhuǎn)變，土體經(jīng)歷的應(yīng)力路徑也隨之改變.本文通過試驗(yàn)研究了開挖應(yīng)力路徑對(duì)土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系及其孔壓的影響，探討常規(guī)三軸試驗(yàn)和開挖應(yīng)力路徑試驗(yàn)的土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系及其孔壓變化差異，以及同一部位土體經(jīng)歷不同開挖應(yīng)力路徑的變形差異.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

采用軸向－徑向獨(dú)立加卸載式三軸儀器對(duì)原狀土進(jìn)行考慮應(yīng)力路徑的不排水三軸試驗(yàn).由土性試驗(yàn)測(cè)定原狀土的含水率、重度、液塑限等基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示.

表1 原狀土主要物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

定義基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)之外的土體為基坑側(cè)邊土.開挖中，基坑側(cè)邊土體的應(yīng)力路徑分為兩種:一是軸向應(yīng)力不變，側(cè)向經(jīng)歷連續(xù)卸載;二是軸向應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力均發(fā)生變化.試驗(yàn)結(jié)束條件有兩種:一為試樣破壞或者應(yīng)變達(dá)到15%以上;二是卸載過程中某一方向應(yīng)力卸載為0.試驗(yàn)方案如表2 所示.

表2 試驗(yàn)方案

圖1 開挖面以上坑側(cè)土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系特性

討論應(yīng)力路徑對(duì)基坑側(cè)邊土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的影響特征，同時(shí)比較常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)與應(yīng)力路徑卸載試驗(yàn)中土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的差異.需要說(shuō)明的是部分土樣在卸載試驗(yàn)結(jié)束時(shí)僅表現(xiàn)出變形，并沒達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，故進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，以試驗(yàn)中原狀土最大偏應(yīng)力的1/2 值作為參考對(duì)比數(shù)據(jù)固定值，記作.

圖1 與圖2 為不同初始固結(jié)應(yīng)力相同應(yīng)力路徑條件下的試驗(yàn)與常規(guī)不排水三軸試驗(yàn)獲得的土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線.根據(jù)原狀土取土深度不同，其初始固結(jié)應(yīng)力由計(jì)算獲得.

從圖1 可以看出，相同應(yīng)力路徑下，主應(yīng)力差隨著初始固結(jié)應(yīng)力的增加而增大，該現(xiàn)象與加卸載條件無(wú)關(guān);相同初始固結(jié)應(yīng)力下，應(yīng)變值相等時(shí)，加載條件下的主應(yīng)力差大于卸載條件下的主應(yīng)力差;相同主應(yīng)力差條件下，常規(guī)三軸加載試驗(yàn)應(yīng)變值小于開挖應(yīng)力路徑試驗(yàn)應(yīng)變值，見表3 所示.

表3 q=q50時(shí)的應(yīng)變值

圖2 開挖面以下坑側(cè)土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖2 為兩個(gè)方向應(yīng)力均發(fā)生變化的卸載應(yīng)力路徑試驗(yàn)曲線和常規(guī)三軸不排水試驗(yàn)曲線圖.從圖2 可以看出，常規(guī)三軸不排水試驗(yàn)曲線呈應(yīng)變硬化型，而卸載試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化型.因試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試樣發(fā)生了較大變形或出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，為更清晰顯示土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系在不同應(yīng)力路徑和初始固結(jié)應(yīng)力條件下差異，選擇原狀土最大破壞主應(yīng)力差下的應(yīng)變進(jìn)行分析，記作q=qf，見表4 所示.

表4 q=qf 時(shí)的應(yīng)變值

綜上，圖1 與圖2 中卸載試驗(yàn)曲線經(jīng)歷的應(yīng)力路徑分別為DEP，IDP，DIP.圖1 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)變硬化型，圖2 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為軟化型，相同應(yīng)力路徑下，取相同應(yīng)變時(shí)，主應(yīng)力差隨初始固結(jié)圍壓增大而增大，故可認(rèn)為土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的主要影響因素有應(yīng)力路徑和初始固結(jié)應(yīng)力.土體應(yīng)變硬化型或者應(yīng)變軟化型的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系與經(jīng)歷應(yīng)力路徑有關(guān).

2.2 應(yīng)力路徑下孔隙壓力特征

孔隙壓力的變化規(guī)律是反映土體變形的一個(gè)重要特征.此處重點(diǎn)討論孔隙壓力隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律.圖3 與圖4 為不同應(yīng)力路徑下卸載試驗(yàn)與常規(guī)三軸不排水試驗(yàn)獲得的孔壓－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線.

圖3 開挖面以上坑外土體孔隙壓力－軸向應(yīng)變關(guān)系

圖4 開挖面以下坑外土體孔隙壓力－軸向應(yīng)變關(guān)系

從圖3 可以看出，卸載試驗(yàn)中，土體的孔隙壓力基本為負(fù)值.根據(jù)試驗(yàn)方案，圖3 中有效應(yīng)力P不斷減小，此過程中軸向應(yīng)變不斷增加，孔隙壓力隨之下降.圖4 中孔隙壓力先為正值后為負(fù)值，表明應(yīng)變3%之前土體發(fā)生減縮現(xiàn)象，在3%～5.5%之間土體發(fā)生剪脹現(xiàn)象，而5.5%以后的孔隙壓力為負(fù)值與土體剪脹現(xiàn)象無(wú)關(guān).

對(duì)比分析卸載試驗(yàn)與常規(guī)三軸不排水壓縮試驗(yàn)獲得的原狀土孔隙壓力－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，根據(jù)飽和土固結(jié)不排水孔壓系數(shù)A = u/(Δσ1－Δσ3)可計(jì)算出原狀土常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和卸載試驗(yàn)中Q=Q30的孔壓系數(shù)A50的值進(jìn)行比較，如表5所示.此結(jié)果表明，卸載條件下的孔隙壓力系數(shù)小于常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)值，且常規(guī)三軸試驗(yàn)中孔隙壓力系數(shù)均為正值.

表5 加卸載試驗(yàn)中的孔壓系數(shù)A50

綜上，試驗(yàn)中孔隙水壓力下降可能與土體剪脹有關(guān)，也有可能無(wú)關(guān)，土體是否發(fā)生剪脹現(xiàn)象與應(yīng)力路徑有關(guān).卸載條件下的孔隙壓力系數(shù)小于常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)值，且負(fù)值居多.

3 結(jié) 論

通過研究卸荷條件下應(yīng)力路徑對(duì)土體變形特性的影響可得到如下結(jié)論:

(1)在相同應(yīng)力路徑條件下，以側(cè)向卸載為主的卸載試驗(yàn)，當(dāng)土體應(yīng)變相同時(shí)，主應(yīng)力差隨初始固結(jié)應(yīng)力增加而增大.

(2)相同初始固結(jié)應(yīng)力下，主應(yīng)力差相等時(shí)，原狀土常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)應(yīng)變與卸載試驗(yàn)應(yīng)變的差值范圍隨應(yīng)力路徑的不同而變化.

(3)土體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的主要影響因素為應(yīng)力路徑和初始固結(jié)應(yīng)力;而應(yīng)力路徑是土體孔隙壓力為正、負(fù)值的主要影響因素.

［1］ 劉國(guó)彬，候?qū)W淵.軟土的卸荷模量［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18(6):18－23.

［2］ 劉國(guó)彬，候?qū)W淵.軟土的卸荷應(yīng)力－應(yīng)變特性［J］.地下工程與隧道，1997，2:16－23.

［3］ 何世秀，朱志政，楊雪強(qiáng).基坑土體側(cè)向卸荷真三軸試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，6(26):869－892.

［4］ 鄭剛，顏志雄，雷華陽(yáng)，等.天津市第一海相層粉質(zhì)粘土卸荷變形特性的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(5):1237－1242.

［5］ 鄧袆文.基坑開挖應(yīng)力路徑試驗(yàn)與有限元變形分析的研究［D］.廣州:廣州大學(xué)，2007.

［6］ 顏志雄.卸載路徑下軟土力學(xué)性狀的試驗(yàn)研究及基坑開挖對(duì)臨近樁基影響的分析［D］.天津:天津大學(xué)，2006.

［7］ 劉暢.考慮土體不同強(qiáng)度與變形參數(shù)及基坑支護(hù)空間影響的基坑支護(hù)變形與內(nèi)力研究［D］.天津:天津大學(xué)，2008.

［8］ 曾玲玲，陳曉平.軟土在不同應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性分析［J］.巖土力學(xué)，2009，30(5):1264－1270.

［9］ 梅國(guó)雄，陳浩.坑側(cè)土體卸荷的側(cè)向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(S1):3108－3112.

［10］ 胡海軍，蔣明鏡，彭建兵，等.應(yīng)力路徑試驗(yàn)前后不同黃土的孔隙分形特征［J］.巖土力學(xué)，2014，35(9):2479－2485.