側(cè)向卸荷應力路徑試驗與數(shù)值模擬研究

仲曉晨 豐土根 蔣喆琦 趙怡荷

摘 ? 要：為了對比分析軸向加荷與側(cè)向卸荷應力路徑對土體變形特性的影響，本文利用英國進口的GDS應力路徑三軸儀對土體進行了軸向加荷排水剪切試驗與側(cè)向卸荷排水剪切試驗，并利用兩種試驗得到的參數(shù)進行有限元數(shù)值計算，將計算結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析，得到側(cè)向卸荷與軸向加荷各自應力-應變曲線的初始切線模量及有限元計算結(jié)果之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：側(cè)向卸荷 ?應力路徑 ?應力-應變關(guān)系 ?有限元

中圖分類號：TU4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0036-02

在基坑開挖過程中，土體單元應力路徑會隨著土體應力場的改變而改變，起初人們這一問題有不同的觀點，一些學者[1]認為土體中存在加荷的現(xiàn)象，但有些學者認為土體均處于卸荷狀態(tài)[2-3]。目前，已經(jīng)有比較統(tǒng)一的觀點[4]認為圍護結(jié)構(gòu)后側(cè)的土體主要是側(cè)向卸荷，而基坑底部的土體主要為軸向加荷。早期，人們對應力路徑的試驗主要是采用普通三軸儀進行的[5-6]，后期隨著試驗儀器的更新許多學者采用真三軸儀進行應力路徑試驗[7-8]。本文利用GDS應力路徑三軸儀[9-10]對土體進行軸向加荷與側(cè)向卸荷兩種應力路徑試驗，更加嚴謹?shù)膶?cè)向卸荷條件下土體的強度及變形特性進行研究。文中利用加荷與卸荷試驗得到的參數(shù)進行有限元計算，分析支護結(jié)構(gòu)的變形并與工程實測數(shù)據(jù)進行比較，進而更加直觀的比較應力路徑對土體變形特性的影響。

1 ?試驗方案與結(jié)果分析

1.1 試驗土樣

本次試驗采用擾動試樣，土樣為取自蘇州工業(yè)園區(qū)星海街站地下車庫項目的基坑工程附近的典型粘土與粉質(zhì)粘土。土樣的物理力學性質(zhì)指標見表1。土樣大小為39.1m×80m。

1.2 試驗設計

1.2.1 固結(jié)方案

軸向加荷試驗采用等向排水固結(jié)，A組的圍壓為50、100、200kPa，B組的圍壓為100、150、200kPa。側(cè)向卸荷試驗采用偏壓排水固結(jié)，A、B兩組的偏壓應力比分別為K=0.48、K=0.51。A組的固結(jié)壓力終值為50、100、200kPa，B組的固結(jié)壓力終值為100、150、200kPa。

1.2.2 剪切方案

采用應變控制的排水剪切過程，軸向加荷試驗剪切速率為0.0048mm/min，側(cè)向卸荷試驗卸荷速率為10kPa/h。

1.3 試驗結(jié)果分析

1.3.1 不同應力路徑土體的應力-應變關(guān)系

由圖1可知，兩種土樣在不同固結(jié)壓力下的應力-應變曲線均為非線性的上升曲線，應力隨應變的增加而增加呈加工硬化型;同一應力路徑下，土體的切線模量及極限強度隨圍壓的增加而增加;在試驗中，土體的破壞條件均為軸向應變達到15%，說明本次試驗中土體的變形能力都比較大。

側(cè)向卸荷應力路徑下，初始切線模量普遍大于常規(guī)三軸試驗得到的初始切線模量;當應變值很小時，應力-應變關(guān)系曲線進入塑性流動狀態(tài)，并且隨固結(jié)壓力的減小，土地進入塑性狀態(tài)的應變值越小。

由實驗結(jié)果可知，在實際工程中，實測的圍護墻后主動區(qū)土體壓力值在側(cè)向應變較小的情況下，其大小就接近主動土壓力值，從而說明基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移決定著基坑周圍上部土體的破壞程度;在圍壓相同的情況下，土體經(jīng)過側(cè)向卸荷應力路徑后，其達到剪切破壞狀態(tài)時的剪應力明顯小于常規(guī)三軸加荷試驗的破壞剪應力值。這說明，側(cè)向卸荷過程降低了土體抵抗剪切破壞的能力。

1.3.2 不同應力路徑下的抗剪強度

本實驗中采用的破壞準則為應變超過極限應變（15%）而破壞，圖2為不同應力路徑下土體的強度包線。由圖分析可知，粘土與粉質(zhì)粘土兩種土樣，在常規(guī)三軸加荷與側(cè)向卸荷兩種應力路徑下得到的強度指標相近，所以，可以利用常規(guī)三軸試驗所得的強度指標來代替?zhèn)认蛐逗蓱β窂较碌膹姸戎笜恕?/p>

2 ?數(shù)值計算

利用加荷試驗結(jié)果獲得的參數(shù)采用鄧肯-張模型建立模型，在基坑開挖過程中，基坑已經(jīng)降水充分，不考慮非飽和土性質(zhì)和滲流場對土體的影響，采用濕重度，進行二維有限元模擬。

由圖3可得：（1）側(cè)向卸荷的計算結(jié)果與加荷的計算結(jié)果的規(guī)律是相同的，且側(cè)向卸荷的計算結(jié)果小于加荷的計算結(jié)果，兩種計算結(jié)果均大于實測結(jié)果;（2）開挖結(jié)束后墻體的最大變形出現(xiàn)在13m處。計算結(jié)果的最大位移出也出現(xiàn)在這附近;（3）計算結(jié)果與實測結(jié)果的最大值相近，側(cè)向卸荷條件下的計算結(jié)果更貼近于實測結(jié)果。

由此可知應力路徑對土體的變形特性具有一定的影響，在實際工程中，應盡可能的采用與工程實際應力路徑相符的試驗得到土體的參數(shù)進行設計，減少工程造價。

3 ?結(jié)語

（1）兩種土樣在不同固結(jié)壓力下的應力-應變曲線均為非線性的上升曲線，應力隨應變的增加而增加呈加工硬化型;卸荷應力路徑下土樣在應變很小的時候就進入了塑性流動狀態(tài)。

（2）對于抗剪強度指標：粘土與粉質(zhì)粘土兩種土樣，在常規(guī)三軸加荷與側(cè)向卸荷兩種應力路徑下得到的強度指標相近。

（3）利用側(cè)向卸荷試驗結(jié)果得到的支護結(jié)構(gòu)變形更加貼近于實測數(shù)據(jù)，利用其進行設計可以更加節(jié)省材料，減小工程造價。

參考文獻

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[2] 曾國熙，潘秋元，胡一峰.軟粘土地基基坑開挖性狀的研究[J].巖土工程學報，1988，10（3）：13-22.

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