不同應(yīng)力路徑下上海地區(qū)軟黏土三軸試驗研究

胡立明

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著城市化的快速推進，地下空間的開發(fā)變得如火如荼，開發(fā)深度不斷增大，由此也產(chǎn)生了很多工程難題，其中之一便是開挖卸荷導致的土體力學性質(zhì)的變化。對深基坑工程而言，擋土結(jié)構(gòu)在施工和開挖階段都會引起應(yīng)力變化。其變化程度取決于初始應(yīng)力、施工方法和開挖深度等，是一個復(fù)雜的問題。

既有研究已經(jīng)表明，土的力學性質(zhì)不僅取決于土體在最初和最終狀態(tài)下的應(yīng)力水平，還受到應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史等因素的影響[1-2]。為此，相關(guān)學者在研究和工程實踐中開始考慮這一因素。楊光等[3]開展了粗粒料的大型三軸試驗，考慮了常規(guī)三軸、等P 和等應(yīng)力比等不同類型的應(yīng)力路徑，通過試驗研究了應(yīng)力路徑對粗粒料應(yīng)力-應(yīng)變和強度的影響規(guī)律。在已有研究的基礎(chǔ)上，遲明杰等[4]從細觀角度出發(fā)，分析應(yīng)力路徑對砂土變形的影響。應(yīng)宏偉等[5]考慮主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上分析了基坑開挖中的應(yīng)力路徑情況。曾玲玲等[6]通過試驗方法分析了應(yīng)力路徑對天然沉積土的壓縮特性的影響規(guī)律。李校兵等[7]基于GDS 三軸儀開展了不同應(yīng)力路徑下原狀溫州軟土的K0固結(jié)試驗，并基于試驗數(shù)據(jù)建立了不同應(yīng)力路徑下孔壓與應(yīng)變的關(guān)系。李保平等[8]利用自行改造的三軸儀對側(cè)向卸荷情況下的原狀黃土開展試驗，并通過與常規(guī)試驗的對比，指出工程設(shè)計中應(yīng)選擇與應(yīng)力路徑相符的土體參數(shù)。孔亮等[9]開展了常剪應(yīng)力路徑下含氣砂土中的三軸試驗。郭玉良等[10]開展了不同基質(zhì)吸力下的三軸試驗，設(shè)置了加壓和減壓兩種應(yīng)力路徑，得到了污染土的強度參數(shù)和強度公式。上述研究表明，在基坑工程開挖卸荷過程中，應(yīng)力路徑的影響必須考慮。

近年來，上海地區(qū)建造了眾多深基坑工程，部分基坑深度已超過70 m，以往工程設(shè)計所采用的土體本構(gòu)模型一般通過常規(guī)三軸試驗得到，未考慮應(yīng)力路徑的影響。而實際上，如前所述，土體的開挖是個逐漸卸荷的過程，土體應(yīng)力狀態(tài)處在不斷的變化過程中。鑒于此，本文擬采用GDS 應(yīng)力路徑三軸試驗系統(tǒng)，開展不同應(yīng)力路徑下土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究，以便為相關(guān)工程提供參考。

1 試驗步驟

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗所采用的GDS 系統(tǒng)由計算機自動控制，可以完成不同應(yīng)力路徑下的三軸試驗。另外，還可以模擬實際工況中荷載的變化情況，且試驗過程中的垂直向應(yīng)力和水平向應(yīng)力可以同時改變。試驗系統(tǒng)主要包括分析和控制軟件、應(yīng)力路徑三軸壓力室、壓力控制器等。其中，三個壓力器分別用來控制軸向應(yīng)力和位移、圍壓和施加反壓，并測量體積的變化情況。

1.2 試驗方案

試驗過程中的應(yīng)力路徑如圖1 所示，其中AB和DE為常規(guī)的三軸壓縮CTC 路徑，AC和DF為減壓的三軸壓縮RTC 路徑。路徑的設(shè)計綜合考慮了天然土層的各向異性和應(yīng)力路徑對土體應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系的影響。詳細試驗方案見表1。

圖1 p-q 空間應(yīng)力路徑

表1 試驗方案

1.3 試驗步驟

試驗主要包括以下步驟：

（1）土樣采集與制備。試樣取自上海深隧項目現(xiàn)場，兩組試樣的取樣深度分別為25 m 和50 m。通過室內(nèi)試驗測得土樣的一系列物理力學指標，分別為：含水率32%，比重2.70，液限29.35%，塑限25.30%，塑性指數(shù)Ip=4.05%，液限指數(shù)IL=1.67。

（2）開啟系統(tǒng)，將圍壓和反壓分別設(shè)置為320 kPa和300 kPa，以便使試樣飽和。

（3）在保持反壓不變的基礎(chǔ)上，增加20 kPa 圍壓，并計算孔壓系數(shù)B。若B值到達0.93 以上，則視土樣為飽和；否則需要重新進行試樣飽和。

（4）將反壓保持在300 kPa，進行等向固結(jié)。隨后根據(jù)應(yīng)力比設(shè)置圍壓進行非等向固結(jié)，直至固結(jié)度達到98%。

（5）關(guān)閉排水閥門，開展三種應(yīng)力路徑下的不排水試驗。試驗中對常規(guī)三軸和減壓三軸應(yīng)力路徑分別采取標準三軸試驗?zāi)K和Advance loading 試驗?zāi)K。

（6）試驗結(jié)束后，描述試樣在破壞后的性狀，并測定試樣的含水量。

1.4 計算參數(shù)選取

該深基坑周圍土體的物理力學參數(shù)根據(jù)工程勘察資料確定，設(shè)定的試驗參數(shù)見表1。且由于開挖之前已經(jīng)進行了降水作業(yè)，故忽略地下水的影響。

2 試驗結(jié)果

采用GDS 三軸儀開展試驗，試驗數(shù)據(jù)處理后，可得到土體峰值強度、孔壓、有效應(yīng)力路徑和變形規(guī)律。同時進行了深層原狀黏性土在開挖應(yīng)力路徑下的試驗，分析了加載和卸載兩種情況下土體的變形與強度的關(guān)系，并據(jù)此對卸載狀態(tài)下的土體本構(gòu)模型進行了修正。

2.1 不排水試驗時的峰值強度和孔壓

2.1.1 常規(guī)三軸試驗

通過常規(guī)三軸試驗得到的應(yīng)力- 應(yīng)變（q-εa）關(guān)系曲線、孔隙水壓力- 應(yīng)變（u-εa）關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2（a）可知，q-εa關(guān)系曲線為非線性，在試驗前期，基本呈應(yīng)變硬化的規(guī)律，而后期則呈現(xiàn)出較為輕微的應(yīng)變軟化。試驗過程中由于體積不變，試樣通過內(nèi)部壓力的調(diào)整來減小有效圍壓。由圖2（b）可知，試驗初期的孔壓迅速增大，其后基本保持穩(wěn)定，而試驗后期則又有所減小。

圖2 CUCTC 試驗的q-εa 與u-εa 關(guān)系曲線

定義峰值強度qmax為所能承受的最大剪應(yīng)力，σm0=（σa0+σr0）/3 為平均固結(jié)壓力，則常規(guī)三軸不排水試驗的參數(shù)見表2。經(jīng)對qmax～σm0進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩者存在如下關(guān)系：qmax=1.6σm0。另外，試驗過程中最大孔壓umax隨平均固結(jié)壓力σm0的增加而增大，且大致呈如下線性關(guān)系：umax=0.34σm0。

表2 常規(guī)三軸不排水試驗q～εa 參數(shù)表

2.1.2 減壓三軸試驗

減壓三軸試驗在非等向固結(jié)時的q-εa關(guān)系曲線與u-εa關(guān)系曲線如圖3 所示。由圖3（a）可知，q-εa關(guān)系曲線具有明顯的非線性特性，且呈應(yīng)變硬化。由圖3（b）可知，孔隙水壓力為負值且隨圍壓的增大而增大，由于產(chǎn)生的是負孔壓，在試驗結(jié)束的時候，即使側(cè)向壓力完全卸掉，仍然會保持一定的有效壓力，因此，試樣仍具有一定的強度。

圖3 CURTC 試驗的q-εa 與u-εa 關(guān)系曲線

減壓三軸試驗中的峰值強度q"max也隨著平均固結(jié)壓力σ"m0的增大而增大，經(jīng)對q"max～σ"m0進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩者存在如下關(guān)系：q"max=1.1σ"m0。

2.2 不排水條件下的有效應(yīng)力路徑

2.2.1 常規(guī)三軸試驗

常規(guī)三軸試驗中的應(yīng)力路徑如圖4 所示。由圖4可知，土體的峰值強度會隨著所施加的平均固結(jié)壓力σm0的增大而增大。在整個試驗過程中，p" 逐漸增大，且增大趨勢在后期更為明顯。另外，不同p" 所對應(yīng)的有效應(yīng)力路徑非常類似，基本都呈S 形。

圖4 CUCTC 試驗的有效應(yīng)力路徑

2.2.2 減壓三軸試驗

減壓三軸試驗中的應(yīng)力路徑如圖5 所示。由圖5可知，若固結(jié)條件相同，得到的應(yīng)力路徑都是相似的。另外，隨著平均固結(jié)壓力σm0的增大，非等向固結(jié)下得到的土樣峰值強度逐漸增大。這是土體壓硬性影響的結(jié)果。

圖5 CURTC 試驗中的有效應(yīng)力路徑

綜合圖4 和圖5 的結(jié)果可知，常規(guī)三軸試驗與減壓三軸試驗的應(yīng)力路徑因孔壓和應(yīng)力的不同而表現(xiàn)出明顯的不同。具體而言，應(yīng)力路徑在常規(guī)三軸試驗中呈現(xiàn)S 形，有兩個拐點；而在減壓三軸試驗中則呈現(xiàn)出倒L 形，且僅有一個拐點?？讐涸谟行?yīng)力路徑的形成中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，上述兩類試驗分別產(chǎn)生正孔壓和負孔壓。由此可知，有效應(yīng)力路徑在其形成的過程中受到加卸荷情況和先期固結(jié)壓力等因素的綜合作用。

2.3 不排水條件下試樣的變形規(guī)律

2.3.1 常規(guī)三軸試驗

常規(guī)三軸試驗的εa-p" 與u-εa關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6（a）可知，在常規(guī)三軸試驗中，εa-p"曲線近乎呈S 形，有兩個拐點，一個出現(xiàn)在試驗初期（此時應(yīng)變很小，約為0.29%，），在此之前p"迅速增大，此后p"逐漸減小直至到達第二個拐點，之后p" 又逐漸增大直至試樣破壞。由圖6（b）可知，孔壓隨著應(yīng)變的增大先迅速增大，達到最大值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖6 CUCTC 試驗的u-εa 與εa-p" 關(guān)系曲線

2.3.2 減壓三軸試驗

減壓三軸試驗由應(yīng)力控制，試驗初始階段，有效應(yīng)力p"逐漸降低且孔壓基本為負值；當應(yīng)變大于2%時，p"才會逐漸趨于穩(wěn)定，如圖7 所示。

圖7 CURTC 試驗的εa-p"關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

（1）在不排水條件下，常規(guī)三軸試驗和減壓三軸試驗的q-εa關(guān)系曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性特性，且后者還呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化的規(guī)律。

（2）常規(guī)三軸試驗與減壓三軸試驗的應(yīng)力路徑明顯不同，其中前者呈明顯的S 形，有兩個拐點，產(chǎn)生的是正孔壓；而后者則呈倒L 形，只有一個拐點，且產(chǎn)生的是負孔壓。

（3）在常規(guī)三軸試驗中，εa-p" 曲線近乎呈S 形，有兩個拐點。在減壓三軸試驗中，試驗初始階段，有效應(yīng)力p"逐漸降低且孔壓基本為負值；當應(yīng)變大于2%時，p"才會逐漸趨于穩(wěn)定。

（4）由于減壓三軸試驗破壞時的應(yīng)變一般較常規(guī)三軸試驗小，因此，需特別注意開挖過程中較小應(yīng)變下的土體破壞。

（5）加卸荷情況下土體的應(yīng)力狀態(tài)存在明顯區(qū)別，基坑開挖是典型的卸荷過程，因此，減壓三軸試驗的結(jié)果更符合基坑內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，在卸荷區(qū)尤其是嚴重卸荷區(qū)進行評估預(yù)測時應(yīng)采用減壓三軸試驗得到的參數(shù)。