重塑黃土卸荷回彈變形特性研究

閆 恩，葉朝良，李瑩輝

(1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050021； 2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

1 概述

在隧道工程、基坑工程等地下工程以及邊坡工程的施工中，巖土體的開挖在一定范圍內(nèi)將會(huì)引起應(yīng)力釋放，產(chǎn)生卸荷回彈變形，土體的應(yīng)力場(chǎng)和強(qiáng)度、變形參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致隧道圍巖變形坍塌和邊坡失穩(wěn)破壞。一直以來對(duì)于其工程設(shè)計(jì)，變形計(jì)算與穩(wěn)定性分析中采用的土體力學(xué)參數(shù)，幾乎都是根據(jù)加荷試驗(yàn)結(jié)果折減得到，然而土的加載和卸荷是兩個(gè)不同的應(yīng)力路徑，土體卸荷回彈變形特性與一般巖土工程加載條件下所表現(xiàn)的特性明顯不同，二者的力學(xué)變形參數(shù)也相去甚遠(yuǎn)，用加載條件下的參數(shù)來分析、設(shè)計(jì)巖土工程中的卸載問題，必然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，這類工程事故也屢見不鮮。因此，近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始探索土體卸荷條件下的應(yīng)力變形特性及參數(shù)成為巖土工程中又一熱點(diǎn)問題[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土體卸荷效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，也取得了一定成果。崔廣芹、馬晨光[2]主要研究了黃土基坑卸荷的影響深度，得出了西安黃土的臨界卸荷比和極限卸荷比；張玉、邵生俊[3]進(jìn)行了卸載條件下黃土的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，研究了平面應(yīng)變條件下不同含水率原狀黃土的加、卸載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；李德寧、樓曉明等[4]研究不同深度的不同土層在兩種典型卸荷應(yīng)力路徑下的變形特性，分析了回彈率及回彈模量與卸荷比的變化關(guān)系；潘林有，胡中雄[5]研究了卸荷狀態(tài)下土的回彈及強(qiáng)度問題；陳昆、閆澍旺等[6]對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出采用卸荷指標(biāo)得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度更好；侯曉亮、趙曉豹、李曉昭[7]對(duì)南京河西地區(qū)的軟土卸荷強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；李建民、滕延京[8]研究了土樣回彈及再壓縮的變形特征；賈堅(jiān)、謝小林[9]研究了上海軟土深大基坑卸荷變形的影響深度范圍；劉國(guó)清、柳文濤等[10]討論了卸荷應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的歸一化問題；郭楠、陳正漢等[11]通過非飽和原狀黃土及其重塑土加卸載條件下的三軸試驗(yàn)，得出了基質(zhì)吸力和凈圍壓均對(duì)試樣的強(qiáng)度及變形特性有顯著影響；葉朝良、朱永全等[12]進(jìn)行了對(duì)原狀黃土卸載變形特征的試驗(yàn)，研究得出黃土的卸荷變形與主應(yīng)力差呈線性變化規(guī)律以及原狀黃土破壞的突變性。

目前對(duì)卸荷條件下土體變形特性展開的研究大多針對(duì)軟土和黏土，對(duì)黃土的卸荷變形特性的研究還不太廣泛，對(duì)其內(nèi)在影響因素的研究則更少，本文以寶蘭重塑黃土為研究對(duì)象，通過大量一維壓縮卸荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了其在不同干密度，含水率條件下的回彈變形特性及內(nèi)在機(jī)理；研究了土體在不同預(yù)壓荷載，相同卸荷量條件下回彈率的變化規(guī)律，一定程度上反映了土體回彈率隨著土層深度的增加呈衰減趨勢(shì)，此規(guī)律在其他文獻(xiàn)中鮮有提到，從而為黃土地區(qū)卸荷工程提供相對(duì)可靠的試驗(yàn)依據(jù)和理論支撐。

2 室內(nèi)土工試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 土樣物理性質(zhì)

土樣物理性質(zhì)見表1。

2.2 試驗(yàn)方案

室內(nèi)土工試驗(yàn)采用的是三聯(lián)固結(jié)儀，試驗(yàn)土樣為寶蘭重塑黃土，按土工試驗(yàn)規(guī)定制備試樣。將擾動(dòng)黃土風(fēng)干過篩后，配制成5種不同含水率的土樣，利用常規(guī)制樣方法制成5種不同干密度的試樣，所用環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高度20 mm，并將試樣分級(jí)加載至5種不同預(yù)壓荷載后卸荷，為了取得比較充分的數(shù)據(jù)，共進(jìn)行了多組平行試驗(yàn)。此外，卸荷試驗(yàn)在判斷加卸荷穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)上不同于常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)，采用的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級(jí)加卸荷壓力下，試樣的形變量在1 h內(nèi)不發(fā)生變化，則視為穩(wěn)定，原因是土樣在卸荷階段，其蠕變變形是不可忽略甚至是主要影響部分?；谏鲜銮疤?，具體方案如下：

1)配土：土樣含水率分別為6%，10%，14%，18%，22%。

2)制樣：將每種含水率的土制成干密度分別為1.45 g/cm3，1.55 g/cm3，1.65 g/cm3，1.75 g/cm3，1.85 g/cm3的試樣。

3)預(yù)壓卸荷：將每種試樣(含水率、干密度相同)分級(jí)加荷至200 kPa，600 kPa，1 000 kPa，1 400 kPa，1 800 kPa進(jìn)行預(yù)壓并按原路徑分級(jí)卸荷，具體加卸荷方案見表2，表3。

表2 試驗(yàn)加荷方案

表3 試驗(yàn)卸荷方案

3 卸荷回彈變形分析

3.1 壓縮卸荷變形特性

以干密度1.75 g/cm3，含水率14%，預(yù)壓荷載1 000 kPa的土樣為例，典型壓縮卸荷e-p曲線如圖1所示，表明壓縮與卸荷是兩個(gè)獨(dú)立的過程，本文主要研究重塑黃土的卸荷回彈過程。

3.2 卸荷回彈變形特性

為了分析土樣在卸荷條件下回彈變形的基本規(guī)律，需定義以下指標(biāo)：

1)卸荷比R。

(1)

其中，pmax為預(yù)壓荷載；Δp為卸荷量。

2)回彈率。

(2)

其中，emin為最大預(yù)壓荷載下試樣孔隙比；ei為每級(jí)卸荷后試樣孔隙比。

據(jù)上述定義，試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析如下。

3.2.1 卸荷回彈變形特性

圖2為試樣卸荷過程e-p曲線。圖2中試樣選取的干密度為1.65 g/cm3，含水率為18%，在5種不同的預(yù)壓荷載下卸荷的情況，由圖2可以看出，重塑黃土卸荷回彈變形有以下特征：在不同預(yù)壓荷載下，回彈曲線接近平行；在卸荷量較小時(shí)，回彈曲線近乎水平，只有當(dāng)卸荷量達(dá)到一定程度后，才發(fā)生明顯變形，這與工程中，土體開挖深度越大，回彈越明顯這一現(xiàn)象相吻合。

3.2.2 回彈率與荷載的關(guān)系

圖3為重塑黃土試樣回彈率與荷載的關(guān)系曲線，試驗(yàn)中試樣干密度分別取1.45 g/cm3,1.65 g/cm3和1.85 g/cm3，每種干密度試樣分別進(jìn)行200 kPa，600 kPa，1 000 kPa，1 400 kPa和1 800 kPa的預(yù)壓，每種預(yù)壓荷載都進(jìn)行3組，取其平均值，具體方案見表3。圖3中試樣回彈率為總預(yù)壓荷載卸荷200 kPa后得到的，按照卸荷比定義式(1)，可計(jì)算各試樣卸荷比見表4。

表4 試樣干密度為1.45 g/cm3的回彈率和卸荷比

由圖3可以看出：重塑黃土試樣回彈率隨預(yù)壓荷載增加呈衰減趨勢(shì)，這與附加荷載下，均勻土層中，土體壓縮量隨深度的增加而減小的規(guī)律是相似的，這也與實(shí)際工程中，不同深度的均勻土層，回彈量隨深度增加而衰減的現(xiàn)象是一致的；潘林有等提出了土的臨界卸荷比的概念，即卸荷比在小于一定量時(shí)，土樣幾乎不發(fā)生回彈，這與土性和預(yù)壓荷載等因素有關(guān)。

從圖3可以看出，當(dāng)卸荷比R<0.2時(shí)，回彈率λ≈0；當(dāng)卸荷比大于0.33時(shí)，已經(jīng)有明顯的回彈，據(jù)此得出，在本實(shí)驗(yàn)條件下，黃土的臨界卸荷比應(yīng)該介于0.2～0.33。

3.3 最大回彈率δmax的影響因素分析

試驗(yàn)主要考慮干密度、含水率對(duì)最大回彈率的影響。本組試樣選取五種干密度：1.45 g/cm3，1.55 g/cm3，1.65 g/cm3，1.75 g/cm3，1.85 g/cm3，每種干密度分別對(duì)應(yīng)五種含水率，即含水率6%，10%，14%，18%，22%，25個(gè)試樣的預(yù)壓荷載均為600 kPa。

3.3.1 含水率ω與最大回彈率的關(guān)系

如圖4所示，試樣中，隨著含水率增大，最大回彈率有逐漸增加趨勢(shì)；經(jīng)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，試樣含水率在6%～22%范圍變化時(shí)，其回彈量相差可達(dá)0.07 mm～0.1 mm，可見土體含水率對(duì)回彈量的影響是顯著的。其機(jī)理可從土與水相互作用角度解釋，含水率是影響土體回彈的內(nèi)在因素，在相同卸荷量條件下，一定含水率范圍內(nèi)，含水率增加導(dǎo)致土粒間結(jié)合水膜加厚，對(duì)土粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)起潤(rùn)滑作用，在相同的壓力差下，顆粒變得相對(duì)容易移動(dòng)，造成回彈量增加。

3.3.2 干密度ρd與最大回彈率的關(guān)系

從圖5可以看出，隨著土樣干密度增加，回彈率有衰減趨勢(shì)，經(jīng)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，試樣干密度在1.45 g/cm3～1.85 g/cm3范圍變化時(shí)，其回彈量相差可達(dá)0.02 mm～0.15 mm，可見干密度也是影響土體回彈量的重要因素之一，究其原因，是由于土樣干密度的增大使其顆粒間接觸面增大，從而導(dǎo)致顆粒間摩擦阻力增大，造成回彈量減小。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)重塑黃土回彈變形分析可知，當(dāng)卸荷比R<0.2時(shí)，回彈率λ≈0；當(dāng)卸荷比大于0.33時(shí)，已經(jīng)有明顯的回彈，據(jù)此推斷，在本實(shí)驗(yàn)條件下，黃土的臨界卸荷比應(yīng)該介于0.2～0.33，這與工程中，土體開挖深度越大，回彈越明顯這一現(xiàn)象相吻合。

2)重塑黃土試樣回彈率隨預(yù)壓荷載增加呈衰減趨勢(shì)，這與附加荷載下的均勻土層中，土體壓縮量隨深度增加而減小規(guī)律是相似的，這也與實(shí)際工程中，回彈量隨土層深度增加而衰減的現(xiàn)象是一致的。

3)含水率是影響土體回彈的內(nèi)在因素之一，在相同的卸荷量條件下，土體在一定含水率范圍內(nèi)，含水率增加，回彈率增大，當(dāng)含水率在6%～22%范圍變化時(shí)，試樣回彈量相差可達(dá)0.07 mm～0.1 mm，可見土體含水率對(duì)回彈量影響是顯著的。其機(jī)理為含水率的增加導(dǎo)致土粒間結(jié)合水膜加厚，對(duì)土粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)起潤(rùn)滑作用，在相同的壓力差下，顆粒變得相對(duì)容易移動(dòng)，造成回彈量增加。

4)干密度亦為影響土體回彈的內(nèi)在因素之一，土樣干密度增加，其回彈率有衰減趨勢(shì)，試樣干密度在1.45 g/cm3～1.85 g/cm3范圍變化時(shí)，試樣回彈量相差達(dá)0.02 mm～0.15 mm，究其原因，是由于土樣干密度增大使其顆粒間接觸面增大，從而導(dǎo)致顆粒間摩擦阻力增大，造成回彈量減小。

5)本試驗(yàn)不足之處：首先由于回彈變形中有不可忽略的蠕變變形，相對(duì)于壓縮變形，回彈變形是很小的，因此測(cè)量回彈變形對(duì)儀器的精度要求更高，儀器精度問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)規(guī)律性不太明顯；其次蠕變變形量是隨時(shí)間不斷變化的量，限于時(shí)間因素，本試驗(yàn)還有待完善。希望以后可以通過考慮精度與時(shí)間因素的試驗(yàn)來彌補(bǔ)本試驗(yàn)的不足。