卸荷軟土的應(yīng)力路徑及對(duì)強(qiáng)度影響的研究

摘要 軟土基坑卸荷開(kāi)挖，周?chē)馏w應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生變化，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)損傷及工程性質(zhì)變異，最重要是強(qiáng)度降低，這一影響對(duì)坑底土體尤其明顯，土體擾動(dòng)以后的強(qiáng)度才是抵抗基坑變形所能發(fā)揮出的真實(shí)強(qiáng)度值，而通過(guò)常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)提供的基坑設(shè)計(jì)強(qiáng)度參數(shù)并不能很好地與這個(gè)值相吻合，這樣給基坑設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性評(píng)估帶來(lái)較大的誤差，本文分析了這一現(xiàn)象的機(jī)理與規(guī)律。

關(guān)鍵詞 卸荷；擾動(dòng)；應(yīng)力路徑；土的強(qiáng)度；穩(wěn)定性評(píng)估

影響基坑變形與穩(wěn)定性最重要的因素仍然是基坑周?chē)馏w的強(qiáng)弱程度。由于基坑卸荷開(kāi)挖時(shí)周?chē)馏w應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變，土體工程性質(zhì)的變異，尤其對(duì)坑底的土體影響較大。土體強(qiáng)度變化后其抵抗變形的能力將發(fā)生改變。有的文獻(xiàn)[1]并沒(méi)有考慮土體卸荷的強(qiáng)度變化對(duì)基坑變形與穩(wěn)定的影響，不十分合理，因此，研究軟土卸荷強(qiáng)度對(duì)準(zhǔn)確進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)與加固及穩(wěn)定性評(píng)估有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1開(kāi)挖應(yīng)力分區(qū)及坑底土體強(qiáng)度變化規(guī)律

基坑開(kāi)挖過(guò)程就是周?chē)馏w應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)改變的過(guò)程。劉維寧認(rèn)為[4]這個(gè)過(guò)程基坑周?chē)煌瑓^(qū)域土體的應(yīng)力變化特征均可以化歸為各自不同的路徑形式，將其中路徑形式相同的區(qū)域各自識(shí)別出來(lái)，就可把開(kāi)挖卸荷時(shí)基坑周?chē)貙臃譃?個(gè)不同的區(qū)域，如圖1。并認(rèn)為應(yīng)力路徑的分區(qū)特征主要是地層加載和卸載的方式不同所決定的，不隨基坑尺寸、地層條件的變化以及計(jì)算采用的本構(gòu)模型不同發(fā)生變化。

從圖1可以看出，土體卸荷使得各區(qū)域原狀土體的初始應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)均發(fā)生改變，土體出現(xiàn)部分應(yīng)力松弛或集中現(xiàn)象，經(jīng)歷壓縮、擠長(zhǎng)、剪切、壓縮剪切等不同的應(yīng)力路徑。土體沿著各條路徑線發(fā)展到一定程度，就有可能接近或達(dá)到結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度部分喪失。

如圖2表示出了基坑壁與基坑底兩點(diǎn)A、B開(kāi)挖前后的土中應(yīng)力的變化情況。開(kāi)挖前，A、B兩點(diǎn)的初始應(yīng)力分別為A( )和B( )，天然強(qiáng)度分別為 ，開(kāi)挖時(shí)，坑壁的 與坑底的 均減小。則A、B兩點(diǎn)會(huì)沿著各自的應(yīng)力路徑發(fā)生變化，逐漸接近于破壞強(qiáng)度。

李兆平[5]研究了非飽和土中由于開(kāi)挖卸荷作用土體工程性質(zhì)的變化。通過(guò)電鏡試驗(yàn)分析表明，土微觀結(jié)構(gòu)的損傷是導(dǎo)致土體強(qiáng)度發(fā)生變化的內(nèi)因，而損傷的關(guān)鍵仍是基坑卸荷開(kāi)挖土體應(yīng)力狀態(tài)的變化。劉國(guó)彬[7]通過(guò)對(duì)上海某基坑不同開(kāi)挖階段的坑底土體的靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果的試驗(yàn)，對(duì)土體力學(xué)特性在不同開(kāi)挖階段的變化進(jìn)行了研究，得出了卸載下土體強(qiáng)度的大致變化規(guī)律。綜合來(lái)看，土體強(qiáng)度以及抗變形能力等力學(xué)特性隨卸荷開(kāi)挖過(guò)程而變化，被動(dòng)區(qū)狀態(tài)下的土，隨開(kāi)挖深度加大土體力學(xué)指標(biāo)減小幅度加大。

結(jié)果顯示開(kāi)挖前后坑底軟粘土(上海軟土典型層，在該基坑底下0～4米，以及8~13.6米范圍內(nèi)兩試驗(yàn)部分)的標(biāo)貫擊數(shù)平均減小30%左右，比貫入阻力平均減小5%左右，經(jīng)公式換算得到變形模量減小10%左右，不排水強(qiáng)度減小13%左右(如下表1)。

以上均只是指一定開(kāi)挖深度下坑底某段試驗(yàn)深度的平均強(qiáng)度。該試驗(yàn)進(jìn)行的并不徹底，作者認(rèn)為只能從中得出關(guān)于軟土卸荷強(qiáng)度的一個(gè)較模糊認(rèn)識(shí)和抽象結(jié)論。并不能得到隨開(kāi)挖深度變化的軟土卸荷強(qiáng)度規(guī)律，以及一定開(kāi)挖深度的坑底不同位置的軟土卸荷強(qiáng)度規(guī)律。

而文獻(xiàn)[3]認(rèn)為土體卸荷膨脹改變了土的物理狀態(tài)，孔隙比增大，意味著變形增加，強(qiáng)度降低；并表明，卸荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)變小于1%時(shí)，對(duì)強(qiáng)度并沒(méi)有太多的影響。超過(guò)1%以后則會(huì)破壞土的結(jié)構(gòu)，當(dāng)伸長(zhǎng)為5.8%時(shí)，強(qiáng)度降低了20%。因此，軟土卸荷強(qiáng)度與基坑開(kāi)挖深度、支護(hù)樁長(zhǎng)深度，以及在坑底下的試驗(yàn)深度等應(yīng)該是均有關(guān)的。

2軟土卸荷強(qiáng)度的試驗(yàn)測(cè)定

進(jìn)行模擬基坑卸荷時(shí)周?chē)馏w應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)，可以得到軟土的卸荷強(qiáng)度。

將上面基坑開(kāi)挖分區(qū)圖中只歸結(jié)為兩類(lèi)較典型的應(yīng)力路徑線來(lái)進(jìn)行分析試驗(yàn)，如圖。一類(lèi)是基坑側(cè)壁的土體，認(rèn)為開(kāi)挖中軸向應(yīng)力不變，水平向應(yīng)力降低；另一類(lèi)是坑底中心線以下土體，認(rèn)為軸向應(yīng)力下降，而水平向應(yīng)力不變。模擬地基土在卸荷過(guò)程中應(yīng)力路徑的曲線見(jiàn)圖3中1、2兩條直線。

3軟土卸荷強(qiáng)度與常規(guī)取土試驗(yàn)強(qiáng)度間的差異

綜上所述，土體卸荷以后的強(qiáng)度才是抵抗基坑變形所能發(fā)揮出的真實(shí)大小；但基坑設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程并不是依據(jù)土體卸荷影響后的強(qiáng)度進(jìn)行考慮的，而是采用常規(guī)室內(nèi)取土試驗(yàn)的強(qiáng)度值。因此，找出兩者之間的差異對(duì)準(zhǔn)確進(jìn)行基坑穩(wěn)定評(píng)估與加固至關(guān)重要。

為了對(duì)比分析，圖3中也將常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力路徑表示出來(lái)，即直線3，可以看出軟土卸荷強(qiáng)度與常規(guī)取土試驗(yàn)強(qiáng)度取值之間的應(yīng)力路徑之間明顯的差異；因而，室內(nèi)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)得出的土體強(qiáng)度并不能代表軟土的卸荷強(qiáng)度。

以表2的實(shí)測(cè)結(jié)果為例，開(kāi)挖前后土體不排水強(qiáng)度變化13%左右，雖然依據(jù)兩組公式進(jìn)行預(yù)估的開(kāi)挖前的 值也并不代表土體原位天然強(qiáng)度真正大小[13]，但是若采取同一公式計(jì)算的強(qiáng)度變化幅度仍可作為由于卸荷影響的土體原位強(qiáng)度的降低大小。

設(shè)土體原位強(qiáng)度的理論值為 ，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，各種試驗(yàn)類(lèi)型的不排水強(qiáng)度的理論值與 的比較見(jiàn)表3。

由于設(shè)土體原位強(qiáng)度的理論值為 ，則表2中坑底一定深度土體受卸荷影響后的平均強(qiáng)度為0.87 ，根據(jù)表3理想條件下的直剪固快試驗(yàn)、 固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)或等向固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)強(qiáng)度分別為0.95 、1.12 或1.50 左右，明顯高于軟土卸荷強(qiáng)度，其中直剪固快強(qiáng)度與之較為接近。因此，可以初步得出結(jié)論，軟土卸荷強(qiáng)度可能與室內(nèi)直剪固快強(qiáng)度相當(dāng)。而文獻(xiàn)[1]應(yīng)用簡(jiǎn)易法驗(yàn)算基坑穩(wěn)定性時(shí)采用的強(qiáng)度指標(biāo)就是坑底土體的直剪固快指標(biāo)，道理可能就在于此。

而袁靜等 [9]通過(guò)對(duì)杭州地區(qū)軟土進(jìn)行 固結(jié)的常規(guī)以及模擬主動(dòng)區(qū)、被動(dòng)區(qū)應(yīng)力路徑的大量室內(nèi)三軸不排水試驗(yàn)也認(rèn)為，相同的固結(jié)應(yīng)力下，壓縮區(qū)和拉伸區(qū)之間的抗剪強(qiáng)度相差很大，前者接近后者的2倍，而同處于壓縮區(qū)內(nèi)的常規(guī)與模擬主動(dòng)區(qū)的三軸試驗(yàn)其抗剪強(qiáng)度幾乎相等。

4結(jié)論

基坑卸荷開(kāi)挖，坑底軟土應(yīng)力條件發(fā)生變化，產(chǎn)生較大應(yīng)變，當(dāng)發(fā)生1%軸向變形時(shí)土體結(jié)構(gòu)就可能發(fā)生破壞，使得強(qiáng)度降低，稱為軟土卸荷強(qiáng)度；軟土卸荷強(qiáng)度低于土體原位強(qiáng)度，關(guān)于軟土卸荷強(qiáng)度與開(kāi)挖深度、坑底不同埋深點(diǎn)的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究；軟土的卸荷強(qiáng)度可能與土體直剪固快的強(qiáng)度大致相當(dāng)，而低于室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)的強(qiáng)度。研究不同開(kāi)挖深度以及坑底不同試驗(yàn)深度軟土的卸荷強(qiáng)度為計(jì)算土壓力和基坑加固設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。

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Unloading Strength of Soft Clay Research

WU Tong-jin

Abstract:Results of excavation on soft clay foundation is the change of stress and strain of surrounding soil. Furthermore， soil structure breakage and its engineering property variance， and this effect is very obvious on bottom excavation soil. The article explains this kind machanization and regular pattern. To resist the excavation deformation is the disturbed soil ， while not the natural state soil， but we choose the latter soil strength to design the sustaining structure. This difference will give high straggling of design and stability evaluation， and this article try to analyze the difference.

key words: unloading， disturbing， stress path， soil strength， stability evaluation