軟土在地下空間開挖等卸載狀態(tài)下的力學性能

王月梅，吳延平，王 軍

(1.江西理工大學 應(yīng)用科學學院建工系，江西 贛州 341000;2.溫州市城建設(shè)計院，浙江 溫州 325035;3.溫州大學 建筑與土木工程學院，浙江 溫州 325035)

我國廣泛分布著深厚飽和軟黏土，特別是長三角、浙江等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。飽和軟黏土工程性質(zhì)極為不良，具有抗剪強度低、壓縮性高、滲透性小、含水量高等特性。隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)展和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，在軟黏土地層上的一些城市基礎(chǔ)設(shè)施暴露出一些問題。

由于地下工程開挖，引起土體卸載。土體在加荷、卸荷路徑下的變形特性有著顯著的差別，而現(xiàn)有的理論基本上都是以加荷試驗為依據(jù)建立的。對于卸荷工程，盡管也能計算(幾乎所有本構(gòu)模型均能適用于加卸荷計算)，但計算結(jié)果往往偏離工程實際。因此本文以溫州市大南門與附二醫(yī)人行過街通道工程為例，研究軟黏土在卸荷路徑下的力學性能和變形性狀，能為實際開挖提供科學依據(jù)，避免工程損失。

1 實驗儀器及試樣制備

1.1 試驗儀器

本試驗儀器設(shè)備主要為GDS 10 Hz/20 kN雙向振動三軸系統(tǒng)，它是由英國GDS公司研制生產(chǎn)的高精度三軸儀，利用高速直流伺服馬達施加動荷載(軸向和徑向)，根據(jù)電子荷重傳感器和位移傳感器的反饋對荷載和變形的大小進行計算機控制。

按不同的試驗要求控制試驗方式，試驗過程可從一種控制方式方便地切換到另一種控制方式。試樣尺寸包括2種，分別為實心樣 φ50.0 mm×100.0 mm和φ39．1 mm×80.0 mm;圍壓控制器的腔體容積為200 000 mm3，最大壓力可達3 MPa。本次試驗采用試樣尺寸為 φ39．1 mm ×80.0 mm。

1.2 土樣制備

試驗采用的土樣取自工程現(xiàn)場，為原狀軟黏土，所取土樣位于地下5.2～5.8 m。為了保證土樣性質(zhì)的一致性，土樣均取自同一層土上。取土后，土樣即放置在恒溫恒濕箱貯存。土樣主要物理參數(shù)見表1。土樣采用活塞式薄壁取土器和均勻連續(xù)壓入法取樣，切取試樣時，力求避免來回涂抹。對同一組原狀試樣，差值應(yīng)＜0.02 g/cm3。裝好試樣后，施加反壓進行飽和，逐漸增加圍壓、反壓分別至300 kPa與280 kPa，然后檢查飽和度B值，如果B值＞95%，飽和完畢。如果B值＜95%，重新同時增加圍壓與反壓，直至B值達到95%。

所有的試樣均為 K0固結(jié)，K0為土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)。試驗采取分級K0固結(jié)方式，即將總荷載分成十級，每級加軸向應(yīng)力 Δσ1的同時加圍壓，目的是防止試樣可能會因為孔隙水來不及排出而造成的偶然破壞，總的固結(jié)時間大于24 h。按照事先設(shè)計好的應(yīng)力路徑進行卸荷，全部試驗過程均不排水。測試內(nèi)容包括軸向應(yīng)力、水平應(yīng)力、軸向位移等。對于某一時刻，土體中某單元可能的應(yīng)力狀態(tài)有如下幾種:A狀態(tài)，垂直向和水平向均卸荷;B狀態(tài)，垂直向卸荷，水平向加荷;C狀態(tài)，垂直向和水平向均加荷。本項目主要研究A、B兩種狀態(tài)。

表1 試驗中軟黏土物理力學指標

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和強度特性

圖1至圖4為不同應(yīng)力路徑卸載后原狀黏土剪切應(yīng)力應(yīng)變和孔壓隨應(yīng)變的關(guān)系曲線，均呈現(xiàn)弱軟化型。A型卸載條件下的偏應(yīng)力峰值小于B型卸載條件下的偏應(yīng)力峰值，表明由側(cè)向卸載在土體中形成的剪應(yīng)力所產(chǎn)生的剪切應(yīng)變大于軸向加載條件下的軸向應(yīng)變。

圖1 A型卸載應(yīng)力

圖2 A型卸載孔壓

與軸向加載條件下的剪切性狀相比，土體在側(cè)向卸荷條件下的應(yīng)力—應(yīng)變規(guī)律沒有發(fā)生質(zhì)的變化，但由于土體側(cè)向變形的原因，使得土體卸荷變形增大。土體側(cè)向卸荷條件下的總應(yīng)力強度參數(shù)均大于軸向加荷條件下的強度參數(shù)，但有效應(yīng)力強度參數(shù)卻相反。這是由于在側(cè)向卸荷時土體產(chǎn)生負孔隙水壓力，使得有效應(yīng)力大于總應(yīng)力。隨著負孔壓力的消散，有效應(yīng)力逐漸降低，使得有效應(yīng)力強度反而低于總應(yīng)力強度，與軸向加荷條件下的強度規(guī)律相反。

圖3 B型卸載應(yīng)力

圖4 B型卸載孔壓

2.2 淤泥的回彈變形

淤泥類軟土具有很高的壓縮性，受到卸荷作用后回彈變形與其它黏土有很大的不同。試驗過程中利用空調(diào)設(shè)備保持實驗室內(nèi)溫度恒定。土樣預(yù)壓荷載分別為 100，200，300，400 kPa。固結(jié)時間為 24 h，然后按不同比例卸荷，變形穩(wěn)定時間定為24 h。由此研究淤泥在不同卸荷水平下的變形規(guī)律。從圖5可以看出:

1)當卸荷比較小時，回彈路徑為一接近水平的直線，即不發(fā)生回彈變形;

2)當卸荷量達到一定水平時，才有較大的回彈變形發(fā)生;

3)最大回彈量與預(yù)壓荷載有關(guān)。

圖5 卸載回彈曲線

2.3 初始卸荷模量與應(yīng)力路徑的關(guān)系

軟土的初始卸荷模量Eui與平均固結(jié)壓力σm密切相關(guān)，要建立初始卸荷模量與應(yīng)力路徑的關(guān)系，必須消除σm對Eui的影響。由初始卸荷模量與 σm成線性關(guān)系可知，歸一化的卸荷模量系數(shù)Eui與σm無關(guān)。

A類荷載下不同應(yīng)力路徑試驗的卸荷模量系數(shù)，見圖6。通過分析，可以得到應(yīng)力路徑與卸荷模量系數(shù)Eui之間的近似關(guān)系，可以看出隨著平均固結(jié)壓力的增加，應(yīng)力路徑試驗的初始卸荷模量亦線性增加。B類荷載下不同的試驗應(yīng)力路徑下的卸荷模量系數(shù)見圖7。隨著應(yīng)力路徑的順時針旋轉(zhuǎn)，Eui隨之逐漸增加，即在同樣的平均固結(jié)壓力條件下，初始卸荷模量亦逐漸增大。

圖6 A類荷載

3 結(jié)論

圖7 B類荷載

1)不同應(yīng)力路徑卸載后，原狀黏土剪切應(yīng)力應(yīng)變和孔壓隨應(yīng)變的關(guān)系曲線，均呈現(xiàn)弱軟化型。A型卸載條件下的偏應(yīng)力峰值小于B型卸載條件下的偏應(yīng)力峰值。

2)軟黏土的卸載孔壓特性研究顯示，在伸長條件下，孔壓先由零逐漸發(fā)展到負的最大值，然后又逐漸減小至零，突破零位后，發(fā)展成為正孔壓并最后到達正的最大值。

3)室內(nèi)試驗顯示，如果忽略短暫的負孔壓階段，歸一化的孔壓與主應(yīng)變成二次關(guān)系，且歸一化孔壓與主應(yīng)變所成的二次關(guān)系與卸載路徑關(guān)系密切。

4)軟土卸荷模量遠大于常規(guī)三軸試驗所獲得的壓縮模量或彈性模量，應(yīng)力路徑對軟土模量的影響非常顯著。

5)初始卸荷模量與平均固結(jié)壓力成線性關(guān)系。

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