K0應力路徑試驗在上海地區工程勘察中的應用

馮雪威

(上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072)

0 引言

上海市對地下空間的開發利用一直在不斷的挑戰勘察設計水平的新高度，常規的勘察手段及試驗參數逐漸無法滿足復雜環境下深大基坑的變形設計要求。上海地區位于長江三角洲入海口東南前緣，淺部普遍分布有厚度較大的軟粘性土[1]。軟粘性土具有含水量高、壓縮性高、靈敏度高、孔隙比大、抗剪強度低等特點[2-4]，在基坑開挖過程中極易產生變形，引發工程安全事故[5-6]。對土的變形特性研究發現，其變形特點不僅與土的組成、結構、物理狀態等基本特性有關，還與土的受力條件，即應力路徑、應力歷史密切相關[7-9]。因此，基坑工程的勘察階段必須針對工程性質，并結合地基土特性，采取代表性的土樣，在符合或接近實際應力狀況的條件下進行試驗，才能獲得較為真實的應力變形計算指標，為后續設計階段提供更為精準、可靠的地質勘察資料[10-11]。

上海地區在進行軟粘性土的變形特性試驗時，普遍采用側限壓縮試驗(亦稱固結試驗)，有時也采用常規三軸壓縮試驗(亦稱三軸剪切試驗)，上述試驗由于側向壓力保持不變，當施加的豎向力增大到某一值后，變形參數結果往往失真，而K0應力路徑下的三軸壓縮試驗則不受施加荷載大小的限制，加壓或卸荷過程中始終保持K0狀態，可以較為真實地反映土體在天然狀態下的變形情況[12-15]。但受實驗室水平、工程造價及技術人員固有思維的限制，勘察過程中極少進行對原狀土在不同應力路徑下的變形及強度試驗研究，這使得報告中提供的參數不能很好地和基坑開挖卸荷過程中土體的實際變化相吻合[16-17]。因此工程勘察技術人員非常有必要加強了解不同應力路徑下卸荷三軸試驗的原理及影響，并可以準確地應用到深大基坑項目工程勘察設計的實際工作中去。

本文以上海市徐家匯某深大基坑項目為例，介紹該項目基坑開挖及影響深度內粘性土在K0應力路徑下的三軸加荷-卸荷-再加荷試驗成果，并進行簡要的分析討論。

1 工程概況

上海市徐家匯某深大基坑項目位于上海繁華的徐家匯商業區，場地周邊主要為高層商業辦公樓或住宅樓，東側鄰近地鐵11號線徐家匯站，且場地內北側下方為地鐵9號線區間隧道，周邊環境極其復雜。本工程場地內下設有-1～-6層整體地下室，開挖深度一般在6～32 m，局部最深約37 m，基坑安全等級屬于一級，地下建筑面積約250000 m2，屬于典型的深大基坑工程。

本工程場地屬于上海地區五大地貌單元中的濱海平原地貌類型，依據勘察揭遇地層資料，場地位于古河道沉積區，普遍缺失暗綠色粘性土，相應沉積了較厚的灰色粘性土，基坑開挖及影響深度范圍內(按2.5倍開挖深度考慮)主要地基土物理力學性質參數詳見表1，從表中可知，淺部軟粘性土明顯具有含水量高、壓縮性高、孔隙比大、強度低等典型軟土的工程地質特性，上述軟弱土層在基坑開挖時坑底會產生一定程度的卸荷回彈，特別是本項目位于地鐵9號線上方，-1F地下室基坑開挖時由于卸荷作用，易引發地鐵上浮[18-19]，亦可能造成工程樁受力變形，甚至斷樁[20-22]，因而準確地獲取開挖范圍內軟土的變形模量對工程安全至關重要。

表1 主要土層物理力學性質參數Table 1 Major parameters of soil physical and mechanical properties

2 試驗方法

本工程應力路徑三軸試驗采用多功能應力-應變自動控制的應力路徑三軸儀，剛性密封式的三軸容器，土樣直徑為61.8 mm(面積為30 cm2)，土樣高度為120 mm[23]。經多方討論，綜合地基土特性、土層對基坑開挖的影響程度、設計要求及試驗周期等方面，確定試驗所使用土樣取自深基坑范圍內3個鉆孔中不同深度的共16筒土樣(均為Ⅰ級樣)，主要為基坑開挖范圍內的灰色淤泥質粘土、灰色粘土、灰色粉質粘土及灰綠色粉質粘土。

試驗方法：通常三軸試驗采用等向固結狀態，而天然土層中的初始應力一般處于各向異性的應力狀態，即K0固結狀態，故本次試驗在K0狀態下按土樣的自重應力進行連續加荷排水試驗[24-26]，記錄在加荷條件下的豎向應力σ1、側向應力σ3、豎向變形Δh(s)；加荷至自重應力后開始以同樣的速率卸荷至零，并記錄σ1、σ3、Δh(s)；再以同樣的速率再次進行加荷試驗，直至以2倍的自重應力結束，并作記錄。試驗過程中以應力應變控制方法向試樣施加或卸除豎向應力，應變速率控制在8×10-5/min。

3 試驗成果分析

本次試驗共進行16組，以G7-15號土樣為例，單個土樣加荷、卸荷、再加荷過程的試驗數據詳見表2、圖1，16組數據剔除異常值按土層整理后統計結果(平均值)詳見圖2～圖5。

表2 G7-15號土樣試驗數據Table 2 Test data of No.G7-15soil sample

注：取土深度26.1～26.4 m。

由圖1中數據可知，土樣的加荷-卸荷-再加荷過程均在K0條件下，即σ1=σ3/K0，試驗過程中同時記錄主應力σ1和圍壓σ3，通過對土樣施加應力的調節，控制土樣徑向應變為零，并獲得靜止土壓力系數K0值，可以看出，K0在加荷過程中逐漸減小，而在卸荷回彈過程中逐漸增加。根據土力學基本理論，土的變形模量計算公式為：

圖1 G7-15號土樣加荷-卸荷-再加荷統計結果Fig.1 Statistical results of loading-unloading-re-loading of soil sample No.G7-15

圖2 灰色淤泥質粘土加荷-卸荷-再加荷統計結果Fig.2 Statistical results of loading-unloading-re-loading on gray silt clay

圖3 灰色粘土加荷-卸荷-再加荷統計結果Fig.3 Statistical results of loading-unloading-re-loading on grey clay

Es=Δσz/Δεz

(1)

式中：Δσz——主應力增量；Δεz——主應力方向應變增量。

圖4 灰色粉質粘土加荷-卸荷-再加荷統計結果Fig.4 Statistical results of loading-unloading-re-loading on gray silty clay

圖5 灰綠色粉質粘土加荷-卸荷-再加荷統計結果Fig.5 Statistical results of loading-unloading-re-loading on gray-green silty clay

由圖2～圖5可以看出，土樣的卸荷模量在整個實驗過程變化尤為顯著，土樣卸荷模量數值遠遠大于加荷模量及再加荷模量數值，一般為10～20倍，且回彈變形量遠遠小于加荷時產生的壓縮變形量，卸荷曲線亦無法回到原點，這主要是因為土體為彈塑性材料，在主應力的作用下，土體在加荷過程中會產生一部分的塑性變形，如土體顆粒破碎或顆粒排列結構發生變化形成更穩定的結構，此部分變形為不可恢復變形，而回彈量往往為土體的彈性變形、粒間結合水膜變形等，此部分為可恢復變形。

隨著主應力增加，土樣的加荷模量、再加荷模量大體呈逐漸變大的趨勢，當變形模量增大后又呈減小的趨勢后，土樣可能趨近于破壞狀態。這主要是因為在2次加荷過程中，土樣發生排水固結，土體中孔隙體積逐漸減小，同時固體顆粒排列逐漸緊密，強度提高，致使土樣越發難以壓縮，但相對于灰色粉質粘土和灰綠色粉質粘土而言，灰色淤泥質粘土和灰色粘土變化不顯著，可能是因為此2層地基土土性軟弱，含水量較高，孔隙比較大，土樣在試驗過程中發生排水固結的速率較慢，固結效果不明顯，強度提高亦有限。進一步對比不難發現，再加荷壓縮變形量普遍小于第一次加荷產生的壓縮變形量，說明第一次加荷過程中土樣完成了部分固結，并且產生了一部分不可恢復變形，壓縮性逐漸減小，即表現為再加荷模量亦明顯提高。

此外，對于不同深度的粘性土而言，隨著深度和自重應力的增加，土體在天然狀態下的固結程度逐漸變好，加荷模量、卸荷模量及再加荷模量亦逐漸變大，越來越有利于基坑開挖施工和卸荷回彈的控制，而淺部的淤泥質土及軟粘性土由于固結程度較差，壓縮性高，開挖過程中產生的變形亦較大，對于沉降控制變形敏感的基坑應加強圍護設計及監測，同時還需注意較大的回彈量可能會引發斷樁等樁基質量問題。將圖2～圖5的數據結果和土層常規固結壓縮試驗比較可知，土樣的再加荷變形模量與常規固結試驗得到的壓縮模量Es0.1-0.2相比，前者明顯大于后者，一般為3倍左右，可見軟粘性土的變形模量受應力路徑的影響較為顯著。K0應力路徑下獲得的變形模量應用在基坑工程設計及模擬時，可以較真實地反映基坑開挖過程中土體的實際變形情況，從而有利于為設計人員提供更合理的基坑圍護設計方案和相關參數，在確保工程安全的前提下，降低工程造價，避免安全儲備過高造成的工程浪費。

4 結論

(1)軟粘性土的變形模量受應力路徑的影響較為顯著，K0應力路徑下加荷-卸荷-再加荷試驗，可以較為真實地反映土體在天然狀態下進行基坑開挖過程中的卸荷、再加荷時的工程變形特性。

(2)土樣卸荷模量數值遠遠大于加荷模量及再加荷模量數值，而回彈變形量遠遠小于加荷時產生的壓縮變形量；土樣的加荷模量、再加荷模量大體呈逐漸變大的趨勢，相比較而言，灰色淤泥質粘土和灰色粘土數值均較小，變化亦不明顯，此2層地基土對基坑開挖時的邊坡穩定性和樁基均較為不利。

(3)對于周邊環境復雜的深大基坑，真實地反映出土體在天然狀態下的變形參數對基坑設計至關重要，而上海地區勘察工程中極少進行K0應力路徑三軸試驗，建議以后在軟土地區的深大基坑工程中加強應用。