側向卸荷應力路徑試驗與數值模擬研究

仲曉晨 豐土根 蔣喆琦 趙怡荷

摘 ? 要：為了對比分析軸向加荷與側向卸荷應力路徑對土體變形特性的影響，本文利用英國進口的GDS應力路徑三軸儀對土體進行了軸向加荷排水剪切試驗與側向卸荷排水剪切試驗，并利用兩種試驗得到的參數進行有限元數值計算，將計算結果與實測結果進行對比分析，得到側向卸荷與軸向加荷各自應力-應變曲線的初始切線模量及有限元計算結果之間的關系。

關鍵詞：側向卸荷 ?應力路徑 ?應力-應變關系 ?有限元

中圖分類號：TU4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0036-02

在基坑開挖過程中，土體單元應力路徑會隨著土體應力場的改變而改變，起初人們這一問題有不同的觀點，一些學者[1]認為土體中存在加荷的現象，但有些學者認為土體均處于卸荷狀態[2-3]。目前，已經有比較統一的觀點[4]認為圍護結構后側的土體主要是側向卸荷，而基坑底部的土體主要為軸向加荷。早期，人們對應力路徑的試驗主要是采用普通三軸儀進行的[5-6]，后期隨著試驗儀器的更新許多學者采用真三軸儀進行應力路徑試驗[7-8]。本文利用GDS應力路徑三軸儀[9-10]對土體進行軸向加荷與側向卸荷兩種應力路徑試驗，更加嚴謹的對側向卸荷條件下土體的強度及變形特性進行研究。文中利用加荷與卸荷試驗得到的參數進行有限元計算，分析支護結構的變形并與工程實測數據進行比較，進而更加直觀的比較應力路徑對土體變形特性的影響。

1 ?試驗方案與結果分析

1.1 試驗土樣

本次試驗采用擾動試樣，土樣為取自蘇州工業園區星海街站地下車庫項目的基坑工程附近的典型粘土與粉質粘土。土樣的物理力學性質指標見表1。土樣大小為39.1m×80m。

1.2 試驗設計

1.2.1 固結方案

軸向加荷試驗采用等向排水固結，A組的圍壓為50、100、200kPa，B組的圍壓為100、150、200kPa。側向卸荷試驗采用偏壓排水固結，A、B兩組的偏壓應力比分別為K=0.48、K=0.51。A組的固結壓力終值為50、100、200kPa，B組的固結壓力終值為100、150、200kPa。

1.2.2 剪切方案

采用應變控制的排水剪切過程，軸向加荷試驗剪切速率為0.0048mm/min，側向卸荷試驗卸荷速率為10kPa/h。

1.3 試驗結果分析

1.3.1 不同應力路徑土體的應力-應變關系

由圖1可知，兩種土樣在不同固結壓力下的應力-應變曲線均為非線性的上升曲線，應力隨應變的增加而增加呈加工硬化型;同一應力路徑下，土體的切線模量及極限強度隨圍壓的增加而增加;在試驗中，土體的破壞條件均為軸向應變達到15%，說明本次試驗中土體的變形能力都比較大。

側向卸荷應力路徑下，初始切線模量普遍大于常規三軸試驗得到的初始切線模量;當應變值很小時，應力-應變關系曲線進入塑性流動狀態，并且隨固結壓力的減小，土地進入塑性狀態的應變值越小。

由實驗結果可知，在實際工程中，實測的圍護墻后主動區土體壓力值在側向應變較小的情況下，其大小就接近主動土壓力值，從而說明基坑圍護結構的水平位移決定著基坑周圍上部土體的破壞程度;在圍壓相同的情況下，土體經過側向卸荷應力路徑后，其達到剪切破壞狀態時的剪應力明顯小于常規三軸加荷試驗的破壞剪應力值。這說明，側向卸荷過程降低了土體抵抗剪切破壞的能力。

1.3.2 不同應力路徑下的抗剪強度

本實驗中采用的破壞準則為應變超過極限應變（15%）而破壞，圖2為不同應力路徑下土體的強度包線。由圖分析可知，粘土與粉質粘土兩種土樣，在常規三軸加荷與側向卸荷兩種應力路徑下得到的強度指標相近，所以，可以利用常規三軸試驗所得的強度指標來代替側向卸荷應力路徑下的強度指標。

2 ?數值計算

利用加荷試驗結果獲得的參數采用鄧肯-張模型建立模型，在基坑開挖過程中，基坑已經降水充分，不考慮非飽和土性質和滲流場對土體的影響，采用濕重度，進行二維有限元模擬。

由圖3可得：（1）側向卸荷的計算結果與加荷的計算結果的規律是相同的，且側向卸荷的計算結果小于加荷的計算結果，兩種計算結果均大于實測結果;（2）開挖結束后墻體的最大變形出現在13m處。計算結果的最大位移出也出現在這附近;（3）計算結果與實測結果的最大值相近，側向卸荷條件下的計算結果更貼近于實測結果。

由此可知應力路徑對土體的變形特性具有一定的影響，在實際工程中，應盡可能的采用與工程實際應力路徑相符的試驗得到土體的參數進行設計，減少工程造價。

3 ?結語

（1）兩種土樣在不同固結壓力下的應力-應變曲線均為非線性的上升曲線，應力隨應變的增加而增加呈加工硬化型;卸荷應力路徑下土樣在應變很小的時候就進入了塑性流動狀態。

（2）對于抗剪強度指標：粘土與粉質粘土兩種土樣，在常規三軸加荷與側向卸荷兩種應力路徑下得到的強度指標相近。

（3）利用側向卸荷試驗結果得到的支護結構變形更加貼近于實測數據，利用其進行設計可以更加節省材料，減小工程造價。

參考文獻

[1] 劉國彬.軟土卸荷變形特性的試驗研究[D].同濟大學，1995.

[2] 曾國熙，潘秋元，胡一峰.軟粘土地基基坑開挖性狀的研究[J].巖土工程學報，1988，10（3）：13-22.

[3] 袁靜，龔曉楠.基坑開挖過程中軟土性狀若干問題的分析[J].浙江大學學報，2001，35（5）：465-470.

[4] 劉熙媛，閆澍旺，竇遠明，等.模擬基坑開挖過程的試驗研究[J].巖土力學，2005，26（1）：97-100.

[5] 吳宏偉，施群.深基坑開挖中的應力路徑[J].土木工程學報，1999，32（6）：53-58.

[6] 葛衛春.基坑側向卸荷應力路徑及擋墻側向變形研究[D].河海大學，2001.

[7] 莊心善.深基坑開挖土體的卸荷試驗研究及有限元分析[D].河海大學，2005.

[8] 李治.模擬基坑應力路徑的真三軸平面應變試驗研究[D].河海大學，2006.

[9] 孫樹國.一種先進的GDS應力路徑三軸儀[A].重慶：中國巖石力學與工程學會會議論文集[C].2000：11-14.

[10]孔魯霞.考慮開挖卸荷影響的基坑變形特性研究[D].東南大學，2017.