花岗岩残积粘性土加、卸荷抗剪强度分析

于月娥，程小勇

（1.广东技术师范学院天河学院，广东 广州 510540；2.广东省水利电力规划勘测设计研究院，广东 广州 510170）

0 引言

随着城市飞速发展，地铁、隧道等地下卸荷工程接踵而至，基坑开挖问题大量涌现，但目前很多土体力学特性均属于加荷土力学范畴，故类似基坑开卸荷工程设计，通常采用加荷理论公式进行折减或者用加荷试验所确定各项强度指标值。但事实上，土体加荷过程与卸荷过程是两种完全不同应力路径，而应力路径与土体强度、变形特性密切相关［1］，这使得卸荷工程设计与实际有很大差异，亦是造成塌方、滑坡、支护结构破坏等事故重要原因之一。如果外荷载引起土体应力小于结构强度Pc时，阻止土体压密；而当荷载减少时，结构强度也会阻止土体膨胀。但在当前地下工程设计中，很少考虑这一本质问题影响。掌握土体在卸荷状态下工程性质，根据卸荷各项强度指标进行与卸荷相关工程设计，就能减小与实际情况误差，并可采取有针对性措施，预防事故发生。

为研究需要，作者选用广州地区基坑开挖工程中花岗岩残积粘性土（以下简称残积土）为对象，通过加、卸荷试验，初步研究在加、卸荷状态下抗剪强度变化，研究先期固结压力、含水量及抗剪强度间规律。

1 试样制备及试验过程

1.1 残积土粒度成份、矿物成份

1.1.1 残积土粒度成份

为了使颗粒分析成果便于利用和容易看出规律，需要把颗粒分析资料加以整理并用较好的方法表示出来［2］。目前，常用的方法有表格法和图解法两种。本试验的数据整理采用了这两种方法（表1）。

从试验结果数据整理来看，各取样点的试样均不含有直径大于2mm的颗粒，故按深圳法［3］对土进行分类，试验用土都属于花岗岩残积粘性土。

1.1.2 花岗岩残积粘性土矿物成份分析

花岗岩残积土矿物成分分析采用X衍射矿物成份分析方法完成。

本次试验采用荷兰X′MPD Pro X射线衍射仪对各场地的4个花岗岩残积土粉晶样进行了X衍射分析。X衍射矿物成份分析结果见表2。分析结果表明，花岗岩残积土次生矿物主要为高岭石，其次为伊利石，原生矿物主要为石英，其次为长石。

表1 各取样点原状残积土试样颗粒分析成果表Table 1 The particle analysis of the residual soil

1.2 试样制备

为了控制制备残积土试样均匀性，减小试验数据离散性，制备试样过程中，在保持土样干密度不变的前提下，将含水量和密度作为控制指标。制备试样密度、含水率与制备指标之差控制在±0.02g/cm3与±1％范围内，平行试样或一组内各试样之差值分别要求在0.02g/cm3和1％内。

表2 X衍射物相分析结果Table 2 The results of phase analysis through X diffraction

本次试样制备采用击样法，操作步骤如下：

（1）称取代表性风干土样，用碾土器将其碾散，将土样拌匀，并测定风干土含水量。

（2）将风干土试样2kg平铺于不吸水盛土盘内，按式（1）计算试样所需加水量，按预定含水量用喷水设备往土样上均匀喷洒所需加水量，拌匀并装入塑料袋内，然后放置于保湿缸内，静置备用，静置时间为24h。

式中：mω——所需加水量（g）；

ω0——风干土含水量（％）；

m0——风干含水量时土样质量（g）；

ω——要求达到含水量（％）。

（3）根据击实筒体积和要求干密度，按式（2）计算出制备试样所需湿土质量，分三层击入击实筒内，击实到所需密度。

式中：m——制备试样所需湿土质量（g）；

ω实测——实测制备湿土试样含水量（％）；

ρd——制备试样所要求达到干密度（g/cm3）；

V——击实筒体积（cm3）。

（4）击实完成后，扭动并取下护筒，沿击实筒顶细心修平试样。擦净筒外壁，称筒与试样总质量，准确至1.0g，并应符合制备试样密度、含水量与标准差值要求。

（5）试样制备尽量迅速，以防水分蒸发。

1.3 试验方法及试验设计

以广州新造和石碁地区扰动花岗岩残积粘性土为研究对象，采用室内常规土工试验仪器，模拟地基开挖时土体卸荷过程，测定残积土卸荷抗剪强度。室内模拟方法为：装样-固结-卸荷-直接快剪。

试验仪器采用电动四联仪，分别进行一次加载试验和逐级卸荷试验。

1.3.1 一次加载试验强度

将土样分组，各组试样分别设定在不同固结压力下（100kPa、200kPa、300kPa 和 400kPa）固结 24h，稳定后立即实施快剪，得到不同固结压力下残积土抗剪强度值。

1.3.2 逐级卸荷试验

将土样分组，各组试样分别设定在不同固结压力下（100kPa、200kPa、300kPa 和 400kPa）固结 24h，稳定后分级卸荷（每级卸荷50kPa）。例如200kPa固结压力作用下，采用分三次卸荷，分别卸荷50kPa、100kPa、150kPa 后在 150kPa、100kPa、50kPa 的竖向压力作用下立即实施快剪，获得突然卸荷后残积土抗剪强度值；其他固结压力下的卸荷试验过程与其相同。

2 成果整理及分析

2.1 先期固结压力及含水量对加荷抗剪强度影响

表3 新造重塑残积土一次加载试验结果Table 3 The one loading results of remodeling residual soil in Xinzao area

一次加载试验成果见表3和表4，将成果整理拟合成曲线如图1和图2所示，从关系图中发现，不同先期固结压力下残积土抗剪强度相差较大。随着先期固结压力增加，土体抗剪强度显著增加，相同含水量试样400kPa先期固结压力下抗剪强度是100kPa先期固结压力下2～3倍；相同先期固结压力下，残积土抗剪强度随含水量不同而变化，新造残积土抗剪强度随含水量增加呈抛物线变化，ω=20％近似为抛物线对称轴，在含水量小于20％时，抗剪强度随含水量增加而增大；当含水量大于20％时，抗剪强度随含水量增加而急剧减小。石碁残积土试样抗剪强度与含水量有较好线性关系，抗剪强度随含水量增加而减小。总体而言，残积土抗剪强度随含水量增加有逐渐减小趋势。

表4 石碁重塑残积土一次加载试验结果Table 4 The a load results of remodeling residual soil in Shiqi area

2.2 含水量对加、卸荷抗剪强度影响分析

为研究含水量变化对残积土加、卸荷抗剪强度影响，将新造和石碁扰动土制备含水量分别为15.37％、18.00％、22.28％、25.43％ 和 15.73％、18.52％、21.06％、25.50％。各不同含水量试样一次卸荷抗剪强度见表5～表6，将加、卸荷抗剪强度描点绘图为图3～图4。

图1 新造重塑花岗岩残疾粘性土不同先期固结压力下含水量与抗剪强度关系曲线Fig.1 The curve between shear strength and water content vs，the remodeling granite residual soil under different previous pressure in Xinzao area

图2 石碁重塑残积土不同先期固结压力下含水量与抗剪强度关系曲线Fig.2 The curve between shear strength and water con tent vs t，the remodeling granite residual soil under different previous pressure in Shiqi area

总体而言，卸荷抗剪强度相对加载强度较小，随着含水量增加，残积土加、卸荷抗剪强度差值逐渐减小。主要是因为试样在固结稳定后立即卸荷，产生负孔隙水压力，负孔隙水压力对土粒产生吸附作用，增加了有效应力。根据有效应力原理分析，产生负孔隙水压力时，土体强度会增加。由于含水量越高试样在卸荷后产生负孔隙水压力越大大，反之较小，故随着含水量的增加残积土的加、卸荷剪切试验强度差值总体呈逐渐减小的趋势。

表5 新造重塑残积土一次卸荷试验结果Table 5 The one unloading results of remodeling residual soil in Xinzao area

表6 石碁重塑残积土一次卸荷试验结果Table 6 The one unloading results of remodeling residual soil in Shiqi area

图3 新造重塑残积土不同先期固结压力下加载与卸荷抗剪强度对比Fig.3 The com parison of loading and unloading shear strength of the remodelingresidual soil in Xinzao area under different previous pressure

2.3 先期固结压力对加、卸荷抗剪强度影响

将新造和石碁不同含水量状态下一级卸荷试验结果（表3和表4）与一次加载试验结果拟合成对比曲线图，如图5～图12所示。分析先期固结压力作用对残积土加、卸荷抗剪强度影响。总体而言，加载强度相对卸荷抗剪强度较大，随着先期固结压力增加而残积土加、卸荷抗剪强度差值有减小趋势。先期固结压力越小，残积土加、卸荷抗剪强度差值越大；反之越小。可见卸荷对残积土抗剪强度影响较大，故在工程设计中，若对于处于卸荷状态下残积土，应考虑卸荷对土体强度影响，设计参数应采用残积土卸荷抗剪强度指标。

2.4 残积土加、卸荷抗剪强度指标对比分析

图4 石碁重塑残积土不同先期固结压力下加载与卸荷抗剪强度对比Fig.4 The comparison of loading and unloading shear strength of the remodeling residual soil in Shiqi area under different previous pressure

图5 新造（w=15.37％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.5 The Comparison of loading and unloading shear strength in Xinzao area（w=15.37％）

图7 新造（w=22.28％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.7 The Comparison of loading and unloading shear strength in Xinzao area（w=22.28％）

图6 新造（w=18.00％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.6 The Comparison of loading and unloading shear strength in Xinzao area（w=18.00％）

图8 新造（w=25.43％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.8 The Comparison of loading and un loading shear strength in Xinzao area（w=22.28％）

逐级卸荷试验用土为石碁典型残积土［4-5］，为扰动土，将其制备成w=21.06％重塑土试样进行逐级卸荷试验，试验成果见表7，将其描点作图如图13所示。从不同固结压力作用下，并分级卸荷后土体的抗剪强度随着卸荷程度的增加，抗剪强度显著减小，并且各级固结压力下分级卸荷后，土体抗剪强度的减小趋势基本一致，变化曲线的斜率基本相等。通过分析曲线还可以发现卸荷后残积土抗剪强度不按加载路径返回，而是残留一定强度，即残余强度。并且卸荷曲线均在一次加载强度曲线之上。产生这种现象本文认为：一是残积土有一定“记忆”性，土体在先期固结压力作用下，固结稳定后立即进行卸荷快剪，土体没有充分时间进行再次固结稳定，其含水量和孔隙比完全不能恢复到加载时相应状态，故抗剪强度差值存在；二是土体在卸荷后产生了负孔隙水压力，卸荷快剪情况下，负孔隙水压力来不及消散，所以其抗剪强度曲线不会与一次加载试验快剪结果线重合。这种先加载固结后卸荷立即实施快剪对应于隧道和基坑的快速开挖，其土体还来不及进行再次固结稳定（回弹）抗剪强度变化路径。

图9 石碁（w=15.73％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.9 The Comparison of loading and unloading shear strength in Shiqi area（w=15.73％）

图10 石碁（w=18.52％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.10 The Com parison of loading and unloading shear strength in Shiqi area（w=18.52％）

图11 石碁（w=21.06％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.11 The Com parison of loading and un loading shear strength in Shiqi area（w=21.06％）

图12 石碁（w=25.50％）加、卸荷抗剪强度对比Fig.12 The Comparison of loading and unloading shear strength in Shiqi area（w=25.50％）

表7 逐级卸荷试验成果表Table 7 The results under unloading step by step

图13 加、卸荷抗剪强度与竖向压力关系曲线Fig.13 The relation between the shear strengths of loading and the unloading，under different vertical pressurs

3 结论

（1）总体而言，重塑残积土抗剪强度随含水量增加而减小。

（2）残积土加、卸荷抗剪强度差值随含水量增加而减小；随先期固结压力增加有逐渐减小趋势。

（3）土体应力历史对其强度指标影响较大，基坑开挖有快有慢，时间长短视具体工程项目而定，故土体回弹程度不同，土体强度也随之不同。

（4）残积土卸荷抗剪强度理论要比加荷土体复杂，在卸荷工程土体设计中应该采用卸荷抗剪强度指标，尤其在基坑开挖等卸荷工程项目中，应充分考虑卸荷影响，采用土体卸荷抗剪强度指标更符合工程实际。

致谢：本试验得到了中国地质大学（武汉）工程学院实验室及老师的大力支持，在此对他们表示感谢!

［1］缪林昌，仲晓晨，等.膨胀土的强度与含水量的关系［J］.岩土力学，1999，20（2）：71-75.M IU Linchang， ZHONG Xiaochen， et al.The relationship between shear strength of expansive soil and water content［J］.Rock and Soil Mechanics，1999，20（2）：71-75.

［2］湖中雄.土力学与环境土工学［M］.上海：同济大学出版社，1997，196-205.HU Zhongxiong.Soil mechanics and environment geotechnics［M ］.Shanghai：Tongji University Press，1997，196-205.

［3］SJG1-88，深圳地区建筑地基基础设计试行规程［S］.SJG1-88.The foundation design try-out regulations in Shenzhen area［S］.

［4］广州市轨道交通四号线工程石碁站详细勘察阶段岩土工程勘察报告［R］.广东地质勘察基础工程公司，2005.The geotechnical investigation report of Shiqi of metro line 4 in Guangzhou［R］.Guangdong Geological Prospecting Engineering Company，2005.

［5］广州市轨道交通四号线新造至石碁区间详细勘察阶段第二次岩土工程勘察报告［R］.广东地质勘察基础工程公司，2005.The second geotechnical investigation report of the section between Xinzao and Shiqi of metro line 4 in Guangzhou［R］.Guangdong Geological Prospecting Engineering Company，2005.