侧向卸荷路径下天津滨海软土强度参数试验研究

王 沛，柴寿喜，李 晶，陈 建

(1. 天津城市建设学院，天津 300384；2. 朝阳市地震局，辽宁 朝阳 122000；3. 中南大学，长沙 410075)

随着天津滨海新区的建设发展，新区的建设逐渐重视地下建设空间的利用，建筑基坑及轨道交通建设等工程因而迅速发展.基坑工程作为一种典型的卸荷工程，软土地区基坑的开挖，能引起基坑周边土体应力场的变化，这种变化受土体条件、卸荷水平和施工等多因素影响，基坑不同部位土体卸荷的应力路径是不同的[1-2].近年来，国内外很多学者在这方面进行了研究，并取得了许多有益的成果.刘国斌等[3]利用应力路径三轴仪模拟基坑和隧道施工过程中的应力路径并进行了不同类型的卸荷试验，发现软土的应力-应变关系与应力路径密切相关.何世秀等[4]通过一系列 K0固结不排水试验对武汉地区有代表性的粉质黏土在基坑开挖卸荷条件下的应力-应变状态变化规律进行了研究，并与加载条件下的应力-应变曲线进行了比较，分析了基坑开挖变形计算相关参数的选取.宰金珉等[5]通过对南京河西地区原状黏土应力路径试验，得出轴向加荷和侧向卸荷条件下有效抗剪强度指标一致的结论.P.G.Hsieh等[6]通过5种不同方法得出土的抗剪强度指标并对开挖工程进行分析计算，得出采用各项异性不排水强度较为合理.郑刚等[7]通过对天津市区第一海相层粉质黏土卸荷试验，得出该种土在卸荷条件下应力-应变曲线可用双曲线形式模拟，而且存在比较明显的归一化性状.曾玲玲等[8]通过对广州南沙典型软土在不同固结条件下进行了固结不排水剪应力路径试验，认为侧向卸荷会造成剪应力增加、体应力减小、从而使土体产生剪胀趋势.陈林靖[9]等采用应力-应变三轴仪对福州市区的典型饱和软土进行了一系列应力路径试验，建议以 K0固结试样进行三轴加、卸载试验确定邓肯-张模型参数.

笔者选取滨海新区 9～18 m 深度的海相软土作为研究对象，采用应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪，分别进行三轴不固结不排水试验(UU)、三轴固结不排水试验(CU)以及模拟基坑开挖时主动区侧向卸荷减p应力路径试验(DEP)，对比分析不同试验条件下土的强度参数以及基坑开挖卸荷对土的强度参数、孔隙水压力等的影响，以期对滨海软土地下工程支护设计有所借鉴.

1 试验方案

1.1 试样

试样取自天津滨海新区第 I海相沉积的粉质黏土，灰色、含少量贝壳等杂质.原状土样各项物理性质指标见表1.

表1 土层主要物理性质指标

1.2 试验步骤

本次试验采用 SLB-1型应力-应变控制式三轴 剪切渗透试验仪，如图1所示.

图1 SLB-1型应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪

试验步骤如下：首先采用抽气饱和法对试样进行真空饱和，根据试样的埋深，对试样分别进行围压，依次是50 kPa、100 kPa、200 kPa的三轴不固结不排水试验(UU)、三轴固结不排水试验(CU)以及减p卸荷路径试验(DEP).UU试验和CU试验进行等压固结，固结压力与围压相同；DEP试验采用K0固结.通过量测径向变化量和控制偏差应力，测定试样 K0值.偏差应力按 1.0 kPa/min速率进行加载.当径向变形εr＜0.025%，围压按0.4 kPa/min速率定时增加并且到规定时间时，施加偏差应力的增量；当εr＞0.025%时，则停止主应力差增量的施加，认为试样达到天然状态.通过大主应力与围压的比值测定试样K0值.试验过程中径向变形值由式(1)得到

式中：εV为体应变，εa为竖向应变，εr为径向应变.

不固结不排水(UU)试验和固结不排水(CU)试验的剪切过程采用的剪切速率为 0.05 mm/min；K0固结侧向卸荷(DEP)应力控制试验的剪切过程采用的加卸荷速率为0.4 kPa/min.试验p-q应力路径如图2所示.

图2 p-q应力路径

2 试验结果及分析

2.1 不同应力路径下应力-应变曲线

不同围压下UU、CU、DEP试验的应力-应变关系曲线如图3所示.

图3表明：滨海新区③-5层粉质黏土在UU、CU和DEP三种试验条件下，土体应力-应变曲线均接近双曲线，不同试验条件下的应力-应变曲线均表明土体在应变较小时呈明显线性，且随着围压的增加更加显著；UU和CU试验应力与应变曲线呈硬化特征；而DEP试验应力与应变曲线呈软化特征，说明试样呈超固结性状，分析原因是与不同应力路径下土的初期固结状态有关.

图3 不同应力路径下应力-应变曲线

UU试验与CU试验应力-应变曲线在15%以内无峰值点，其强度破坏值取轴向应变ε1=15%时相对应的强度作为破坏点.DEP试验方法下不同围压出现峰值强度时的应变不同，围压越大，卸荷剪切的偏差应力起始值越大，其破坏峰值越大.不同试验方法具体破坏点见表2.

表2表明：当σ3＝50 kPa时，DEP试验偏差应力与CU试验偏差应力强度破坏值相差13.3%；而当σ3分别为100 kPa和200 kPa时，UU、CU、DEP试验偏差应力峰值依次递增，且递增幅度随着应变的减小而逐渐增加，这说明一定程度上滨海软土在不同应力路径下的力学性状与初始固结状态有关.

表2 UU、CU、DEP试验的破坏点

2.2 土的强度参数

不同试验条件下土的强度包线如图4所示.

图4 不同试验条件下土的强度包线

表3为UU、CU、DEP试验分别得到的土的强度参数.

图4和表3表明：①总应力条件下DEP试验的内摩擦角与常规CU试验的内摩擦角相差94.1%，黏聚力二者相差18.7%.说明DEP试验对摩擦角的影响较大，对黏聚力的影响不大，对土的抗剪强度存在一定的影响，即K0固结DEP试验方法测定的强度比相同围压条件下正常固结土的强度高，出现这种现象与土样剪切开始时相同围压条件下密实度不同有关；②有效应力条件下，DEP试验的摩擦角和黏聚力与CU试验分别相差3.2%和5.5%.说明DEP试验对于有效摩擦角和黏聚力影响较小.决定土的抗剪强度的唯一因素是破坏面上的法向有效应力，而与加卸荷方式、排水条件和应力路径等均无关，这与有效应力强度指标的唯一性理论是一致的.

表3 土的强度参数

3 结 论

通过对天津滨海新区③-5层软土进行不同应力路径下的试验结果对比，可以得到以下结论.

(1)滨海软土在不同应力路径试验中，UU和CU试验应力-应变曲线呈硬化特征，侧向卸荷DEP试验应力-应变曲线成软化特征.在不同试验条件下土体在应变较小时均呈明显线性；在剪切过程中，不同应力路径条件下，其抗剪强度的破坏点不同.

(2)不同应力路径试验对滨海软土强度指标c、ϕ有影响，但对c′、ϕ′的影响较小，符合有效应力原理.

［1］LADE P V，DUNCAN J M. Stress-path dependent behavior of cohesionless soil[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division，1976，102：42-48.

［2］何世秀，余益贤，吴刚刚. 基坑应力路径对抗剪强度指标影响的试验研究[J]. 湖北工学院学报，2004，19(1)：1-5.

［3］刘国斌、侯学渊.软土的卸荷模量[J]. 岩土工程学报，1996，18(6)：18-23.

［4］何世秀，韩高长，庄心善，等. 基坑开挖卸荷土体变形的试验研究[J]. 岩土力学，2003，24(1)：17-20.

［5］宰金珉，张云军，王旭东，等，卸荷状态下黏性土的变形和强度试验研究[J]. 岩土工程学报，2007，29(9)：1409-1412.

［6］HSIEH P G，CHANG Y O，LIU H T. Basal heave analysis of excavations with consideration of anisotropic undrained strength of clay[J]. Canadian Geotechnical Journal，2008，45(6)：788-799.

［7］郑 刚，颜志雄，雷华阳，等，天津市区第一海相层粉质黏土卸荷变形特性的试验研究[J]. 岩土力学，2008，29(5)：1237-1242.

［8］曾玲玲，陈晓平，软土在不同应力路径下的力学特性分析[J].岩土力学，2009，30(5)：1264-1270.

［9］陈林靖，戴自航，刘志伟.应力路径对软土应力-应变特性影响试验研究[J].岩土力学，2011，32(11)：3249-3257.