不同卸荷速率下天津滨海软土的力学特性研究

刘 萌，赵瑞斌，胡恒东，刘 旭

(1. 天津城建大学，天津 300384；2. 成都基准方中建筑设计有限公司，成都 610021；3. 石家庄经济学院，石家庄 050031)

近年来，随着实际工程的需求和新试验仪器的开发，考虑卸荷条件下土体的力学性质的研究取得了颇为丰富的成果，如刘熙媛[1]模拟基坑开挖过程中土体卸荷的应力路径三轴剪切试验，得出土体的抗剪强度指标受卸荷路径的影响.Yin等[2-3]对CDG进行了卸荷试验，结果表明中主应力对土体强度有一定影响.梅国雄[4]对土体进行了侧向卸荷试验，试验结果指出：由于中主应力的存在，土体初始强度得到提高.曾玲玲[5]的研究表明自然沉积土压缩特性受到应力路径的影响.刘国清[6]采用武汉软土进行了侧向卸荷试验，得出了土样的初始卸荷模量随着卸荷比的增大而增大的结论.实际中，软黏土的力学性质不仅表现出应力松弛和蠕变特性，还具有明显的加载速率效应，即软土的不排水剪切强度随应变速率的变化而变化.对加载速率效应的问题，国内外许多学者做了大量研究工作，如J.L.Briaud[7]的研究指出，随着应变速率的增大，黏土的不排水强度增大.Crawford[8]取Leda黏土进行不排水剪切试验，得到孔压受剪切速率的影响.周杰[9]对福建标准砂的研究表明，法向应力和剪切速率共同对高应力下砂土的抗剪强度产生影响.阚卫明[10]研究指出剪切速率对宁波粉质黏土固结快剪的摩擦角影响很大.岳夏冰[11]对西安重塑饱和黄土进行了不同加载速率的连续加载 K0固结试验，结果表明加载速率对土体的变形特性有一定影响.综上所述，单独考虑卸荷路径或加载速率对土体力学特性影响的研究均有涉及，但同时考虑二者作用下土体力学特性的研究还比较少[12-13].本文采用WF应力路径仪并以天津滨海海积软土为试验对象，在卸荷条件下对土体进行了不同剪切速率的试验，探讨了卸荷状态下剪切速率对海积软土的变形特性、强度特性以及孔隙水压力变化规律的影响，以期为地基处理与土地的合理利用提供理论支持.

1 试验方案

1.1 土的基本性质

试验土样采用薄壁取土器取自天津滨海新区，取样深度为地表下 10～18 m.原状土体的基本物理力学性质指标见表1.

表1 海积软土的物理力学指标

1.2 试验方案

本文选取天津滨海新区的海积软土为研究对象，采用 WF应力路径三轴仪对该区域土样进行不同固结围压及不同剪切速率下的固结不排水的侧向卸荷试验，探讨卸荷状态下剪切速率对软土的变形特性、强度特性和孔隙水压力变化规律的影响.

1.2.1 固结方案

试验过程中采用WF应力路径三轴仪，将原状土样制备成尺寸为高度140 mm、直径70 mm的圆柱体，采用反压饱和法对试样进行饱和，使饱和度接近100%.固结过程采用等压固结方式，等压固结压力为 50，100，200 kPa.

1.2.2 剪切方案

应力控制的剪切过程采用模拟基坑开挖过程的侧向卸荷的减 p路径.剪切速率分别为 Δq1＝0.05 kPa/min，Δq2＝0.2 kPa/min，Δq3＝0.5 kPa/min.

2 试验结果及分析

2.1 应力与应变关系研究

不同的剪切速率下土体的应力-应变关系曲线如图1所示.由图1可知，卸荷状态下土体的应力-应变关系曲线表现为软化现象，相同围压下剪切速率越小，应力-应变关系的软化现象越明显.由图1还可以看出，初始切线模量随着剪切速率的增大而增大.

图1 不同剪切速率下的应力-应变关系

2.2 剪切速率与应力关系研究

对图 1的数据进行处理得到剪切速率与应力的关系曲线，如图2所示.由图2可以看出，随着剪切速率的增大土体的抗剪强度越来越大.围压越大，剪切速率对土体抗剪强度的影响越明显.

图2 剪切速率-应力关系

2.3 孔隙水压力与应变的关系研究

对不同剪切速率下孔隙水压力随应变的变化进行了量测，其孔隙水压力与应变关系曲线如图 3所示.由图3可知，当剪切速率较小时，土体孔隙水压力为负值，且随着主应力差的增大而迅速增大，产生这一现象是因为压应力减小导致土体弹性变形从而产生负压.然而在剪切速率较大时，土体达到结构屈服之前，孔隙水压力为正值，而当土样屈服后孔压迅速下降为负值，随后缓慢下降.卸荷路径在较大的剪切速率中出现这种现象表明：土体的孔隙水压力进入负值阶段并非仅由围压减小产生的弹性膨胀变形引起，而是土体屈服后出现塑性变形后孔压才出现负值.因此，在较大剪切速率中造成卸荷状态下孔压为负的原因是围压减小造成的弹性变形和剪切引起的塑性变形的综合反映，即土体在体应力减小到一定程度时出现了剪胀趋势.这一现象只是在较大剪切速率中才会出现.

图3 孔隙水压力-应变关系

2.4 抗剪强度指标的研究

对图 2在同一剪切速率不同围压下的抗剪强度值进行处理，得到不同剪切速率下土体的抗剪强度指标(C，φ)值，如表2所示.土体的抗剪强度指标是经过不同的剪切速率而测出，其剪切速率分别为Δq1＝0.05 kPa/min，Δq2＝0.2 kPa/min，Δq3＝0.5 kPa/min.对比结果可以发现，卸荷过程中黏聚力随着剪切速率的增大而减小，但是变化不是特别明显，而内摩擦角随着剪切速率的增大而增大.

表2 不同剪切速率下土体的抗剪强度指标(C，ϕ)值

3 结 论

(1)卸荷状态下得到的应力-应变关系曲线表现为软化现象.剪切速率对土体的抗剪强度有明显的影响，抗剪强度随着剪切速率的增大而增大.

(2)不同剪切速率条件下，土体孔隙水压力的变化不仅与剪切速率有关，还与土体结构屈服有关.在剪切速率较大(Δq3＝0.5 kPa/min)的条件下，土体达到结构屈服前，随着应变的增大孔隙水压力增大；当土体结构屈服后孔隙水压力迅速下降为负值.而在剪切速率较小(Δq1＝0.05 kPa/min)的条件下，未出现这一现像，孔隙水压力一直为负值.

(3)卸荷过程中黏聚力随着剪切速率变化不是特别明显，而内摩擦角随着剪切速率的增大而增大.在基坑开挖设计时摩擦角取的过小，会造成不必要的生产浪费；摩擦角取值太大，又会降低工程安全性，存在安全隐患.因此，在基坑开挖设计时应考虑剪切速率对土体抗剪强度指标的影响，采用合理的参数设计，减少不必要的浪费，同时防止事故发生.

［1］刘熙媛，闫澎旺，窦明远，等. 模拟基坑开挖过程的试验研究[J]. 岩土力学，2005，26(1)：97-104.

［2］YIN J H，KUMRUZZAMAN M. The Stress-strainstrength behaviour of a completely decomposed granite soil using a new advanced true triaxial testing system[C]// The 12 International Conference of International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics(IACMAG).Goa，India：[s.n.]，2008.

［3］LADE P V，WANG Q. Analysis of shear banding in true triaxial tests on sand[J]. Journal of Engineering Mechanics，2001，128(8)：762-768.

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