基坑开挖应力路径对土体变形影响试验研究①

李永波，刘 丽，董 雪

(1.天津市市政工程设计研究院，天津300050;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

0 引 言

研究表明，基坑开挖对周围土体变形特性产生显著影响［1～4］.开挖过程中，不同位置土体经历的应力路径不完全相同［5］，特别地，因开挖深度加深或支护结构的施工等原因造成的基坑周围某些部位土体经历的应力路径十分复杂.

针对应力路径对深大基坑周围土体变形性状的影响，颜志雄［6］分析了天津市区基坑开挖卸载应力路径下土体的变形特性，认为软土的应力－应变关系与应力路径密切相关;刘畅［7］认为应力历史与路径对固结不排水剪总应力强度指标影响较大，对有效应力强度指标影响较小;曾玲玲［8］认为不排水有效应力路径与土样初始固结状态有关，并且同一固结状态下的有效应力路径具有唯一性;梅国雄［9］指出经过侧向卸荷的土样抗剪强度指标与常规三轴压缩试验结果明显不同;胡海军［10］研究发现常规三轴试验后试样孔隙比减小，孔隙分形维数增加;减围压三轴压缩试验后试样的孔隙分形维数减小.

实际上，基坑侧边土体位置会随开挖加深发生转变，土体经历的应力路径也随之改变.本文通过试验研究了开挖应力路径对土体应力－应变关系及其孔压的影响，探讨常规三轴试验和开挖应力路径试验的土体应力－应变关系及其孔压变化差异，以及同一部位土体经历不同开挖应力路径的变形差异.

1 试验方案

1.1 试样制备

采用轴向－径向独立加卸载式三轴仪器对原状土进行考虑应力路径的不排水三轴试验.由土性试验测定原状土的含水率、重度、液塑限等基本物理力学性质指标如表1 所示.

表1 原状土主要物理指标

1.2 试验方案

定义基坑支护结构之外的土体为基坑侧边土.开挖中，基坑侧边土体的应力路径分为两种:一是轴向应力不变，侧向经历连续卸载;二是轴向应力与侧向应力均发生变化.试验结束条件有两种:一为试样破坏或者应变达到15%以上;二是卸载过程中某一方向应力卸载为0.试验方案如表2 所示.

表2 试验方案

图1 开挖面以上坑侧土体应力－应变关系

2 试验结果及分析

2.1 土体的应力－应变关系特性

讨论应力路径对基坑侧边土体应力－应变关系的影响特征，同时比较常规三轴压缩试验与应力路径卸载试验中土体应力－应变关系的差异.需要说明的是部分土样在卸载试验结束时仅表现出变形，并没达到破坏标准，故进行对比分析时，以试验中原状土最大偏应力的1/2 值作为参考对比数据固定值，记作.

图1 与图2 为不同初始固结应力相同应力路径条件下的试验与常规不排水三轴试验获得的土体应力－应变关系曲线.根据原状土取土深度不同，其初始固结应力由计算获得.

从图1 可以看出，相同应力路径下，主应力差随着初始固结应力的增加而增大，该现象与加卸载条件无关;相同初始固结应力下，应变值相等时，加载条件下的主应力差大于卸载条件下的主应力差;相同主应力差条件下，常规三轴加载试验应变值小于开挖应力路径试验应变值，见表3 所示.

表3 q=q50时的应变值

图2 开挖面以下坑侧土体应力应变关系

图2 为两个方向应力均发生变化的卸载应力路径试验曲线和常规三轴不排水试验曲线图.从图2 可以看出，常规三轴不排水试验曲线呈应变硬化型，而卸载试验曲线呈现出应变软化型.因试验结束时，试样发生了较大变形或出现破坏现象，为更清晰显示土体应力－应变关系在不同应力路径和初始固结应力条件下差异，选择原状土最大破坏主应力差下的应变进行分析，记作q=qf，见表4 所示.

表4 q=qf 时的应变值

综上，图1 与图2 中卸载试验曲线经历的应力路径分别为DEP，IDP，DIP.图1 应力－应变关系为应变硬化型，图2 应力－应变关系为软化型，相同应力路径下，取相同应变时，主应力差随初始固结围压增大而增大，故可认为土体的应力－应变关系的主要影响因素有应力路径和初始固结应力.土体应变硬化型或者应变软化型的应力－应变关系与经历应力路径有关.

2.2 应力路径下孔隙压力特征

孔隙压力的变化规律是反映土体变形的一个重要特征.此处重点讨论孔隙压力随轴向应变的变化规律.图3 与图4 为不同应力路径下卸载试验与常规三轴不排水试验获得的孔压－轴向应变关系曲线.

图3 开挖面以上坑外土体孔隙压力－轴向应变关系

图4 开挖面以下坑外土体孔隙压力－轴向应变关系

从图3 可以看出，卸载试验中，土体的孔隙压力基本为负值.根据试验方案，图3 中有效应力P不断减小，此过程中轴向应变不断增加，孔隙压力随之下降.图4 中孔隙压力先为正值后为负值，表明应变3%之前土体发生减缩现象，在3%～5.5%之间土体发生剪胀现象，而5.5%以后的孔隙压力为负值与土体剪胀现象无关.

对比分析卸载试验与常规三轴不排水压缩试验获得的原状土孔隙压力－轴向应变关系曲线，根据饱和土固结不排水孔压系数A = u/(Δσ1－Δσ3)可计算出原状土常规三轴压缩试验和卸载试验中Q=Q30的孔压系数A50的值进行比较，如表5所示.此结果表明，卸载条件下的孔隙压力系数小于常规三轴压缩试验值，且常规三轴试验中孔隙压力系数均为正值.

表5 加卸载试验中的孔压系数A50

综上，试验中孔隙水压力下降可能与土体剪胀有关，也有可能无关，土体是否发生剪胀现象与应力路径有关.卸载条件下的孔隙压力系数小于常规三轴压缩试验值，且负值居多.

3 结 论

通过研究卸荷条件下应力路径对土体变形特性的影响可得到如下结论:

(1)在相同应力路径条件下，以侧向卸载为主的卸载试验，当土体应变相同时，主应力差随初始固结应力增加而增大.

(2)相同初始固结应力下，主应力差相等时，原状土常规三轴固结不排水剪切试验应变与卸载试验应变的差值范围随应力路径的不同而变化.

(3)土体应力－应变关系的主要影响因素为应力路径和初始固结应力;而应力路径是土体孔隙压力为正、负值的主要影响因素.

［1］ 刘国彬，候学渊.软土的卸荷模量［J］.岩土工程学报，1996，18(6):18－23.

［2］ 刘国彬，候学渊.软土的卸荷应力－应变特性［J］.地下工程与隧道，1997，2:16－23.

［3］ 何世秀，朱志政，杨雪强.基坑土体侧向卸荷真三轴试验研究［J］.岩土力学，2005，6(26):869－892.

［4］ 郑刚，颜志雄，雷华阳，等.天津市第一海相层粉质粘土卸荷变形特性的试验研究［J］.岩土力学，2008，29(5):1237－1242.

［5］ 邓袆文.基坑开挖应力路径试验与有限元变形分析的研究［D］.广州:广州大学，2007.

［6］ 颜志雄.卸载路径下软土力学性状的试验研究及基坑开挖对临近桩基影响的分析［D］.天津:天津大学，2006.

［7］ 刘畅.考虑土体不同强度与变形参数及基坑支护空间影响的基坑支护变形与内力研究［D］.天津:天津大学，2008.

［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］ 梅国雄，陈浩.坑侧土体卸荷的侧向应力应变关系研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(S1):3108－3112.

［10］ 胡海军，蒋明镜，彭建兵，等.应力路径试验前后不同黄土的孔隙分形特征［J］.岩土力学，2014，35(9):2479－2485.