杭州富水粉砂水泥土HSS模型参数实验研究

2021-01-23 08:51赵伟阳李超群

浙江工业大学学报 2021年1期

赵保，田雷，赵伟阳，王哲，史吏，李超群

(1.中铁三局集团有限公司，山西太原 030000；2.浙江工业大学土木工程学院，浙江杭州 310023；3.杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江杭州 310005)

为迎接2022年亚运会，杭州规划了多条地铁运营线。为了减小基坑开挖的影响，需要对地基进行提前加固，如大直径桩[1-2]、水泥土槽壁加固和TRD隔断等。《建筑基坑支护技术规程》[3]明确指出一、二级基坑围护结构最大变形水平约为挖深的0.2%～1%。土体硬化模型(HS模型)不仅能考虑到应力路径对土体刚度的影响，而且可区分加卸荷模量，适用于变形要求严格的基坑开挖数值模拟[4]。王卫东等[5]基于GDS的3 种室内实验获得了上海典型土层土体的应力应变曲线，然后根据曲线获得了HS模型参数，并将实验结果与其他地区的结果进行对比。刘书斌等[6]通过对无锡地区典型土层进行理论分析和室内实验，得到其HS模型参数，并用三维Z_Soil软件对施工过程进行数值分析。黄鑫等[7]通过对比摩尔-库仑(M-C)模型和HS模型的数值模拟，得出使用HS模型进行数值模拟更好的结论。土体往往在应变非常小时会有比较大的刚度，并且刚度会随着应变增加而减小，Benz[8]通过对HS模型进行改良，得到了HSS模型。王卫东等[9]通过上海5 个基坑工程实例检验了上海典型土层HS模型参数，通过敏感性分析对HSS模型部分参数进行修正，利用反分析法确定小应变参数。刘方梅[10]通过HSS，HS和M-C这3 种本构模型分别对深基坑开挖对临近地铁运营线的变形影响进行数值模拟，得到了M-C和HS模型地铁运营线上方土体隆起，但实测数据表明土体下沉，与HSS模型趋势类似。HSS模型不仅可以考虑剪切模量在小应变范围内的衰减行为，同时可以考虑剪切和压缩硬化，表明了HSS模型比HS和M-C模型有更好的适用性[11-13]。张雪婵[14]研究了HSS模型参数更加快捷有效的取值方法。梁发云等[15]利用室内实验获得了上海典型土层的HSS模型参数。王志琰[16]确定了杭州典型黏土及其水泥土的HSS模型参数。

上述研究表明：以往HS和HSS模型参数研究区域性较强，相关研究多限于杭州黏土的HS模型参数，而针对富水粉砂HSS模型的小应变参数实验研究较少。基坑的TRD、搅拌桩等加固措施均将地基土改性为水泥土，基本未见富水粉砂水泥改性土的HSS模型参数研究报道。针对已有研究的不足之处，笔者进行了标准固结、三轴固结排水、三轴加卸载以及共振柱实验，确定了杭州富水粉砂及其水泥改性土的11 个HS模型参数和2 个小应变参数。

1 HSS模型参数介绍

2 个小应变参数为G0(初始参考剪切模量)和γ0.7(割线模量为0.7G0时对应的剪应变)。

2 实验过程

2.1 实验目的及实验仪器

Pref通常取100 kPa，HSS模型参数可通过实验确定，具体步骤：

4)共振柱实验获得参数G0，γ0.7。

所有实验仪器均为英国GDS公司生产，实验严格依据规范进行。

2.2 备样和制样

实验土样取自杭州下沙某地铁车站基坑工程，取土深度为17 m，对应为杭州典型富水粉砂地层，含水率[17]对土的抗剪强度有很大影响,本实验采用现场地勘含水率。粉砂土样的基本物理力学参数具体为含水率w=24.8%，重度γ=19.4 kN/m3，初始孔隙比e0=0.728。水泥土掺入比定义为水泥重量与干土重量之比，根据工程经验，本次实验考虑8%，16%，24%这3种掺入比。粉砂土加水至目标含水率后静置，制样后恒温恒湿养护3 d，拆除饱和器，养护至7 d。

为方便粉砂土和不同水泥掺量的水泥土进行对比，需控制各组试样的相对密实度Dr相同。相对密实度Dr计算公式为

(1)

式中：ρdmax，ρdmin，ρd分别为最大干密度、最小干密度和天然干密度。

根据相对密实度控制值Dr以及测定的最大和最小干密度，可由式(1)计算拟制试样的干密度，再根据环刀/三轴样标准体积，则可计算出不同组别制样所需的土样质量。由现场地勘报告可得相对密实度Dr=0.5，并代入各组土样的ρdmax和ρdmin，可得各组土样的制样干密度：粉砂土ρd=1.315 g/cm3，8%掺量水泥土ρd=1.356 g/cm3，16%掺量水泥土ρd=1.384 g/cm3，24%掺量水泥土ρd=1.421 g/cm3。

2.3 实验步骤

2.3.1 标准固结实验

标准固结实验加载共6级，由小到大分别为25，50，100，200，400，800 kPa，每级加载时间固定为12 h。

2.3.2 三轴固结排水剪切实验

1)饱和阶段：备样和装样完成后，在试样上施加有效围压20 kPa。

2)B值检测阶段：增大围压的同时保持反压不变，在不排水条件下测定B(孔隙水压力系数)，若B>0.95，则开始下一步实验，否则加大反压，重复操作。

3)固结阶段：保持排水阀打开，进行等向固结，固结压力分别为100，150，200 kPa，时间均为12 h。

4)剪切阶段：保持排水阀门打开，剪切速率2×10-4min。

2.3.3 三轴固结排水加卸载剪切实验

三轴固结排水实验的饱和、B值检测、固结阶段均与三轴固结排水加卸载实验相同，仅剪切阶段不同。三轴固结排水实验剪切阶段的具体方法为：通过围压100 kPa下的三轴固结排水实验结果，得到各个试样的极限偏应力值，然后进行轴向加载，先加载到极限偏应力的40%，再卸载到0，最后加载到极限偏应力的60%。

2.3.4 共振柱实验

1)固结阶段：施加压力100 kPa，保持排水阀打开。

2)激振阶段：通过设备增加激振力，由小到大进行分析，当试样共振时，记录下共振频率和剪切应变最值，然后通过公式得出试样的动剪切模量。

3 实验结果

3.1 标准固结实验

图1 固结实验轴向荷载应变关系图

3.2 三轴固结排水剪切实验

图2 粉砂三轴实验应力应变曲线

图3 8%水泥土三轴实验应力应变曲线

图4 16%水泥土三轴实验应力应变曲线

图5 24%水泥土三轴实验应力应变曲线

图6 粉砂(ε1/q)—ε1关系曲线

图7 水泥土(ε1/q)—ε1关系曲线

通过3 种围压(100，150，200 kPa)下的实验数据，绘制莫尔圆，如图8～11所示。由莫尔圆的斜率和截距可得出有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′。由图8～11可知：粉砂与8%，16%，24%掺量水泥土的c′分别为1.1，80，193，327 kPa。φ′分别为28.5°，30°，36.7°，38.9°。对应的静止侧压力系数k0可由1-sinφ′计算，分别为0.52，0.5，0.4，0.37。

图8 粉砂土莫尔应力圆

图9 8%水泥土莫尔应力圆

图10 16%水泥土莫尔应力圆

图11 24%水泥土莫尔应力圆

应力水平相关幂指数m的计算表达式为

(2)

3.3 三轴固结排水加卸载实验

图12 粉砂三轴加卸载实验应力应变

图13 8%水泥土三轴加卸载实验应力应变

图14 16%水泥土三轴加卸载实验应力应变

图15 24%水泥土三轴加卸载实验应力应变

3.4 共振柱实验

粉砂与不同掺量改性土的剪切模量倒数1/Gd随剪切应变γd变化曲线如图16～19所示。由图16～19可知:4 种土样的剪切模量随剪切应变的增加而减小，但随着掺量的增大，剪切模量下降幅度趋缓。由(1/Gd)—γd实测数据拟合直线，直线截距的倒数即为初始剪切模量G0。由此可得：粉砂与8%，16%，24%掺量水泥土的G0分别为30，35.7，70.8，82.1 MPa。4 种土样的γ0.7分别为4.7×10-4，8.8×10-4，11.4×10-4，14.5×10-4。