折线应力路径条件下粉质黏土力学特性试验研究

刘连栋 刘燕 李春林 张亮亮

文章编号：1671-3559（2024）01-0023-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230320.003

摘要：为了探究先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊应力路径条件下粉质黏土的变形规律、孔压变化以及强度指标， 以济南市某隧道附近的粉质黏土原状土样为研究对象， 采用K0固结先侧向卸荷后轴向加荷不排水剪切试验， 并在卸荷阶段选取3个不同的卸荷比， 模拟先基坑开挖后坑边大吨位吊装特殊工况下的应力路径， 然后进行等压固结不排水常规三轴剪切试验和K0固结侧向卸荷不排水剪切试验， 并对比3种试验结果。 结果表明：先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊应力路径条件下的偏应力-轴向应变试验曲线为非线性曲线， 粉质黏土的破坏强度与卸荷量有关， 卸荷量越大， 则破坏强度越小；减围压阶段产生负孔压， 轴向加压阶段孔压随着轴向应变的增加呈先增大后减小的趋势， 在同一初始固结围压下， 粉质黏土的卸荷比越小， 则剪切时产生的最大孔压越大；先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊应力路径条件下粉质黏土的卸荷比越大， 则有效黏聚力越大， 有效内摩擦角越小， 与等压固结不排水常规三轴剪切试验相比， 有效内摩擦角偏小， 有效黏聚力随卸荷比的不同而偏大或偏小。

关键词：土工试验；应力路径；三轴试验；粉质黏土；吊装荷载

中图分类号：TU411.3

文献标志码：A

开放科学识别码（OSID码）：

Experimental Research on Mechanical Properties of

Silty Clay Under Broken Line Stress Path Condition

LIU Liandong1a， LIU Yan1a， b， LI Chunlin2， ZHANG Liangliang3

（1. a. School of Civil Engineering and Architecture， b. The Engineering Technology Research Center for Urban Underground

Engineering Supporting and Risk Monitoring of Shandong Province， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Jinan City Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250131， Shandong， China;

3. China Railway Siyuan Survry and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， Hubei， China）

Abstract： To explore deformation law， pore pressure variation， and strength index of the silty clay under the special stress path condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then， taking silty clay undisturbed soil samples near a tunnel in Jinan city as research objects， K0 consolidation undrained shear test with lateral unloading followed by axial loading was adopted and three different unloading ratios were selected during the unloading stage to simulate the stress path under a special condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then. Isobaric consolidated undrained conventional triaxial shear test and K0 consolidated lateral unloading undrained shear test were then carried out， and the three experimental results were compared. The results

收稿日期：2022-07-07          網络首发时间：2023-03-21T16：16：14

基金项目：国家自然科学基金项目（51979122）；山东省自然科学基金项目（ZR2022ME042）

第一作者简介：刘连栋（1996—），男，山东潍坊人。硕士研究生，研究方向为岩土与地下空间工程。E-mail：1355286284@qq.com。

通信作者简介：刘燕（1978—），女，山东济南人。副教授，博士，硕士生导师，研究方向为岩土与地下空间工程。E-mail：liuyan322@163.com。

网络首发地址：https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230320.1621.006.html

show that deviatoric stress-axial strain test curves under the special stress path condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then are nonlinear curves. The failure strength of silty clay is related to the unloading amount. The greater the unloading amount is， the smaller the failure strength is. Negative pore pressure is generated in reducing confining pressure stage. Pore pressure first increases and then decreases with the increase of axial strain in axial applying pressure stage. Under the same initial consolidation confining pressure， the small the unloading ratio of silty clay is， the greater the maximum pore pressure generated in shear is. Under the special stress path condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then， the greater the unloading ratio of silty clay is， the greater the effective cohesion is and the smaller the effective internal friction angle is. Compared with the isobaric consolidated undrained conventional triaxial shear test， the effective internal friction angle is smaller， and the effective cohesion is larger or smaller according to different unloading ratios.

Keywords： geotechnical test; stress path; triaxial test; silty clay; hoisting load

土的应力-应变关系与应力历史、应力路径等众多因素有关，目前一般采用等压固结常规三轴加载试验得到的参数进行基坑支护结构设计，但是在实际工程中，土体处于K0固结（K0为静止土压力系数）状态，并且会经历与等压固结常规三轴加载试验中完全不同的应力路径。济南市某盾构工作井在基坑开挖时坑外土体侧向卸荷，后续施工过程中坑边有施工荷载，致使坑外土体应力状态变化复杂。坑外土体先侧向卸荷后竖向加荷，土体的应力路径为折线，这种情况非常特殊。国内外已有很多学者对黏土［1-7］、黄土［8-9］和砂土［10］等各种类型的土体进行了不同应力路径的研究。普通应力路径在p-q平面［其中p=（σ1+σ3）/2，q=（σ1-σ3）/2，σ1为竖向应力，σ3为水平应力］中都是直线，而K0固结先侧向卸荷后轴向加荷不排水剪切试验的应力路径是折线。目前土体的应力路径为直线的试验有很多，而类似本工程中应力路径为折线的试验较少。

本文中选用取自济南市某隧道附近的粉质黏土原状土样进行K0固结先侧向卸荷后轴向加荷不排水试验，模拟基坑开挖及盾构机构件吊装时坑外土体经历的真实应力路径，并与等压固结不排水常规三轴剪切试验和K0固结侧向卸荷不排水试验结果进行对比，探究先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊应力路径条件下粉质黏土的变形规律、孔压变化及强度指標。

1  应力路径分析

图1所示为基坑开挖影响区域划分［11］。以基坑开挖平面应变问题的应力路径为例，基坑开挖时周围土体影响区域一般分为主动区、被动区、过渡区3个区域，分别编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，并且每个区域土体的典型应力路径不同。

p-q平面—p=（σ1+σ3）/2， q=（σ1-σ3）/2， 其中

σ1为竖向应力， σ3为水平应力；K0—静止土压力系数；

a、b、c、d、e、f、g—应力路径上的点。

图2  基坑开挖及后续施工过程中土体经历的应力路径

历的应力路径。随着基坑的开挖，Ⅰ区土体首先被挖走，支护结构向坑内位移，导致土体单元水平应力减小，竖向应力基本不变，水平应力由静止土压力向主动土压力变化，应力路径为c—d。然后Ⅱ区上覆土体被挖走，导致坑底土的竖向应力变小，而水平应力基本不变，应力路径为c—g。Ⅲ区土体位于基坑外侧与底部之间，随着基坑的开挖，土体单元在水平应力和竖向应力均减小，应力路径介于c—d与c—g之间。

基坑支护结构设计时常采用等压固结常规三轴加载试验取得的强度指标， 应力路径为a—b， 而实际工程施工过程中土体经历的应力路径并非如此。 在济南市某盾构工作井施工期间， 顶部吊装盾构机构件， 荷载常达上千吨， 即坑外土体先经历开挖侧向卸荷， 后经历吊装竖向加荷， 应力路径为c—e—f。在此背景下， 以Ⅰ区的土体为研究对象， 进行K0固结先侧向卸荷后轴向加荷不排水剪切试验， 并与等压固结不排水常规三轴剪切试验、K0固结侧向卸荷不排水剪切试验结果进行对比， 讨论不同应力路径条件下土体的变形规律、孔压变化及强度指标

。

2  试验

为了反映同一深度处土体经历不同应力路径时的区别，3个方案分别选取200、300、400 kPa这3个轴压。方案1即等压固结不排水常规三轴剪切试验，固结时采用等压固结，围压等于轴压；剪切时围压不变，轴向加荷直到土样破坏，选取200、300、400 kPa这3个围压后，增加轴压至土样破坏。方案2即K0固结侧向卸荷不排水剪切试验，固结时采用K0固结，围压等于轴压乘以静止土压力系数K0；剪切时轴压不变，围压减小至土样破坏，选取200、300、400 kPa这3个轴压后， 减小围压至土样破坏。 方案3即K0固结先侧向卸荷后轴向加荷不排水剪切试验， 固结时采用K0固结， 围压等于轴压乘以静止土压力系数K0；剪切时先控制轴压不变， 围压减小到目标值， 然后控制围压不变， 轴向加荷至土样破坏；选取200、300、400 kPa这3个初始轴压， 先分别减小围压至初始围压的90%、75%、60%， 卸荷比分别为0.10、0.25、0.40， 然后增加轴压至土样破坏。

试验所取原状土样为济南市某隧道附近的典型粉质黏土， 土样取土深度约为20 m。 采用抽气饱和法进行土样饱和， 在土样固结前进行B值检测， 检测土样饱和度，要求B值为95%以上。 若B值达不到95%， 则进行反压饱和， 直到饱和度满足要求。 根据国家标准GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》［12］， 破坏点取值为偏应力的峰值点， 如果偏应力无峰值点， 则破坏点取轴向应变达到15%的点。 方案1采用应变控制式， 剪切速率为0.04 mm/min， 由于仪器在减围压时无法采用应变控制， 因此方案2、3采用应力控制式， 控制整个剪切过程的时间与方案1的一致。 参考文献［13］，K0取为0.67。粉质黏土原状土样的物理性质指标如表1所示。

3  结果与分析

根据3种试验方案进行试验。 图3所示为3种应力路径条件下偏应力与轴向应变的关系。 从图3（a）中可以看出， 偏应力无峰值点，前期呈现弹性变形，硬化特征较明显，固结时围压越大，则土体破坏时最大偏应力越大。从图3（b）中可以看出：变形分为2个部分， 前半部分是缓慢变形， 后半部分是破坏变形。在卸荷初期，土样为弹性变形，后期出现明显的塑性变形，并且土体在轴向变形很小的情况下即发生破坏， 说明粉质黏土基坑在破环前应变较小， 不易察觉， 在偏应力达到破坏值时， 变形破坏迅速发生， 即基坑开挖时土体竖向变形较小， 但是破坏迅速。 从图3（c）、（d）、（e）中可以看出：侧向卸荷阶段土体呈现弹性变形且应变较小。 土体的破坏强度与卸荷量有关， 卸荷量越大， 则土样的破坏强度越小。 在卸荷期和轴向加压前期， 试验曲线重合度比较高， 在轴向应变约为0.5%时， 曲线开始分开， 随卸荷量的不同而破坏强度不同， 表明实际工程中基坑开挖卸荷量不同，坑外土的竖向承载力也不同。

3个方案的偏应力-轴向应变试验曲线均为非线性曲线，在土样破坏之前，偏应力随着轴向应变的增大而增大，并且具有明显的硬化特性。方案3的试验曲线形状在卸荷阶段与方案2的相似，轴向加荷阶段与方案1的相似，方案2的试验曲线形状与方案1的差距较大。

图4所示为相同轴压時3种应力路径条件下偏应力与轴向应变的关系。从图中可以看出：在初始轴压相同的情况下，应力路径不同，则破坏强度不同。方案1应力路径条件下土样的破坏强度最大，方案3的次之，方案2的最小。方案3围压卸荷阶段的试验曲线形状与方案2的类似，在轴向应变变化较小的情况下偏应力变化迅速；轴向加荷阶段的试验曲线形状与方案1的类似，偏应力与轴向应变都有明显变化，说明不同应力路径条件下粉质黏土的破坏强度和变形规律都不同。

图5所示为3种应力路径条件下孔压与轴向应变的关系。从图中可以看出：由于仪器无法测出负孔压， 负孔压在图中显示为0， 因此无法测出方案2

中的孔压，方案2中孔压全程为0；由于仪器无法测出方案3减围压阶段孔压，因此方案3减围压阶段孔压全程为0。本试验主要研究方案3。从图5（a）中可以看出，最大孔压随着围压的增大而增大，随着轴向应变的增大，孔压呈先增大后减小的趋势。从图5（b）、（c）、（d）中可以看出：因为方案3剪切时先减围压，所以应变前期会产生负孔压，轴向应变较小时，图中显示孔压为0。当卸荷比为0.10时，由于土样的卸荷较小，因此负孔压对应的轴向应变很小。在同一初始固结围压时，卸荷比越小，剪切所产生的最大孔压越大。不同初始固结围压时，最大孔压随着初始固结围压的增大而增大。与方案1相同，随着轴向应变的增大，孔压呈先增大后减小的趋势。由此可知，孔压的变化受应力路径的影响。

3种应力路径条件下粉质黏土的强度指标如表2所示。由于仪器无法测量负孔压，因此方案2无法得出有效黏聚力和有效内摩擦角。由表可知：对于方案3，卸荷比越大，则有效黏聚力越大，有效内摩擦角越小；与方案1相比，有效内摩擦角较小， 随着卸荷比的增大，有效黏聚力从小于方案1中的逐渐增至大于方案1中的，说明粉质黏土的强度指标也与应力路径有关。

4  结论

为了得到先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊工况下坑外土体的变形规律、孔压变化和强度指标， 本文中采用济南市某隧道附近的粉质黏土原状土样进行了3个方案的土工试验， 得出以下主要结论：

1）3个方案的偏应力-轴向应变试验曲线均为非线性曲线，呈现明显硬化特性，土样破坏强度随着固结围压的增大而增大。方案2中土样在卸荷初期表现出明显的弹性变形，弹性变形范围对应的轴向应变较小，后期呈现明显的塑性变形且破坏较迅速，方案3中土样侧向卸荷阶段土体呈现弹性变形且应变较小，土体的破坏强度与卸荷量有关，卸荷量越大，则土样的破坏强度越小。

2）在初始轴压相同的情况下，应力路径不同，则破坏强度不同，方案1应力路径条件下土样的破坏强度最大，方案3的次之，方案2的最小。

3）方案1、3中孔压随着轴向应变的增大呈先增大后减小的趋势。在方案3中，根据卸荷比的不同，最大孔压不同；卸荷比越小，则最大孔压越大。

4）在方案3中，卸荷比越大，则有效黏聚力越大，有效内摩擦角越小。与方案1相比，方案3得出的有效内摩擦角较小，随着方案3中卸荷比的增大，有效黏聚力从小于方案1中的逐渐增至大于方案1中的。

5）在先基坑开挖后坑边大吨位吊装的特殊工况下， 由于基坑开挖侧向卸荷量不同， 因此坑边加载时坑外土体的承载力不同。 卸荷比越大， 则承载力越小。 基坑开挖时坑外土体会产生负孔压， 坑边加载时坑外土体产生正孔压。 相对于坑边加载， 基坑开挖时的坑外土体变形较快。 不同应力路径条件下粉质黏土的变形规律、孔压变化和强度指标都不相同。

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（责任编辑：王  耘）