周秋娟

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院市政工程系，廣州 510635)

在巖土工程中，土體的變形和強(qiáng)度特性關(guān)系到工程的穩(wěn)定與安全性問(wèn)題，是學(xué)者的研究重點(diǎn)。目前，針對(duì)加荷下土體的變形與強(qiáng)度特性研究頗為成熟［1－3］，而對(duì)開(kāi)挖卸荷下土體的變形與強(qiáng)度特性研究的稍為欠缺［4－5］，尤其是針對(duì)軟土。隨著沿海沿江城市的發(fā)展，軟土開(kāi)挖卸荷工程(如深基坑、地鐵隧道等)逐漸增多，用常規(guī)的土工加荷試驗(yàn)得到的土工參數(shù)進(jìn)行開(kāi)挖工程的數(shù)值模擬已越來(lái)越不能滿(mǎn)足工程的需要，因此本文根據(jù)現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀與實(shí)際工程的需要進(jìn)行了軟土的卸荷變形、強(qiáng)度特性研究，重點(diǎn)探討了軟土的卸荷強(qiáng)度及卸荷模量。

1 土體卸荷強(qiáng)度試驗(yàn)方法探討

根據(jù)文獻(xiàn)資料［4－9］，土體的卸荷強(qiáng)度試驗(yàn)大致有3種方法，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹并分析:

(1)三軸軸向卸載(拉伸)試驗(yàn)［5－7］，得到結(jié)論為:軸向卸載時(shí)的抗剪強(qiáng)度要比軸向加載時(shí)(常規(guī)三軸剪切試驗(yàn))的抗剪強(qiáng)度小，但是卸載下的強(qiáng)度參數(shù)c和φ比加載下的c和φ值稍大些，學(xué)者的解釋是橡皮膜的作用。該試驗(yàn)在軸向卸載時(shí)，對(duì)土體進(jìn)行了拉伸，使軸向應(yīng)力小于側(cè)向應(yīng)力，這使得土體的大小主應(yīng)力方向發(fā)生了改變，在這種情況下，用常規(guī)方法求c和φ值是有不妥之處的;且在實(shí)際工程中，土體是不允許承受拉力的，因此在研究卸荷土體的強(qiáng)度上該試驗(yàn)有欠缺之處。

(2)預(yù)壓卸荷后直接剪切試驗(yàn)［8－9］，得到結(jié)論為:在相同的豎向荷載下，土樣卸荷后的強(qiáng)度大于常規(guī)加荷下的強(qiáng)度。該試驗(yàn)通常是先對(duì)土樣進(jìn)行預(yù)壓，然后逐級(jí)卸荷后再進(jìn)行剪切。顯然，由于土樣受到的歷史最大荷載大于剪切時(shí)的荷載，此時(shí)土體強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)大于常規(guī)加荷下同等豎向荷載時(shí)的強(qiáng)度。因此，該試驗(yàn)得到的強(qiáng)度不能與常規(guī)直剪強(qiáng)度進(jìn)行比較，但在卸荷后土體的強(qiáng)度特性研究上是比較合理的。

(3)三軸側(cè)向卸荷剪切試驗(yàn)［4］，得到的結(jié)論為:三軸側(cè)向卸荷剪切試驗(yàn)得到的強(qiáng)度小于常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)下的強(qiáng)度，但強(qiáng)度參數(shù)大致相同。由于在數(shù)值計(jì)算中一般采用的是強(qiáng)度參數(shù)，實(shí)際工程中卸荷后土體的強(qiáng)度將減小，因此該試驗(yàn)獲得的強(qiáng)度參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有不合理之處，但在分析側(cè)向卸荷后土體的強(qiáng)度變化上是可取的。

以上土體卸荷強(qiáng)度試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與常規(guī)加荷下得到強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行比較時(shí)均有不足之處，主要原因是2種試驗(yàn)的剪切方法不同或是試驗(yàn)的起點(diǎn)不同。本文綜合前人的研究，考慮土體的初始固結(jié)狀態(tài)以及卸荷過(guò)程，重新設(shè)計(jì)了土體卸荷強(qiáng)度試驗(yàn):先對(duì)土體進(jìn)行k0固結(jié)，然后沿固結(jié)路徑進(jìn)行卸荷，卸荷完成后再進(jìn)行常規(guī)三軸剪切試驗(yàn);而與之對(duì)比的加荷強(qiáng)度試驗(yàn)則先對(duì)土體進(jìn)行k0固結(jié)，然后進(jìn)行常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)。

2 基本試驗(yàn)方案

通過(guò)對(duì)軟土卸荷抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法的探討，本文采用廣東典型原狀飽和軟土，進(jìn)行了不同卸荷方法下的卸荷強(qiáng)度試驗(yàn)。土樣的物理指標(biāo)如表1所示，具體的試驗(yàn)方案如表2所示，應(yīng)力路徑如圖1所示。

圖1 應(yīng)力路徑示意圖Fig.1 Schematic of stress paths

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 卸荷抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

通過(guò)不同卸荷抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)得到不同卸荷抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如圖2所示，并將強(qiáng)度指標(biāo)匯總于表3。

圖2 不同試驗(yàn)方法得到的摩爾包線Fig.2 Mohr’s envelopes obtained from different tests

從表3可以看出試驗(yàn)方法對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有較大影響。將 ICU與 DCU，IKCU與 DKCU，IGK與DGK進(jìn)行比較可知，相同的試驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢逗上碌膬?nèi)摩擦角及有效內(nèi)摩擦角均小于加荷下的內(nèi)摩擦角及有效內(nèi)摩擦角，除ICU與DCU的內(nèi)摩擦角情況例外。這是由于DCU是側(cè)向卸荷，莫爾圓是往原點(diǎn)方向移動(dòng)的，因此使得雖然卸荷下的抗剪強(qiáng)度較小，反而得到的強(qiáng)度指標(biāo)較大;但由于卸荷產(chǎn)生負(fù)孔壓，這又使得卸荷下的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)小于加荷下的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，這與實(shí)際工程中卸荷下土體的穩(wěn)定性較差相一致。因此，在工程實(shí)踐中，卸荷開(kāi)挖采用加荷(ICU，IKCU，IGK)下的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定分析將使得工程偏于不安全。

表1 土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of soil sample

表2 軟土卸荷抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方案Table 2 Schemes of test on the unloading shear strength of soft soil

表3 不同試驗(yàn)方法下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength parameters in different tests

進(jìn)一步比較3種不同卸荷(DCU，DKCU，DGK)方式下的強(qiáng)度指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，φ(DKCU)＜φ(DGK)＜φ(DCU)。實(shí)際基坑開(kāi)挖工程中，DCU的試驗(yàn)方式更符合實(shí)際工程，但DCU試驗(yàn)需采用應(yīng)力控制式三軸儀，對(duì)儀器要求較高，且試驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜、難度較高，而相同固結(jié)壓力下DKCU試驗(yàn)得到的峰值強(qiáng)度較大，因此，采用DGK代替DCU得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較為合適，且DGK試驗(yàn)也較為簡(jiǎn)單。

此外，相同的試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，卸荷下的黏聚力小于加荷下的黏聚力，這主要是由于卸荷土體類(lèi)似于超固結(jié)土，因此黏聚力大于正常固結(jié)土。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3為不同試驗(yàn)方法下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，不論是何種試驗(yàn)方法，變形曲線均為加工硬化型。加卸荷下應(yīng)力應(yīng)變曲線受試驗(yàn)方法的不同而不同，但是不論試驗(yàn)方式如何改變，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線均為雙曲線形式。從圖中還可以看出在相同的圍壓下，卸荷下的強(qiáng)度比相應(yīng)加荷下的強(qiáng)度小。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves

3.3 初始切線加/卸荷模量

在數(shù)值計(jì)算中，加/卸荷模量是土體本構(gòu)模型參數(shù)中的重要參數(shù)，部分學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究［4，10－11］。表4 給出了本文得到的不同加/卸荷強(qiáng)度試驗(yàn)下初始切線加/卸荷模量，將其匯成圖4所示。從圖4中可以看出，初始加/卸荷模量與平均固結(jié)壓力成線性關(guān)系，圖中給出了相應(yīng)的關(guān)系式。

表4 初始切線加/卸荷模量成果表Table 4 Results of initial tangential loading/unloading modulus

圖4 初始加/卸荷模量與平均固結(jié)壓力關(guān)系曲線Fig.4 Curves of initial loading/unloading modulus versus average consolidation pressure

從表4中可以看出，Eui(DCU)＜Eui(ICU)，Eui(DKCU)＜Eui(IKCU)，說(shuō)明在相同的荷載增/減量下，軟土卸荷變形將大于加荷變形，使土體在卸荷下強(qiáng)度變小，更容易受到破壞，這與實(shí)際工程中軟土在不排水情況下進(jìn)行開(kāi)挖卸荷時(shí)很容易發(fā)生滑坡、破壞等現(xiàn)象相符。同時(shí)也指出，用加荷下的加荷模量來(lái)代替卸荷下的卸荷模量將會(huì)使得工程偏于危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)不同試驗(yàn)方式下，土樣卸荷后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)都低于加荷下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo);對(duì)基坑工程而言，采用DCU(側(cè)向卸荷三軸試驗(yàn))更符合實(shí)際情況，鑒于該試驗(yàn)方法較難，可采用DGK(先預(yù)壓固結(jié)后卸荷至不同固結(jié)壓力再進(jìn)行快剪試驗(yàn))得到的指標(biāo)來(lái)代替。

(2)卸荷狀態(tài)下土體應(yīng)力應(yīng)變曲線仍為雙曲線形式，且曲線為加工硬化型;在相同的圍壓下，卸荷強(qiáng)度小于加荷強(qiáng)度。

(3)初始切線卸荷模量小于初始切線加荷模量，即用加荷下的加荷模量來(lái)代替卸荷下的卸荷模量將會(huì)使得工程偏于危險(xiǎn)。

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