陳志濤 賈景超

(華北水利水電大學地球科學與工程學院 河南鄭州 450011)

0 引言

在基坑開挖、隧道開挖、邊坡削坡等實際工程中都存在著卸荷問題。劉強等[1]進行了卸荷條件下的直剪試驗，得到卸荷土體的抗剪強度隨著先期固結(jié)壓力的增大而增大，隨著滯留時間的增大而減少。張淑朝等[2]進行了三軸應力路徑試驗，對K0固結(jié)試樣按軸向和側(cè)向卸荷比3∶1進行卸荷試驗，然后對卸荷應力-應變曲線進行雙曲線擬合。王沛等[3]進行了K0固結(jié)軸向卸荷試驗，得到試樣的應力-應變關系曲線呈軟化特性。王祥秋等[4]對珠三角地區(qū)典型土層進行了常規(guī)三軸試驗和真三軸卸荷試驗，得到側(cè)向卸荷條件下土體的抗剪強度指標較常規(guī)三軸試驗大幅度降低，且有效應力指標降低幅度大于總應力指標。湯斌等[5]利用應力控制式三軸儀進行了加、卸荷作用下軟黏土變形特性的室內(nèi)試驗研究，得到加荷和卸荷大小相同時，卸荷變形量比加荷變形量要小。卸荷比例較小時，試樣回彈量小，當卸荷比例達到某一定值時變形量顯著增大，最后趨于穩(wěn)定。

學者們通過直剪試驗、三軸試驗和真三軸試驗對卸荷問題進行了研究。但是，隧道開挖、邊坡削坡等工程中土體所受應力狀態(tài)為平面應變狀態(tài)，不同于一維或軸對稱應力狀態(tài)。因此，有必要對平面應變卸荷問題進行研究。本文針對卸荷問題中的側(cè)向卸荷進行研究。由于側(cè)向卸荷過程中豎向荷載不變而側(cè)向荷載逐漸減少，此時土體的應力路徑與常規(guī)豎向加荷而側(cè)向荷載不變的路徑明顯不同，將對土體的應力-應變關系產(chǎn)生影響，因此，本文將探討平面應變條件下豎向加荷與側(cè)向卸荷路徑對土體應力-應變關系的影響。

1 試驗儀器及試驗過程

試驗中所用儀器為新型平面應變儀，如圖1所示，前后零應變方向為一塊鋼板、一塊有機玻璃板，通過螺栓確保試驗過程中零應變方向位移為零。側(cè)向和豎向為剛性加載板，通過砝碼施加荷載。剛性加載板與應力傳感器和位移傳感器連接，記錄試驗過程中力與位移的變化。試驗中所用試樣尺寸為100mm×100mm×20mm。

(a)

(b)圖1 新型平面應變儀

試驗所用土為鄭州地區(qū)土層中普遍存在的粉土，其塑限15.6%，液限15.6%，GS=2.61，最大干密度為2.06g/cm3，最優(yōu)含水率16.36%。試驗所用試樣干密度為1.58g/cm3，含水率為16%。試樣制備過程采用壓樣法，以確保試樣干密度達到要求。采用真空飽和法對試樣進行飽和，飽和度不低于95%。

安裝試樣前，先在前后面板涂抹凡士林以降低面板對試樣的摩擦，然后安裝試樣；安裝前面有機玻璃板，并通過螺栓固定在儀器上。試樣安裝好后，將加載板與試樣接觸良好，將力和位移傳感器歸零，然后在豎向加載板和側(cè)向加載板上通過砝碼施加應力進行固結(jié)。試樣固結(jié)采用等壓固結(jié)。在《土工試驗規(guī)程》[6]靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗中，粘質(zhì)土試驗試樣變形穩(wěn)定標準為每小時變形不大于0.01mm。由于該試驗中試樣高度與本試驗中試樣高度接近，故本固結(jié)完成的標準定為每小時變形量不超過0.01mm。試驗條件為排水。試驗過程采用應力控制，通過增加或減少砝碼在試樣上施加應力。在加荷試驗中，逐漸添加豎向加載板的砝碼，以實現(xiàn)豎向荷載逐漸增大而側(cè)向荷載不變；側(cè)向卸荷試驗中，逐漸減少側(cè)向加載板的砝碼，以實現(xiàn)豎向荷載不變而側(cè)向荷載逐漸減少。由于試驗儀器的原因，加荷試驗的初始固結(jié)應力為50kPa、75kPa、100kPa；側(cè)向卸荷試驗的初始固結(jié)應力為200kPa、300kPa、400kPa。在增加或減少砝碼的過程中，當在一級荷載下試樣變形穩(wěn)定后再施加下一級荷載，每級荷載為10kPa或20kPa。

2 試驗結(jié)果分析

圖2為加荷試驗應力-應變曲線，圖3為側(cè)向卸荷試驗應力-應變曲線。其中ε1為豎向應變，σ1、σ3分別為豎向應力和側(cè)向應力。

圖2 豎向加荷試驗應力-應變曲線

圖3 側(cè)向卸荷試驗應力-應變曲線

如圖2～圖3所示，加、卸荷路徑下，不同初始固結(jié)側(cè)向應力時，粉土的應力-應變曲線均為硬化型；剪切初始階段，各曲線差異性較?。划斬Q向應變達到2%左右時，隨著剪切的進行，各曲線差異性增大，曲線的切線模量，隨著固結(jié)應力的增大而增大；剪切破壞時的主應力差，隨著固結(jié)應力的增大而逐漸增大。不同的是：豎向加荷路徑下，試樣的應力-應變曲線為強硬化性；側(cè)向卸荷條件下，試樣的應力-應變曲線為弱硬化型[7]。卸荷試驗固結(jié)應力200kPa、300kPa、400kPa時所對應的破壞主應力差為164kPa、241.75kPa、325.25kPa，加荷試驗固結(jié)應力50kPa、75kPa、100kPa時，所對應的破壞主應力差為419.8kPa、508.65kPa、561.9kPa，在卸荷初始固結(jié)應力大于加荷初始固結(jié)應力的條件下，卸荷剪切破壞時的主應力差，明顯小于加荷剪切破壞時的主應力差。

從變形的角度看，所謂土的強度就是處于某種應力狀態(tài)，在這種應力狀態(tài)下，微小的應力增量可引起很大的或者不確定的應變增量，土體發(fā)生破壞。對于豎向加荷試驗，按照常規(guī)三軸試驗的破壞條件試樣破壞時，應變?nèi)?5%。卸荷條件下，存在著某級荷載卸除后，豎向應變急劇增大，土體發(fā)生破壞，據(jù)此條件試樣破壞時的應變?yōu)?%～4%，試樣破壞圖片如圖4所示。側(cè)向卸荷試驗破壞時的應變，明顯小于豎向加荷條件破壞時的應變，且側(cè)向卸荷破壞時的應變隨著初始固結(jié)應力的增大而增大，如圖3中虛線箭頭所示。這說明在基坑開挖等實際工程中，隨著開挖的進行，土體會在較小的變形條件下發(fā)生脆性破壞。

豎向加荷試驗在試驗過程中，偏應力逐漸增大同時側(cè)向約束不變；而側(cè)向卸荷試驗在試驗過程中，隨著偏應力的增大，側(cè)向約束逐漸減弱。約束的減弱，使得卸荷試驗中試樣在較小應變時發(fā)生破壞，應變急劇增大，抗剪能力降低，同時導致側(cè)向卸荷路徑下試樣發(fā)生破壞時的偏應力要小于加荷試驗。

(a)豎向加荷路徑

(b)側(cè)向卸荷路徑圖4 試樣破壞圖片

初始固結(jié)完成時，在試樣內(nèi)部會形成結(jié)構性，使土體具有初始抵抗力。在側(cè)向卸荷試驗中，側(cè)向應力逐漸減少，側(cè)向約束減弱；當偏應力大于初始抵抗力后，土體結(jié)構性破壞，側(cè)向變形急劇增大，試樣會發(fā)生脆性破壞，破壞時的應變較小。應力-應變曲線如圖3所示。在豎向加荷試驗中側(cè)向應力不變，側(cè)向約束不變，當偏應力大于初始抵抗力之后，土體結(jié)構性破壞，會引起試樣體積的進一步壓縮，表現(xiàn)為剪縮現(xiàn)象。應力-應變曲線如圖2所示。

如圖3所示，隨著初始固結(jié)應力的增大，試樣的極限豎向應變逐漸增大(極限豎向應變?yōu)閭?cè)向荷載減少到零，且試樣變形達到穩(wěn)定時的豎向應變)。初始固結(jié)應力分別為200kPa、300kPa、400kPa時，試樣對應的極限豎向應變?yōu)?2.248mm、18.585mm、19.998mm，相較之200kPa時的極限豎向應變，300kPa、400kPa時的極限豎向應變分別提高了51.7%、63.3%。這是由于在卸荷過程中偏應力逐漸增大而側(cè)向約束逐漸減少，且隨著初始固結(jié)應力的增大這種差異性越明顯，使得試樣極限豎向應變隨著初始固結(jié)應力增大而增大。同時，隨著初始固結(jié)應力增大，固結(jié)完成時試樣的密實度逐漸增大，試樣的抗剪能力增強，使得試樣的極限豎向應變隨初始固結(jié)應力增大而增大的幅度逐漸減少。說明試樣的變形能力隨著初始固結(jié)應力增大而增強。

3 結(jié)論

(1)加、卸荷路徑下，試樣的應力-應變曲線明顯不同，側(cè)向卸荷路徑下，應力-應變曲線為弱硬化型。

(2)側(cè)向卸荷路徑下，試樣發(fā)生破壞時的偏應力小于豎向加荷路徑。

(3)側(cè)向卸荷路徑下，試樣發(fā)生破壞時的應變明顯小于豎向加荷路徑，試樣在較小應變條件下發(fā)生脆性破壞。在開挖類工程中應加強變形監(jiān)測預警，避免發(fā)生坍塌事故。

(4)側(cè)向卸荷路徑下，試樣的極限豎向應變隨著初始固結(jié)應力的增大而增大。