仲曉晨 豐土根 蔣喆琦 趙怡荷

摘 ? 要：為了對(duì)比分析軸向加荷與側(cè)向卸荷應(yīng)力路徑對(duì)土體變形特性的影響，本文利用英國(guó)進(jìn)口的GDS應(yīng)力路徑三軸儀對(duì)土體進(jìn)行了軸向加荷排水剪切試驗(yàn)與側(cè)向卸荷排水剪切試驗(yàn)，并利用兩種試驗(yàn)得到的參數(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到側(cè)向卸荷與軸向加荷各自應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始切線模量及有限元計(jì)算結(jié)果之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：側(cè)向卸荷 ?應(yīng)力路徑 ?應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 ?有限元

中圖分類號(hào)：TU4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0036-02

在基坑開挖過程中，土體單元應(yīng)力路徑會(huì)隨著土體應(yīng)力場(chǎng)的改變而改變，起初人們這一問題有不同的觀點(diǎn)，一些學(xué)者[1]認(rèn)為土體中存在加荷的現(xiàn)象，但有些學(xué)者認(rèn)為土體均處于卸荷狀態(tài)[2-3]。目前，已經(jīng)有比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)[4]認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)的土體主要是側(cè)向卸荷，而基坑底部的土體主要為軸向加荷。早期，人們對(duì)應(yīng)力路徑的試驗(yàn)主要是采用普通三軸儀進(jìn)行的[5-6]，后期隨著試驗(yàn)儀器的更新許多學(xué)者采用真三軸儀進(jìn)行應(yīng)力路徑試驗(yàn)[7-8]。本文利用GDS應(yīng)力路徑三軸儀[9-10]對(duì)土體進(jìn)行軸向加荷與側(cè)向卸荷兩種應(yīng)力路徑試驗(yàn)，更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)側(cè)向卸荷條件下土體的強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行研究。文中利用加荷與卸荷試驗(yàn)得到的參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形并與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而更加直觀的比較應(yīng)力路徑對(duì)土體變形特性的影響。

1 ?試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)采用擾動(dòng)試樣，土樣為取自蘇州工業(yè)園區(qū)星海街站地下車庫(kù)項(xiàng)目的基坑工程附近的典型粘土與粉質(zhì)粘土。土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。土樣大小為39.1m×80m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 固結(jié)方案

軸向加荷試驗(yàn)采用等向排水固結(jié)，A組的圍壓為50、100、200kPa，B組的圍壓為100、150、200kPa。側(cè)向卸荷試驗(yàn)采用偏壓排水固結(jié)，A、B兩組的偏壓應(yīng)力比分別為K=0.48、K=0.51。A組的固結(jié)壓力終值為50、100、200kPa，B組的固結(jié)壓力終值為100、150、200kPa。

1.2.2 剪切方案

采用應(yīng)變控制的排水剪切過程，軸向加荷試驗(yàn)剪切速率為0.0048mm/min，側(cè)向卸荷試驗(yàn)卸荷速率為10kPa/h。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 不同應(yīng)力路徑土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖1可知，兩種土樣在不同固結(jié)壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為非線性的上升曲線，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加呈加工硬化型;同一應(yīng)力路徑下，土體的切線模量及極限強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加;在試驗(yàn)中，土體的破壞條件均為軸向應(yīng)變達(dá)到15%，說明本次試驗(yàn)中土體的變形能力都比較大。

側(cè)向卸荷應(yīng)力路徑下，初始切線模量普遍大于常規(guī)三軸試驗(yàn)得到的初始切線模量;當(dāng)應(yīng)變值很小時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，并且隨固結(jié)壓力的減小，土地進(jìn)入塑性狀態(tài)的應(yīng)變值越小。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在實(shí)際工程中，實(shí)測(cè)的圍護(hù)墻后主動(dòng)區(qū)土體壓力值在側(cè)向應(yīng)變較小的情況下，其大小就接近主動(dòng)土壓力值，從而說明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移決定著基坑周圍上部土體的破壞程度;在圍壓相同的情況下，土體經(jīng)過側(cè)向卸荷應(yīng)力路徑后，其達(dá)到剪切破壞狀態(tài)時(shí)的剪應(yīng)力明顯小于常規(guī)三軸加荷試驗(yàn)的破壞剪應(yīng)力值。這說明，側(cè)向卸荷過程降低了土體抵抗剪切破壞的能力。

1.3.2 不同應(yīng)力路徑下的抗剪強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)中采用的破壞準(zhǔn)則為應(yīng)變超過極限應(yīng)變（15%）而破壞，圖2為不同應(yīng)力路徑下土體的強(qiáng)度包線。由圖分析可知，粘土與粉質(zhì)粘土兩種土樣，在常規(guī)三軸加荷與側(cè)向卸荷兩種應(yīng)力路徑下得到的強(qiáng)度指標(biāo)相近，所以，可以利用常規(guī)三軸試驗(yàn)所得的強(qiáng)度指標(biāo)來代替?zhèn)认蛐逗蓱?yīng)力路徑下的強(qiáng)度指標(biāo)。

2 ?數(shù)值計(jì)算

利用加荷試驗(yàn)結(jié)果獲得的參數(shù)采用鄧肯-張模型建立模型，在基坑開挖過程中，基坑已經(jīng)降水充分，不考慮非飽和土性質(zhì)和滲流場(chǎng)對(duì)土體的影響，采用濕重度，進(jìn)行二維有限元模擬。

由圖3可得：（1）側(cè)向卸荷的計(jì)算結(jié)果與加荷的計(jì)算結(jié)果的規(guī)律是相同的，且側(cè)向卸荷的計(jì)算結(jié)果小于加荷的計(jì)算結(jié)果，兩種計(jì)算結(jié)果均大于實(shí)測(cè)結(jié)果;（2）開挖結(jié)束后墻體的最大變形出現(xiàn)在13m處。計(jì)算結(jié)果的最大位移出也出現(xiàn)在這附近;（3）計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的最大值相近，側(cè)向卸荷條件下的計(jì)算結(jié)果更貼近于實(shí)測(cè)結(jié)果。

由此可知應(yīng)力路徑對(duì)土體的變形特性具有一定的影響，在實(shí)際工程中，應(yīng)盡可能的采用與工程實(shí)際應(yīng)力路徑相符的試驗(yàn)得到土體的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少工程造價(jià)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

（1）兩種土樣在不同固結(jié)壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為非線性的上升曲線，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加呈加工硬化型;卸荷應(yīng)力路徑下土樣在應(yīng)變很小的時(shí)候就進(jìn)入了塑性流動(dòng)狀態(tài)。

（2）對(duì)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：粘土與粉質(zhì)粘土兩種土樣，在常規(guī)三軸加荷與側(cè)向卸荷兩種應(yīng)力路徑下得到的強(qiáng)度指標(biāo)相近。

（3）利用側(cè)向卸荷試驗(yàn)結(jié)果得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形更加貼近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用其進(jìn)行設(shè)計(jì)可以更加節(jié)省材料，減小工程造價(jià)。

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