王祥秋，鄭土永，胡子萱

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528000）

大量土工試驗(yàn)結(jié)果表明土體力學(xué)狀態(tài)取決于加卸載方式以及先期受荷狀態(tài)。不同荷載方式作用下，土的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展過程不一樣。基坑開挖一個(gè)典型的卸荷過程，土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者針對軟土卸荷力學(xué)特性開展了一系研究工作［1-11］，取得了若干有工程實(shí)用價(jià)值的研究成果。但由于對基坑開挖土體進(jìn)行計(jì)算或研究時(shí)，采用室內(nèi)常規(guī)加載試驗(yàn)力學(xué)指標(biāo)，其分析結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異，對基坑的安全與穩(wěn)定產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇合適的試驗(yàn)方法獲取相應(yīng)的力學(xué)模型及其參數(shù)對實(shí)際工程設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文針對基坑開挖土體卸荷特性，采用GDS飽和-非飽和土三軸應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器，分別進(jìn)行RTC、RTE及UL應(yīng)力路徑試驗(yàn)，探討不同應(yīng)力路徑下軟土卸荷力學(xué)特性，為分析研究珠三角地區(qū)淤泥質(zhì)軟土深基坑施工開挖力學(xué)性態(tài)提供試驗(yàn)研究基礎(chǔ)。

1 軟土卸荷應(yīng)力路徑試驗(yàn)

基坑開挖土體卸荷變形是一個(gè)十分復(fù)雜的變化過程，它會(huì)受到許多因素的影響，例如初始應(yīng)力狀態(tài)、支護(hù)形式和施工方法?；娱_挖過程本質(zhì)是基坑開挖面卸荷過程，卸荷引起坑底土體產(chǎn)生向上的軸向位移以及樁體或墻體產(chǎn)生向內(nèi)移動(dòng)的水平位移。在理論研究中，將開挖區(qū)域某些特殊部位土體變形過程進(jìn)行簡化，采用實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力路徑定量化研究。

（1）RTC應(yīng)力路徑：模擬支擋結(jié)構(gòu)及坑側(cè)土體隨著開挖向坑中發(fā)生水平移動(dòng)，水平向應(yīng)力逐漸減小的應(yīng)力變化過程。即軸向應(yīng)力不變（Δσa=0），圍壓減?。éう襝＜0），最大主應(yīng)力為軸向應(yīng)力（σ1=σa），最小主應(yīng)力為圍壓（σ3=σc）。在p-q平面坐標(biāo)中，RTC應(yīng)力路徑如圖1線段AB所示。

（2）RTE應(yīng)力路徑：模擬基坑底部土體當(dāng)上覆土層移除后，坑底土體因軸向自重應(yīng)力減小而產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，水平向應(yīng)力保持不變或減少的過程。即周圍壓力不變（Δσc=0），軸向應(yīng)力減小（Δσa＜0）。在p-q平面坐標(biāo)中，RTE應(yīng)力路徑可用圖1線段AC表示。

（3）UL應(yīng)力路徑：模擬基坑底部被動(dòng)區(qū)的土體，因開挖卸荷豎向自重應(yīng)力減小，同時(shí)由于坑側(cè)土體向坑內(nèi)移動(dòng)，水平向應(yīng)力增加的應(yīng)力變化過程。即軸向卸荷（Δσa＜0），水平應(yīng)力增大（Δσc＞0）。最大主應(yīng)力為圍壓（σ1=σc），最小主應(yīng)力為軸向應(yīng)力（σ3=σa）。在p-q平面坐標(biāo)中，UL應(yīng)力路徑可用圖1線段AMD表示。

本文以珠三角地區(qū)典型淤泥質(zhì)軟粘土為研究對象，GDS飽和-非飽和土三軸應(yīng)力路徑試驗(yàn)儀器進(jìn)行RTC、RTE、UL 3種基坑開挖卸荷應(yīng)力路徑試驗(yàn)。具體卸荷應(yīng)力路徑試驗(yàn)方案如表1所示，試驗(yàn)過程及典型試樣破壞形態(tài)如圖2所示。

圖1 基坑開挖應(yīng)力路徑示意圖

表1 軟土卸荷應(yīng)力路徑試驗(yàn)方案

圖2 試驗(yàn)過程及試樣破壞形態(tài)

2 軟土卸荷力學(xué)特性分析

2.1 不同卸荷路徑應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

利用試驗(yàn)過程中獲取的軸向偏差應(yīng)力（σ1-σ3）和軸向應(yīng)變εa數(shù)據(jù)，繪制不同卸荷應(yīng)力路徑下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 不同卸荷路徑應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖3可知，RTE和UL為軸向卸荷應(yīng)力路徑，試樣均表現(xiàn)為軸向拉伸，RTC應(yīng)力路徑為側(cè)向卸荷類，試樣表現(xiàn)為軸向壓縮；3種應(yīng)力路徑下的（σ1-σ3）～ε1曲線均接近于雙曲線型。在低應(yīng)變情況下應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性。隨著圍壓增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線向應(yīng)力軸靠近，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性。在圍壓相同的情況下，RTC應(yīng)力路徑破壞時(shí)的偏差應(yīng)力峰值（σ1-σ3）f大于RTE和UL兩種應(yīng)力路徑，初始變形模量小于RTE和UL兩種應(yīng)力路徑。RTE和UL兩種應(yīng)力路徑在低圍壓下呈加工硬化型，在高圍壓下呈加工軟化型。RTC應(yīng)力路徑在整個(gè)試驗(yàn)過程均表現(xiàn)為加工硬化型。

2.2 不同卸荷路徑孔壓特性分析

利用試驗(yàn)過程中獲取的孔隙壓力u和軸向應(yīng)變ε數(shù)據(jù)，繪制不同卸荷應(yīng)力路徑下的孔隙壓力-軸向應(yīng)變（u-ε）曲線，如圖4所示。

圖4 不同應(yīng)力路徑下軸向應(yīng)變-孔壓關(guān)系曲線

由圖4可知，在RTC應(yīng)力路徑和RTE應(yīng)力路徑下，孔壓隨應(yīng)變的發(fā)展由正值變?yōu)樨?fù)值，土體由剪縮性發(fā)展為剪脹性。在RTC應(yīng)力路徑中，土體在應(yīng)變?yōu)?%～5%時(shí)，土體進(jìn)入剪脹狀態(tài)。在RTE應(yīng)力路徑中，土體在應(yīng)變絕對值為5%～7%時(shí)，土體進(jìn)入剪脹狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)變絕對值為15%～16%時(shí)，土體將達(dá)到破壞狀態(tài)，孔隙壓力短時(shí)間內(nèi)迅速增大，在高圍壓下由剪脹性向剪縮性發(fā)展。UL應(yīng)力路徑在低圍壓下，當(dāng)應(yīng)變絕對值為10%左右時(shí)，土體進(jìn)入剪脹狀態(tài)，在高圍壓下孔壓始終為正值，只表現(xiàn)剪縮性。由此說明，在基坑開挖過程中，主動(dòng)區(qū)土體在側(cè)向卸荷下向坑內(nèi)移動(dòng)更容易出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，被動(dòng)區(qū)淺層土體在軸向卸荷下發(fā)生回彈隆起，被動(dòng)區(qū)深層土體影響較小。

被動(dòng)區(qū)土體在軸向卸荷下的u-ε曲線均具有相似的變形規(guī)律：u-ε曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)，孔壓隨應(yīng)變先增大后減小，減小到一定值后又增大。其原因?yàn)樵趹?yīng)力路徑剪切初期，土中有少量體積在偏應(yīng)力作用下被壓縮，孔隙水壓力增大。土體發(fā)生較大變形后，孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，土體在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大變形直至破壞，孔隙水壓力不能及時(shí)消散，出現(xiàn)瞬時(shí)增大的現(xiàn)象。

而主動(dòng)區(qū)土體在側(cè)向卸荷下孔壓隨應(yīng)變增加一直處于減小狀態(tài)。在壓縮過程中，土體逐漸向外膨脹，體積增大，孔隙水壓力減小。在同一路徑下，圍壓增大，孔隙水壓力峰值增加。在相同圍壓下，壓縮試驗(yàn)孔壓峰值大于拉伸試驗(yàn)。

2.3 不同卸荷應(yīng)力路徑變形特性分析

由于應(yīng)力路徑試驗(yàn)得出的有效平均應(yīng)力P'、偏應(yīng)力q及軸向應(yīng)變ε可以反映土體變形特性。利用試驗(yàn)過程中獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別繪制出不同應(yīng)力路徑下的有效平均應(yīng)力-應(yīng)力路徑曲線，如圖5所示。

圖5 不同應(yīng)力路徑下軸向應(yīng)變-平均有效應(yīng)力曲線

由圖5可知，3種應(yīng)力路徑下的有效平均應(yīng)力曲線具有形似的變形特征，即有效平均應(yīng)力隨軸向應(yīng)變先減小后增大，曲線上均有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。在RTE應(yīng)力路徑和UL應(yīng)力路徑中，拐點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變絕對值為3%，RTC應(yīng)力路徑拐點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?%。該拐點(diǎn)稱為相變點(diǎn)，可作為衡量土體破壞的指標(biāo)。

對于應(yīng)力路徑RTE和UL，當(dāng)應(yīng)變小于3%時(shí)，孔隙水壓力為正值且隨應(yīng)變增大而增大，有效平均應(yīng)力減?。划?dāng)應(yīng)變大于3%時(shí)，孔隙水壓力隨應(yīng)變增大而減小，孔壓減小的速度大于軸向卸荷的速度，有效平均壓力隨應(yīng)變緩慢增加。當(dāng)孔壓減小到負(fù)值時(shí)，有效平均應(yīng)力快速增加，土體迅速達(dá)到破壞狀態(tài)。對于應(yīng)力路徑RTC，當(dāng)應(yīng)變小于4%時(shí)，孔隙水壓力隨應(yīng)變減小且為正值，有效平均應(yīng)力減??；當(dāng)應(yīng)變大于4%時(shí)，孔隙水壓力為負(fù)值，有效平均應(yīng)力增加。

有效平均應(yīng)力曲線中的相變點(diǎn)在有效應(yīng)力路徑曲線中的反映形式，如圖6所示。有效應(yīng)力路徑中的拐點(diǎn)即是有效平均應(yīng)力曲線中的相變點(diǎn)，有效應(yīng)力路徑中的拐點(diǎn)是土體的屈服點(diǎn)。同一路徑中，土體在不同圍壓下的屈服點(diǎn)處在一條直線上。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，孔壓的變化直接反映了有效應(yīng)力路徑的變化，利用孔壓的變化可以判斷實(shí)際工程施工中土體不能及時(shí)排水時(shí)的破壞狀態(tài)。

圖6 不同應(yīng)力路徑下偏應(yīng)力-有效平均應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

（1）在軟土深基坑開挖過程中，RTC、RTE和UL 3種不同卸荷應(yīng)力路徑可較真實(shí)地模擬基坑不同開挖區(qū)域土體特殊的力學(xué)性態(tài)及變形過程。其中UL應(yīng)力路徑可較好地模擬基坑底部被動(dòng)區(qū)的土體，因開挖卸荷豎向自重應(yīng)力減小及基坑內(nèi)側(cè)土體向坑內(nèi)移動(dòng)，導(dǎo)致水平方向應(yīng)力增加的應(yīng)力變化過程。

（2）在低應(yīng)變情況下應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性。在RTE和UL兩種應(yīng)力路徑下，淤泥質(zhì)軟土在低圍壓下即呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，當(dāng)圍壓水平較高時(shí)則呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。而在RTC應(yīng)力路徑條件下，淤泥質(zhì)軟土在整個(gè)試驗(yàn)過程均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性。

（3）在RTC、RTE和UL 3種不同卸荷應(yīng)力路徑下，有效平均應(yīng)力-偏差應(yīng)力曲線具有形似的變形特征，曲線上均存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)（即相變點(diǎn)）。在RTE應(yīng)力路徑和UL應(yīng)力路徑中，拐點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變絕對值為3%，RTC應(yīng)力路徑拐點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?%。該拐點(diǎn)可作為衡量土體破壞的指標(biāo)。