楊 娜

（河北省遷安市水利局，河北 遷安 064400）

基坑工程中，土體承載力學(xué)特征直接影響基坑支護(hù)、開(kāi)挖工序等技術(shù)問(wèn)題［1,2］，討論基坑土體力學(xué)特性，有助于揭示基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力較弱、土體沉降等內(nèi)在原因。賈佳［3］、張巖等［4］為研究基坑土體的力學(xué)特征，借助離散元仿真建模方法，分析土體離散元模型的細(xì)觀變化，分析不同尺寸的裂隙變化，從離散元細(xì)觀計(jì)算的角度，分析土體裂隙的生成演變及裂隙對(duì)宏觀破壞影響。崔宏環(huán)等［5］、朱偉崇等［6］為研究干濕、凍融等不同物理作用下土體力學(xué)特征變化，借助室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)展物理場(chǎng)耦合作用下土體力學(xué)試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)間變化關(guān)系，從而歸納獲得土體力學(xué)本構(gòu)理論模型，為實(shí)際工程建設(shè)提供理論依據(jù)。岳建偉等［7］、胡煥校等［8］通過(guò)SEM、CT 掃描等設(shè)備，探討土體的力學(xué)特征變化，分析土體在不同狀態(tài)下宏、細(xì)觀特征對(duì)比關(guān)系，從細(xì)觀機(jī)理變化解釋宏觀應(yīng)力、變形等特征。本文為研究土釘加固粉質(zhì)黏土體在干濕交替下力學(xué)特征變化，分析土體宏觀應(yīng)力、應(yīng)變的變化特征，也從SEM 掃描圖像中探討土體的細(xì)觀變化，豐富基坑工程設(shè)計(jì)參考成果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程介紹

在遷安市城西擬建一綜合辦公樓，基坑開(kāi)挖深度為7.8～9.4 m，所在場(chǎng)地地層特征如圖1，按照基坑平面設(shè)計(jì)布置方案，開(kāi)挖坡度為1∶0.5，以?xún)A斜土釘形式在開(kāi)挖層中錨固，傾角為15°，長(zhǎng)度依次為9，7.5，7.5，6 m，土釘配筋層按照加密區(qū)、非加密區(qū)進(jìn)行設(shè)置，土層含水率為9%～12%，各階段開(kāi)挖中最大位移可達(dá)15 mm，中部粉質(zhì)黏土層抗剪能力較差，易產(chǎn)生開(kāi)挖滑動(dòng)體，對(duì)基坑開(kāi)挖安全帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。在考慮基坑整體開(kāi)挖穩(wěn)定性的前提下，一方面設(shè)計(jì)開(kāi)展土釘錨固處理，另一方面加大開(kāi)挖支護(hù)面，保障作業(yè)安全可靠性。圖2 為基坑另一處土釘錨固典型斷面特征，主要針對(duì)含夾層軟弱面的粉質(zhì)黏土層，錨管直徑均為48 mm，長(zhǎng)度不同于圖1 非加密區(qū)布置斷面，自上而下共有5 根錨桿，分別為6，6，4.5，4.5，4.5 m，此斷面土層含水率為18%～22%。整體上分析認(rèn)為，該基坑粉質(zhì)黏土作為持力層，所采用的土釘加固設(shè)計(jì)在水平、豎向間距均有一定差異，且土釘加固粉質(zhì)黏土承載力學(xué)效果與原狀（無(wú)釘）粉質(zhì)黏土的差異，還值得進(jìn)一步對(duì)比。在確定土釘加固方案的基礎(chǔ)上，開(kāi)展對(duì)土釘加固粉質(zhì)黏土區(qū)、無(wú)釘原狀粉質(zhì)黏土區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，并依托物理場(chǎng)作用，分析土釘加固粉質(zhì)黏土力學(xué)特征影響變化。

圖1 基坑土層分布特征

圖2 土釘錨管分布特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究土釘加固粉質(zhì)黏土承載力學(xué)特征，設(shè)計(jì)采用室內(nèi)土體力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行。在該基坑工程深度4～5 m 范圍內(nèi)取樣，所鉆取的試樣覆蓋基坑所有開(kāi)挖斷面，包括圖1、圖2 中所示的土層剖面，所得土樣含水率分布為8%～22%。由于本試驗(yàn)中需要探討有、無(wú)釘加固粉質(zhì)黏土力學(xué)特性，故需在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)土釘模擬試驗(yàn)裝置，圖3 為自研土釘加固土樣力學(xué)試驗(yàn)裝置，圖3（a）為模擬傾角25°土釘加固粉質(zhì)黏土試樣，土釘依靠螺桿與底孔連接，構(gòu)建起土釘加固粉質(zhì)黏土試樣模型，圖3（b）為加載平臺(tái)中放置入土釘加固土樣模型后狀態(tài)，基于該試驗(yàn)裝置可完成土釘加固粉質(zhì)黏土力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，所有試樣直徑、高度分別為50，100 mm，在試驗(yàn)前、后對(duì)試樣分別進(jìn)行SEM 細(xì)觀掃描，以獲得粉質(zhì)黏土試樣細(xì)觀力學(xué)特征。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

不僅于此，鑒于基坑工程施工受季節(jié)影響，開(kāi)挖期土體易出現(xiàn)干濕交替物理作用，故三軸力學(xué)試驗(yàn)中需耦合干濕循環(huán)影響。試驗(yàn)中，試樣在不同干濕交替環(huán)境下完成物理作用，干濕狀態(tài)下含水率分別為22%～8%（A 組）、18%～8%（B 組）、14%～8%（C 組）、10%～8%（D 組），3 組試樣交替過(guò)程中在干濕環(huán)境下保持4h，交替次數(shù)分別設(shè)定為0～10 次，梯次為2次。試驗(yàn)圍壓設(shè)定50，100，200 kPa，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1?；诟蓾窠惶媛窂讲町惢铝W(xué)試驗(yàn)，研究土釘加固粉質(zhì)黏土力學(xué)特性。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2 干濕交替影響下土釘錨固土體力學(xué)試驗(yàn)

2.1 干濕路徑影響

基于不同干濕路徑下土釘錨固土體力學(xué)試驗(yàn)，獲得土釘錨固復(fù)合土體試樣的力學(xué)特征曲線，如圖4。從圖4 可看出，干濕路徑不一致，則試樣應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)具有較大差異：以圍壓50 kPa 下為例，當(dāng)干濕路徑為22%～8%時(shí)（A 組），試樣加載應(yīng)力應(yīng)變呈應(yīng)變軟化特征，峰值應(yīng)變后應(yīng)力直接陡降，無(wú)明顯殘余應(yīng)力；當(dāng)干濕路徑為18%～8%時(shí)（B 組），試樣峰值應(yīng)變后應(yīng)力下降較快，在應(yīng)變5.22%后由應(yīng)力下降緩沖期；當(dāng)干濕路徑為14%～8%（C 組）、10%～8%（D 組）時(shí)，試樣分別在峰值應(yīng)變3.7%、3.9%后出現(xiàn)應(yīng)力緩降，降幅弱于A、B 組干濕路徑，且均出現(xiàn)了殘余應(yīng)力，分別為277.3，356.1 kPa。相比之下，當(dāng)圍壓增大至100 kPa 后，各組試樣仍保持一致的應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)特征，但峰值應(yīng)變、應(yīng)力下降緩沖節(jié)點(diǎn)應(yīng)變值及殘余應(yīng)力等參數(shù)值均有較大提高。分析認(rèn)為，干濕路徑不同，土釘復(fù)合土試樣應(yīng)變破壞有明顯差異，干濕程度差異愈大，則試樣愈趨于應(yīng)變脆性；圍壓增大，不會(huì)改變應(yīng)力應(yīng)變曲線特征，但會(huì)影響各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)值。

圖4 不同干濕路徑下土釘復(fù)合土試樣應(yīng)力應(yīng)變特征

總體對(duì)比應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)值可知，當(dāng)干濕路徑中干濕程度差愈小，則試樣承載應(yīng)力水平愈高：圍壓50 kPa 下A 組試樣峰值應(yīng)力為193.7 kPa，而B(niǎo)，C，D 組試樣峰值應(yīng)力較之前者分別提高了47.3%、79.4%、121.4%；圍壓增大至100 kPa 后，A～D 4 組試樣峰值應(yīng)力整體增幅為29.4%～43.5%，隨干濕程度差幅增大，其峰值應(yīng)力平均減小20.3%。控制土釘錨固土體干濕路徑，有助于減少物理作用對(duì)試樣承載能力的削弱。

2.2 干濕次數(shù)影響

同理，根據(jù)同一種類(lèi)型干濕路徑下、不同交替次數(shù)試驗(yàn)組的力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，獲得干濕次數(shù)對(duì)土復(fù)合土試樣應(yīng)力、應(yīng)變影響，由于各干濕路徑下，交替次數(shù)對(duì)力學(xué)特征影響具有相似性，故本文給出干濕路徑為18%～8%的試樣組，如圖5。分析圖5 可知，同一圍壓下，不同干濕次數(shù)試樣應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)變化呈一致，峰值應(yīng)變均接近，圍壓50，200 kPa 下試樣組的峰值應(yīng)變分別為4.14%、15.3%。不僅于此，在圍壓50 kPa 下，各試樣均為應(yīng)變脆性，峰值應(yīng)變后無(wú)應(yīng)力緩沖下降區(qū)，應(yīng)力降幅均超過(guò)60%；而圍壓200 kPa下，試樣在應(yīng)變5.5%后出現(xiàn)應(yīng)力穩(wěn)定、應(yīng)變快速增大的特征，延塑性變形顯著。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，干濕次數(shù)不影響試樣應(yīng)變破壞特征，而圍壓作用會(huì)直接改變應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)。

圖5 不同干濕次數(shù)下土釘復(fù)合土試樣應(yīng)力應(yīng)變特征

由不同干濕次數(shù)下試樣應(yīng)力水平對(duì)比可知，干濕次數(shù)與承載應(yīng)力為負(fù)相關(guān)，圍壓50 kPa 下交替0次時(shí)試樣峰值應(yīng)力為581.9 kPa，而干濕2，4，8 次試樣峰值應(yīng)力較前者分別減少了25.5%、45.2%、73%，當(dāng)干濕作用每梯次增幅2 次，則試樣峰值應(yīng)力平均下降了29.2%。在圍壓200 kPa 下，由于峰值應(yīng)力并不明顯，以應(yīng)變15%所指應(yīng)力為代表，在濕干次數(shù)梯次變化時(shí)，峰值應(yīng)力平均減少12.2%，圍壓增大，試樣受干濕物理?yè)p傷影響效應(yīng)會(huì)減弱。

3 土釘錨固土體變形破壞細(xì)觀特征

土釘錨固土體的破壞特征不僅體現(xiàn)在宏觀力學(xué)方面，試樣細(xì)觀特征上同樣會(huì)受之影響。為此，本文在SEM 圖像掃描基礎(chǔ)上，對(duì)土釘錨固土體細(xì)觀特征開(kāi)展分析。

圖6 為4 種不同干濕路徑下試樣破壞后SEM圖像特征。分析可知，干濕程度差異愈大，土釘錨固土試樣顆粒緊湊性愈差，顆粒骨架變得較松散，圖6（d）中試樣中小孔增多、延展較顯著，顆粒內(nèi)部的大、小孔隙分布更廣泛，土顆粒團(tuán)簇狀顯著，呈顆粒獨(dú)立性分布，割裂了土顆粒與土釘之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系性，故土體試樣承載能力受劣化影響。

圖6 不同干濕路徑下試樣SEM 圖像特征

基于各試樣細(xì)觀數(shù)據(jù)提取分析，獲得干濕次數(shù)試驗(yàn)組試樣裂隙分布變化特征，如圖7。由圖7 可看出，干濕次數(shù)與裂隙數(shù)量的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)表示；隨干濕次數(shù)增多，裂隙數(shù)量顯著增大，特別是在干濕次數(shù)為6 次后，裂隙數(shù)量增幅更高，在圍壓50 kPa下，干濕0 次時(shí)裂隙數(shù)量為5039 個(gè)，而隨干濕梯次2 次變化，裂隙數(shù)量平均提高38.5%，而在圍壓100，200 kPa 下，裂隙數(shù)量隨干濕次數(shù)變化，分別平均增幅29.2%、19.6%，即圍壓效應(yīng)可約束試樣內(nèi)部部分裂隙的產(chǎn)生。分析認(rèn)為，干濕交替作用隨次數(shù)增多，本質(zhì)上會(huì)促進(jìn)試樣內(nèi)部微小裂隙的產(chǎn)生，從而形成貫通裂紋，而這種作用影響在交替6 次后尤為顯著。

圖7 試樣裂隙分布特征

4 結(jié)語(yǔ)

（1）干濕路徑不同，則試樣應(yīng)力應(yīng)變走向趨勢(shì)有所差異，干濕程度差異愈大，則試樣應(yīng)變脆性，圍壓增大，應(yīng)變特征仍保持一致；隨干濕程度差幅增大，承載應(yīng)力減弱。

（2）干濕次數(shù)不會(huì)影響土釘復(fù)合土試樣應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)，對(duì)其應(yīng)變破壞特征影響較小，圍壓會(huì)直接影響不同干濕次數(shù)試樣應(yīng)變特征；干濕次數(shù)與承載應(yīng)力為負(fù)相關(guān)，圍壓50，200 kPa 下試樣峰值應(yīng)力隨交替梯次變化，分別平均減少29.2%、12.2%。

（3）干濕程度差異愈大，試樣土顆粒獨(dú)立性分布，與土釘?shù)慕Y(jié)合緊密性較差；干濕次數(shù)與裂隙數(shù)量的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)表示，且裂隙數(shù)量的增幅在干濕6 次后尤為顯著，圍壓增大，可減少裂隙數(shù)量的產(chǎn)生。