摘 要 為探究汕頭地區(qū)軟黏土在經(jīng)基坑開挖卸荷作用下的強度特征，利用應(yīng)力路徑三軸儀模擬原狀軟黏土在常規(guī)固結(jié)、超固結(jié)和卸荷路徑下的力學響應(yīng)規(guī)律. 結(jié)果表明，汕頭軟粘土在不同固結(jié)壓力下均出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在低固結(jié)壓力下，應(yīng)變軟化程度并不明顯，在高固結(jié)壓力條件下，應(yīng)變軟化現(xiàn)象明顯，高固結(jié)壓力會破壞土粒之間的膠結(jié)作用，從而導(dǎo)致應(yīng)變軟化程度增大. 在不同固結(jié)壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律相似，當軸向應(yīng)變處于0～5%時，偏應(yīng)力似線性增長；當軸向應(yīng)變達到5%左右時，偏應(yīng)力增長速率減小，且出現(xiàn)應(yīng)力峰值所對應(yīng)的軸向應(yīng)變均處于8%～10%. 基于上述結(jié)果，可為確定該地區(qū)軟土峰值強度所對應(yīng)的臨界應(yīng)變提供依據(jù)，從而更好地指導(dǎo)實際工程.

關(guān)鍵詞 汕頭軟黏土；應(yīng)力路徑；卸荷；孔隙水

中圖分類號 TU447 文獻標識碼 A

1 引 言

隨著粵東地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，隧道、基坑等地下工程大量涌現(xiàn)，隨之而來的卸荷工程設(shè)計需求也更加迫切. 然而，目前土體室內(nèi)試驗測定多屬于加荷土力學范疇，用于基坑開挖的卸荷設(shè)計強度指標多基于加荷試驗或進行折減. 但土體的加荷路徑和卸荷路徑是兩種截然不同的路徑，所得到的指標與實際相差很大，可能造成基坑坍塌、支護破壞等事故. 粵東地區(qū)的汕頭市地處韓江三角洲，軟黏土或者淤泥質(zhì)軟土在該地區(qū)分布甚廣. 該軟黏土具有天然含水率高、孔隙比大、高壓縮性、低滲透性以及承載力低等特點，存在巖土工程性狀較差的問題[1]. 因此，研究汕頭軟黏土在卸荷路徑下的力學特征至關(guān)重要.

在應(yīng)力卸荷研究方面，Lambe在1976年定義了應(yīng)力路徑的概念，為研究土體應(yīng)力路徑提供了有效的方法[2]，并被廣泛用于研究砂土等無粘性土[3-5]. 例如，Malanraki V等采用人工制備結(jié)構(gòu)性土樣進行了剪切過程中不斷改變應(yīng)力路徑的常規(guī)三軸試驗[6]. Callosto L等對天然硬黏土進行了不同應(yīng)力路徑下的真三軸試驗來探討其力學特性[7]. 部分學者在考慮結(jié)構(gòu)性對土體力學形狀的影響條件下，對人工制備結(jié)構(gòu)性黏土和原狀土進行了結(jié)構(gòu)性與應(yīng)力路徑相關(guān)性的試驗研究[8-11]；高彬等通過對原狀和重塑紅黏土進行了等壓固結(jié)和K0固結(jié)條件下增p、減p、等p剪切應(yīng)力路徑試驗，研究紅黏土在不同應(yīng)力路徑下的力學特性[12]. 此外，有學者研究了卸荷速率對結(jié)構(gòu)性軟土力學特性的影響以及微觀結(jié)構(gòu)的變化[13-15].

地處粵東地區(qū)的汕頭市位于韓江三角洲，該地區(qū)的軟黏土具有分布廣、厚度大的特點，物理力學性質(zhì)具有天然含水率高、孔隙比大、高壓縮性、低滲透性以及承載力低等特點，巖土工程性狀較差. 近年來，隨著交通工程建設(shè)規(guī)模的擴大以及密度的提高，面臨的挑戰(zhàn)和風險愈來愈大，尤其是在沿江沿海軟土地區(qū)[16]. 因此，對該地區(qū)的軟土力學性能研究變得至關(guān)重要，尤其是在復(fù)雜應(yīng)力路徑下的強度特性、變形特性等. 本文基于廣東汕頭地區(qū)典型淤泥質(zhì)軟土，利用三軸應(yīng)力路徑試驗對軟土進行不排水剪切試驗，得到汕頭淤泥質(zhì)軟黏土在不同應(yīng)力路徑下的力學特性.

2 試樣制備與試驗方法

2.1 試樣樣品

試樣取土場地位于廣東省汕頭市澄海區(qū)南澳聯(lián)絡(luò)線某路段（北緯23°26′28″，東經(jīng)116°50′31″），取土深度約為10.5 m～11.5 m，土體呈灰褐色，土樣中摻雜有貝殼、細砂等雜物. 現(xiàn)場聯(lián)合鉆機采用薄壁取土器進行取樣，再將取土器密封后安全運回試驗室，其基本物理參數(shù)見表1. 根據(jù)表1的基本物理參數(shù)可知，該土樣的天然含水率較高，且有部分土樣含水率大于液限，孔隙比大于1，具有高壓縮性，處于流塑-軟塑狀態(tài)，為淤泥質(zhì)軟黏土.

2.2 試驗儀器與試驗設(shè)計

2.2.1 試驗儀器

本次試驗采用英國VJ公司生產(chǎn)的三軸滲透試驗系統(tǒng)（型號Trican-so Pro），如圖2所示. 試樣制作成尺寸為直徑d＝50 mm，高度h＝100 mm的圓柱試樣，測定其重量，按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）要求，對試樣進行抽真空飽和. 在三軸試驗開始前，將飽和過后的土樣四周貼上濾紙條，其作用是增加排水通道，加快排水固結(jié)過程. 為了對比分析汕頭軟黏土在卸荷路徑下的強度特征，設(shè)計的三軸壓縮試驗方案如表2所示.

3 結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

由圖3分析可知，三軸試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢基本一致，但不同的剪切圍壓和剪切方式對應(yīng)力應(yīng)變曲線的形態(tài)有一定的影響，上述幾種三軸試驗中，均出現(xiàn)了應(yīng)變軟化現(xiàn)象，但應(yīng)變軟化程度不同. 三軸常規(guī)試驗和三軸壓縮卸荷試驗的應(yīng)變軟化程度較小，而三軸超固結(jié)試驗中，應(yīng)變軟化程度較大，在同一固結(jié)壓力下時，應(yīng)變軟化程度隨著超固結(jié)比的增大而增大. 因此在實際的基坑開挖工程中，應(yīng)盡量減少基坑周圍土體的上部荷載，以減輕應(yīng)變軟化現(xiàn)象. 由三軸常規(guī)固結(jié)和壓縮卸荷試驗的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線來看，當軸向應(yīng)變處于0～2%時，偏應(yīng)力增長迅速，近似線性增長；當軸向應(yīng)變達到5%時，偏應(yīng)力增長速率減緩，表明試樣從彈性變形階段即將進入到屈服階段；當軸向應(yīng)變達到8%～10%時，偏應(yīng)力達到峰值；由此可見，固結(jié)圍壓對試樣不同階段所對應(yīng)的應(yīng)變無明顯影響.

該土樣為結(jié)構(gòu)性土樣，試驗在不同的固結(jié)圍壓和相同的排水條件下進行，可以首先排除孔隙水壓消散程度對試驗現(xiàn)象的影響，因此對試驗現(xiàn)象影響較大的是結(jié)構(gòu)性土的顆粒之間的膠結(jié)作用. 顆粒之間的膠結(jié)在固結(jié)應(yīng)力較低時基本沒有被破壞，在剪切過程中膠結(jié)強度發(fā)揮了重要作用，因此應(yīng)變軟化現(xiàn)象不明顯；而在固結(jié)應(yīng)力較高時會受較大的破損，土樣表現(xiàn)出類似重塑土的性質(zhì)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象較為明顯.

3.2 孔壓-應(yīng)變特性分析

由圖4（a）可知，在三軸常規(guī)試驗的剪切過程中，試樣的孔壓呈上升的趨勢，且沒有下降的趨勢；由圖4（b、c）可知，在三軸超固結(jié)試驗的剪切過程中，當剪切圍壓為400 kPa和200 kPa時，孔壓也呈上升趨勢，但隨著剪切圍壓的降低，孔壓出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，即土體內(nèi)部有剪脹的趨勢；由圖4（d）可知，三軸壓縮卸荷試驗中，孔壓在剪切過程初期開始下降，而后出現(xiàn)不同程度的增長.

三軸常規(guī)固結(jié)試驗中，孔壓上升的原因是施加剪應(yīng)力時，土體不排水，使得孔隙水壓力增大；而在超固結(jié)試驗中，孔壓上升原因與前者相同，但隨著剪切圍壓的降低，對剪應(yīng)力的抵抗作用也隨之降低，土體發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致孔壓的降低；在三軸壓縮卸荷中，土體為被動壓縮狀態(tài)，前期孔壓的下降是由于圍壓的降低，隨著剪切的進行，由于初始最大主應(yīng)力與圍壓所產(chǎn)生的剪應(yīng)力不足以破壞土體，從而導(dǎo)致土體被擠壓，孔壓增大.

3.3 有效應(yīng)力路徑分析

圖5為試驗的有效應(yīng)力路徑曲線，在三軸超固結(jié)試驗中，有效應(yīng)力路徑前期近似直線增長，臨近偏應(yīng)力峰值時發(fā)生轉(zhuǎn)折，這是土樣出現(xiàn)應(yīng)變軟化的緣故. 在同一固結(jié)壓力下，由圖4可知，當剪切圍壓為400 kPa和200 kPa時，施加剪力后，孔隙水壓一直處于上升階段，所以在剪切過程的末段導(dǎo)致有效總應(yīng)力的下降，當剪切圍壓為100 kPa和50 kPa時，孔隙水壓先上升后下降，因此在剪切過程末段，有效總應(yīng)力下降的并不明顯. 在三軸常規(guī)固結(jié)試驗中，每組試樣在剪切過程中，孔隙水壓均呈上升趨勢，與剪切圍壓為400 kPa和200 kPa的三軸超固結(jié)試驗相同.

在三軸壓縮卸荷中，隨著固結(jié)圍壓的增大，試樣的偏應(yīng)力峰值隨之提高，這反映了土的壓硬性對偏應(yīng)力峰值的影響，試驗的有效應(yīng)力路徑曲線前期近似直線，隨著偏應(yīng)力的增大，試樣的有效應(yīng)力曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，這是因為與土體內(nèi)部的孔隙水壓力發(fā)生變化有關(guān)，在圖4（d）中，隨著軸向應(yīng)變的增大，孔壓經(jīng)歷先減小，后增大的過程，曲線的轉(zhuǎn)折亦發(fā)生在應(yīng)變軟化現(xiàn)象產(chǎn)生的節(jié)點，這反映了土的剪脹特性對土體強度的影響.

4 結(jié) 論

通過對汕頭地區(qū)淤泥質(zhì)原狀軟土進行不同的應(yīng)力路徑試驗，得到了不同應(yīng)力路徑對該土樣的強度，應(yīng)力軟化程度以及時刻的影響，結(jié)論如下：

（1） 汕頭淤泥質(zhì)軟粘土在不同的受力狀態(tài)下，其力學特性亦不相同，在超固結(jié)狀態(tài)下，其應(yīng)變軟化程度隨著剪切圍壓的降低而增大，既隨著超固結(jié)比的增大而增大，而且土體進入應(yīng)變軟化階段的時刻提前，但在三軸常規(guī)固結(jié)和壓縮卸荷的狀態(tài)下應(yīng)變軟化線性不明顯，因此在實際基坑開挖過程中，應(yīng)參考后者.

（2） 該土樣在不同的固結(jié)壓力和剪切方式的情況下進行試驗時，其孔壓的變化情況各不相同且區(qū)別較大，在三軸常規(guī)固結(jié)試驗中，孔壓呈上升趨勢，在三軸超固結(jié)試驗中，當剪切圍壓較大時，孔壓呈上升趨勢；當剪切圍壓較小時，孔壓呈先上升，后下降的趨勢，這是因為在較低的剪切圍壓下，土體更易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致孔壓下降. 土體孔隙水的轉(zhuǎn)移是土體塑性軟化的內(nèi)在原因，孔隙水在轉(zhuǎn)移過程中使得土顆粒間的摩擦力減小，而土體強度的一部分來源就是土顆粒之間的摩擦力，因此孔隙水的轉(zhuǎn)移會導(dǎo)致土體強度的降低. 因此在基坑開挖工程中應(yīng)做好降，排水工作，避免工程中土體內(nèi)孔隙水的大量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致工程事故.

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Experimental Study on the Strength of Shantou

Soft Clay under Different Stress Paths

LIU Zhijun1， YANG Yongyu2， WANG Zhen2， XU Shulin2， LI Chengsheng1

（1. College of Engineering， Shantou University， Shantou 515063， Guangdong， China;

2. Shantou Highway Affairs Center， Shantou 515063， Guangdong， China）

Abstract" In order to explore the complex stress path of soft clay during foundation pit excavation in Shantou area， which leads to the difference of its strength characteristics， the mechanical properties and strength characteristics of the original soft clay were analyzed by triaxial compression unloading tests under different consolidation pressures. The results show that the strain softening of Shantou soft clay occurs under different consolidation pressures. At low consolidation pressure， the strain softening is not obvious， but at high consolidation pressure， the strain softening is obvious， and high consolidation pressure will destroy the cementation between soil particles， resulting in an increase in strain softening degree. The stress-strain curve is similar under different consolidation pressures. When the axial strain is 0～5%， the partial stress seems to increase linearly. When the axial strain reaches about 5%， the growth rate of deviatory stress decreases， and the axial strain corresponding to the peak stress is 8%～10%. This can provide a basis for determining the critical strain corresponding to the peak strength of soft clay in the zone and guide practical engineering better.

Keywords" Shantou soft clay; stress path; unloading; pore water

收稿日期：2024 － 08 － 17

通訊作者：劉智軍（1998—），男（漢族），廣東清遠人，碩士研究生. 研究方向：巖土工程. E-mail：22zjliu@stu.edu.cn

基金項目：汕頭大學科研啟動基金（NTF21017）