软土在地下空间开挖等卸载状态下的力学性能

2011-07-30王月梅吴延平

铁道建筑 2011年12期

王月梅，吴延平，王军

(1.江西理工大学应用科学学院建工系，江西赣州 341000;2.温州市城建设计院，浙江温州 325035;3.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325035)

我国广泛分布着深厚饱和软黏土，特别是长三角、浙江等经济发达地区。饱和软黏土工程性质极为不良，具有抗剪强度低、压缩性高、渗透性小、含水量高等特性。随着社会的进步、经济的发展和城市建设的迅速发展，在软黏土地层上的一些城市基础设施暴露出一些问题。

由于地下工程开挖，引起土体卸载。土体在加荷、卸荷路径下的变形特性有着显著的差别，而现有的理论基本上都是以加荷试验为依据建立的。对于卸荷工程，尽管也能计算(几乎所有本构模型均能适用于加卸荷计算)，但计算结果往往偏离工程实际。因此本文以温州市大南门与附二医人行过街通道工程为例，研究软黏土在卸荷路径下的力学性能和变形性状，能为实际开挖提供科学依据，避免工程损失。

1 实验仪器及试样制备

1.1 试验仪器

本试验仪器设备主要为GDS 10 Hz/20 kN双向振动三轴系统，它是由英国GDS公司研制生产的高精度三轴仪，利用高速直流伺服马达施加动荷载(轴向和径向)，根据电子荷重传感器和位移传感器的反馈对荷载和变形的大小进行计算机控制。

按不同的试验要求控制试验方式，试验过程可从一种控制方式方便地切换到另一种控制方式。试样尺寸包括2种，分别为实心样 φ50.0 mm×100.0 mm和φ39．1 mm×80.0 mm;围压控制器的腔体容积为200 000 mm3，最大压力可达3 MPa。本次试验采用试样尺寸为 φ39．1 mm ×80.0 mm。

1.2 土样制备

试验采用的土样取自工程现场，为原状软黏土，所取土样位于地下5.2～5.8 m。为了保证土样性质的一致性，土样均取自同一层土上。取土后，土样即放置在恒温恒湿箱贮存。土样主要物理参数见表1。土样采用活塞式薄壁取土器和均匀连续压入法取样，切取试样时，力求避免来回涂抹。对同一组原状试样，差值应＜0.02 g/cm3。装好试样后，施加反压进行饱和，逐渐增加围压、反压分别至300 kPa与280 kPa，然后检查饱和度B值，如果B值＞95%，饱和完毕。如果B值＜95%，重新同时增加围压与反压，直至B值达到95%。

所有的试样均为 K0固结，K0为土体的静止侧压力系数。试验采取分级K0固结方式，即将总荷载分成十级，每级加轴向应力 Δσ1的同时加围压，目的是防止试样可能会因为孔隙水来不及排出而造成的偶然破坏，总的固结时间大于24 h。按照事先设计好的应力路径进行卸荷，全部试验过程均不排水。测试内容包括轴向应力、水平应力、轴向位移等。对于某一时刻，土体中某单元可能的应力状态有如下几种:A状态，垂直向和水平向均卸荷;B状态，垂直向卸荷，水平向加荷;C状态，垂直向和水平向均加荷。本项目主要研究A、B两种状态。

表1 试验中软黏土物理力学指标

2 试验结果分析

2.1 应力应变规律和强度特性

图1至图4为不同应力路径卸载后原状黏土剪切应力应变和孔压随应变的关系曲线，均呈现弱软化型。A型卸载条件下的偏应力峰值小于B型卸载条件下的偏应力峰值，表明由侧向卸载在土体中形成的剪应力所产生的剪切应变大于轴向加载条件下的轴向应变。

图1 A型卸载应力

图2 A型卸载孔压

与轴向加载条件下的剪切性状相比，土体在侧向卸荷条件下的应力—应变规律没有发生质的变化，但由于土体侧向变形的原因，使得土体卸荷变形增大。土体侧向卸荷条件下的总应力强度参数均大于轴向加荷条件下的强度参数，但有效应力强度参数却相反。这是由于在侧向卸荷时土体产生负孔隙水压力，使得有效应力大于总应力。随着负孔压力的消散，有效应力逐渐降低，使得有效应力强度反而低于总应力强度，与轴向加荷条件下的强度规律相反。

图3 B型卸载应力

图4 B型卸载孔压

2.2 淤泥的回弹变形

淤泥类软土具有很高的压缩性，受到卸荷作用后回弹变形与其它黏土有很大的不同。试验过程中利用空调设备保持实验室内温度恒定。土样预压荷载分别为 100，200，300，400 kPa。固结时间为 24 h，然后按不同比例卸荷，变形稳定时间定为24 h。由此研究淤泥在不同卸荷水平下的变形规律。从图5可以看出:

1)当卸荷比较小时，回弹路径为一接近水平的直线，即不发生回弹变形;

2)当卸荷量达到一定水平时，才有较大的回弹变形发生;

3)最大回弹量与预压荷载有关。

图5 卸载回弹曲线

2.3 初始卸荷模量与应力路径的关系

软土的初始卸荷模量Eui与平均固结压力σm密切相关，要建立初始卸荷模量与应力路径的关系，必须消除σm对Eui的影响。由初始卸荷模量与 σm成线性关系可知，归一化的卸荷模量系数Eui与σm无关。

A类荷载下不同应力路径试验的卸荷模量系数，见图6。通过分析，可以得到应力路径与卸荷模量系数Eui之间的近似关系，可以看出随着平均固结压力的增加，应力路径试验的初始卸荷模量亦线性增加。B类荷载下不同的试验应力路径下的卸荷模量系数见图7。随着应力路径的顺时针旋转，Eui随之逐渐增加，即在同样的平均固结压力条件下，初始卸荷模量亦逐渐增大。