卸荷应力路径下海积软土力学性质试验

赵建军，姜 芯

(天津城建大学 a. 地质与测绘学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

卸荷应力路径下海积软土力学性质试验

赵建军a,b，姜 芯a

(天津城建大学 a. 地质与测绘学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

利用GCTS空心圆柱扭剪仪对天津滨海新区第一海相沉积软土进行了卸荷应力路径下的三轴试验，探讨等P、减P应力路径下土样的应力-应变、孔隙水压力、有效应力路径、应变速率等特性.试验结果表明：不同应力路径下土样的力学性质有很大的不同，减P土样最终破坏时的应变量要比等P土样的小很多；不同应力路径下土的峰值强度不同；试样的孔隙水压力经历了先增加后减小的过程，当孔压达到峰值时，土样的抗剪强度最小，也是基坑开挖最危险的时刻.其研究成果可为解决软土地区的基坑开挖、隧道施工等卸荷工程问题提供理论支持.

滨海软土；卸荷应力路径；力学性质；基坑开挖

土的力学性质不仅取决于土的类型，而且与其应力变化、后期加载及卸荷方式等有关．Lamber[1]提出的应力路径方法为研究在不同条件下土的强度、变形特性和力学性质提供了一个合理的方法．后来，国内外学者对不同应力路径下黄土、砂土和粗粒料等的应力应变和变形等特性进行了一系列的三轴试验．研究表明，不同应力路径下土的各项性质存在着明显的差异[2-5]．

软土地区的基坑开挖和隧道工程施工过程中，周围土体应力场的变化受到土体条件、卸荷水平和施工等多种因素的影响．基坑不同部位土体卸荷的应力路径不同[6-7]．从以往的研究来看，对软土卸荷问题的研究重点多集中于变形和强度特性上[8-11]，而对于卸荷的孔隙水压力和轴向、径向变形速率等涉及极少．

目前，在基坑支护设计中，土压力的计算参数一般取自勘查报告．由于软土有区域沉积的特点，虽然对参数的取值各地有一定经验，但对于特定软土的选取，符合实际应力路径的参数才是解决基坑支护设计问题的根本方法[12-13]．本文利用GCTS空心圆柱扭剪仪，对滨海新区软土进行了卸荷应力路径的三轴试验，讨论其应力-应变、孔隙水压力、应变速率等特性，为滨海新区的基础建设提供理论支持．

1 试验方案

1.1 试验样品

试样取自天津滨海新区临港工业园区，12～18,m深度的第一海相层沉积的淤泥质黏土，并夹有薄的粉土层，原状土样的物理力学性质指标见表1．

表1 土样的物理力学指标

1.2 试验仪器与试验过程

本试验所用仪器为美国GCTS公司生产的空心圆柱扭剪仪，试样高度100,mm、外径和内径分别为50，25,mm的空心圆柱体．

饱和：开启GCTS系统，选取空心扭剪模块进行饱和，监测孔压系数B，当B值达到95%,时，即可视为土样饱和．

固结：试验主要采取两种固结方式，等压固结和

K0固结，固结时间为24,h．其中：等压固结(σ1＝σ2＝σ3)的围压分别是50，100，200,kPa；K0固结(σ2＝σ3＝0.6σ1)的围压分别是50，100，200,kPa．

剪切：试样不排水剪切，而且保持σ1方向角不变．采用等P、减P两种应力路径对试样进行剪切，等P剪切就是在剪切过程中保持平均主应力不变，增加剪切应力使试样达到破坏；减P剪切就是在剪切过程中平均主应力持续减小，直至试样破坏．本试验对于等压固结，试样采用等P的方式剪切，即Δσ1＝30,kPa/h，Δσ3＝Δσ2＝－15,kPa/h；Δp＝Δσ1＋Δσ2＋Δσ3＝0；对于K0固结，试样采用减P的方式剪切，其中，λ＝Δp/Δq＝－1.0时分别做pc＝50，100，200,kPa；pc＝100,kPa时分别做λ＝Δp/Δq＝－1.5，－1.0，－0.5(Δσ1、Δσ2、Δσ3的具体数值详见表2)．

表2 加载方式

2 应力-轴向应变特性分析

图1为应力-应变关系曲线．由图1可知：不同围压的应力应变曲线变化趋势基本一致，但固结围压的变化对应力应变曲线形态有一定影响；相同应力情况下，围压小的(50,kPa)应变较大，反之亦然．围压增加，破坏的偏应力也会增加．因此，在实际的基坑开挖工程中，基坑上部的土体易出现破坏．

图1 应力-轴向应变关系曲线

表3为各种应力路径下土样破坏时应变值的大小．等P试验试样破坏的轴向应变在4%,～6%,，较之减P试验(1.5%,～4%,)，可认为等P试验土样的变形能力较强．围压为100,kPa时，在相同应变的情况下，λ＝－1土样偏应力最大，而λ＝－1.5和λ＝－0.5土样的应力-应变曲线几乎重合，见图1c．因此，对不同的应力路径、受力状态，即使同一土样，其破坏应变亦不同．

表3 各种应力路径下的破坏点

图2为相同围压下，等P和减P试验的应力-轴向应变关系曲线．由图2可知：相同的围压下，等P试验的试样变形量要大于减P试样的．原因在于等P试验轴向加压的同时围向减压，这样有利于试样变形的发展；减P试验轴向及围向同时减压，相较而言，不利于变形发展．

图2 相同围压下等P和减P试验的应力-轴向应变关系曲线

相同的围压下，减P试样曲线要陡于等P试样曲线，原因是侧向卸荷形成的剪应力要比轴向加载形成的剪应力更容易使土样发生剪切变形．周秋娟等[14]在一系列保持轴向荷载不变、逐步降低侧向荷载和轴向加载、保持侧向荷载不变对比的三轴试验中，也得到相似的结论．

3 孔压-轴向应变特性分析

图3为孔压-轴向应变关系曲线．由图3可知：不论是等P还是减P试样，相同应变情况下，围压大的(200,kPa)孔隙水压力较大．

图3 孔压－轴向应变关系曲线

由图3a可知，等P试样的孔压先上升，在试验后期略有下降，且未达到负值，即略有剪涨趋势；由图3b、3c可知，减P试样的孔压在剪切不久后就发生转折，开始下降，且下降数值较大，基本都达到负值．这是因为施加剪应力时，土样不排水，使得孔隙水压力增加；随着卸荷过程的进行，剪应力增加，变形增大，土样的内部有剪胀的趋势，孔隙水压力就会

有所降低，而减P试验的卸荷过程是双向卸荷，有利于试样内部的膨胀发育，即剪胀更明显．

孔压-应变的曲线规律反映出不同卸荷方式对试样内孔隙水压力的影响不同．在固结围压相同的情况下，当λ＝－1.5时，开始卸荷后，孔压逐渐上升，峰值出现最早也最大；当λ＝－0.5时，开始卸荷后，孔压没有明显上升，在破坏变形的一半左右，孔压开始逐渐降低，直至破坏．这是因为不同的卸荷方式产生不同的偏应力，偏应力的大小和变化速率影响试样的孔隙水压力，如当λ＝－1.5时，偏应力最大，孔压的变化速率最快，峰值最大．

根据有效应力原理，当外界荷载作用于饱和土体时，土中应力被土骨架和土中水气共同承担，但只有通过土颗粒传递的有效应力才会使土体具有抗剪强度．因此，当土体的孔隙水压力达到峰值时，土体的有效应力最低，抗剪强度最小，所以此时是基坑开挖过程中最危险的时刻．在pc＝100,kPa、λ＝－0.5时，试验过程中试样的孔隙水压力几乎没有上升阶段，这样土体的抗剪强度保持相对较高的水平，基坑也就相安全．在实际工程中可适当参考这种开挖方式．

4 有效应力路径分析

图4为有效应力路径变化曲线．由图4可知，不论是等P试样还是减P试样，随着固结围压的增大，土的峰值强度随之提高，这反映了土的压硬性对土的刚度和峰值强度的影响；等P试样土的峰值强度高于减P试样的．

图4a中等P试样的有效应力路径曲线近似斜线，只是在试验后期略有转折；图4b、4c中减P试样曲线呈C型，随着剪切应力的增加，试样的有效应力曲线发生转折，这与土内孔隙水压力的变化有关．如在图3a中，等P试样的孔隙水压力在试样被剪切破坏前略有减小；在图4中，曲线的转折亦是发生在试样即将被剪切破坏前．减P试样的情况也是如此，这反映了土的剪胀特性对土强度的影响．

取各试样有效应力路径的峰值在同一直角坐标系中，发现线性规律，可得到过原点的斜率为2.57的直线，见图4d．

图4 有效应力路径变化曲线

5 应变速率特性分析

图5为轴向应变速率的变化曲线．由图5可知，等P试样的应变速率明显大于减P试样的，这说明不同的卸荷方式，将导致试样不同的应变速率．

分析图5a得知，固结围压小的试样，其应变速率较大，即基坑周边的上部土体较容易出现破坏．因此实际工程中应注意围护，尤其是确保上部支撑结构的稳定性．

图5c表明，固结围压为100,kPa、λ＝－0.5时，应变速率曲线平稳，变形速率较为均匀．在实际的基坑开挖中，较为安全．

表4为各种应力路径下的轴向应变速率达到峰值时试样的应变量．应变速率达到峰值时，等P试样的应变量要大于减P试样的．

图5 轴向应变速率的变化曲线

表4 各种应力路径下的轴向应变速率峰值

6 结 论

(1)同一种土样由于受力状态、应力路径不同，土样的力学特性亦不同．因此在基坑围护设计中，应根据不同的土体深度、卸荷方式等采取相应的围护措施．基坑开挖过程中，基坑上部土体更容易破坏，所以在实际的基坑工程中，尤其应注意上部土体的围护与安全监测．

(2)不同应力路径下土样的孔隙水压力一般都经历了先增加后降低的过程；当孔压达到峰值时，土体的有效应力最低，抗剪强度最小，因而此时是基坑开挖过程中最危险的时刻．

(3)不同应力路径得到土的峰值强度不同，并且等P试样土的峰值强度高于减P试样的．

(4)试验中pc＝100,kPa、λ＝－0.5时，试样的孔压几乎没有增加，土体的抗剪强度较高，而且应变速率曲线也相对较为平稳．因此在实际的基坑开挖过程中，可适当参考这种开挖方式，基坑土体相对稳定，安全系数也较高．

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Test Research of Mechanical Properties of Marine Soft Soil Under Unloading Stress Path

ZHAO Jian-juna,b，JIANG Xina
(a. School of Geology and Geomatics；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Triaxial tests under unloading stress path were conducted in first marine sedimentary soft soil of Tianjin Binhai new area by using GCTS hollow cylinder torsional shear apparatus,exploring the tress-strain,pore water pressure,effective stress path,strain rate of soil under two kinds of stress paths：DG (constant P) and DE (reduce P).The experimental results pointed that mechanical properties of soil under different stress paths were quite different. The deformation of DE (reduce P) soil samples are much smaller than the DG (constant P)soil samples,when the soil sample is eventually destroyed. The peak strength under different stress paths is not the different. The pore water pressure of the sample in creases firstly and then decreases. When the pore pressure reaches the peak,the shear strength of soil samples is minimal,which is also the most dangerous moment of excavation. Research results give theoretical support to excavation,tunneling and other geotechnical engineering problems in the soft soil area.

soft soil in the Binhai new area；unloading stress path；mechanical properties；excavation

TU447

A

2095-719X(2015)04-0267-06

2014-11-07；

2015-04-01

天津市软土特性与工程环境重点实验室开放基金项目(2011SCEEKL006)；天津市教委重点项目(2013ZD03)；天津市科委重点项目(13JCZOJC35500)

赵建军（1972—），男，山东肥城人，天津城建大学副教授，博士．