复杂应力路径下淤泥质软粘土卸荷力学特性研究

2019-09-09王祥秋郑土永胡子萱

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2019年4期

王祥秋，郑土永，胡子萱

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528000）

大量土工试验结果表明土体力学状态取决于加卸载方式以及先期受荷状态。不同荷载方式作用下，土的应力-应变发展过程不一样。基坑开挖一个典型的卸荷过程，土的应力应变关系十分复杂。国内外学者针对软土卸荷力学特性开展了一系研究工作［1-11］，取得了若干有工程实用价值的研究成果。但由于对基坑开挖土体进行计算或研究时，采用室内常规加载试验力学指标，其分析结果与实际情况存在较大差异，对基坑的安全与稳定产生潜在风险。因此，选择合适的试验方法获取相应的力学模型及其参数对实际工程设计显得尤为重要。本文针对基坑开挖土体卸荷特性，采用GDS饱和-非饱和土三轴应力路径试验仪器，分别进行RTC、RTE及UL应力路径试验，探讨不同应力路径下软土卸荷力学特性，为分析研究珠三角地区淤泥质软土深基坑施工开挖力学性态提供试验研究基础。

1 软土卸荷应力路径试验

基坑开挖土体卸荷变形是一个十分复杂的变化过程，它会受到许多因素的影响，例如初始应力状态、支护形式和施工方法。基坑开挖过程本质是基坑开挖面卸荷过程，卸荷引起坑底土体产生向上的轴向位移以及桩体或墙体产生向内移动的水平位移。在理论研究中，将开挖区域某些特殊部位土体变形过程进行简化，采用实验室应力路径定量化研究。

（1）RTC应力路径：模拟支挡结构及坑侧土体随着开挖向坑中发生水平移动，水平向应力逐渐减小的应力变化过程。即轴向应力不变（Δσa=0），围压减小（Δσc＜0），最大主应力为轴向应力（σ1=σa），最小主应力为围压（σ3=σc）。在p-q平面坐标中，RTC应力路径如图1线段AB所示。

（2）RTE应力路径：模拟基坑底部土体当上覆土层移除后，坑底土体因轴向自重应力减小而产生隆起现象，水平向应力保持不变或减少的过程。即周围压力不变（Δσc=0），轴向应力减小（Δσa＜0）。在p-q平面坐标中，RTE应力路径可用图1线段AC表示。

（3）UL应力路径：模拟基坑底部被动区的土体，因开挖卸荷竖向自重应力减小，同时由于坑侧土体向坑内移动，水平向应力增加的应力变化过程。即轴向卸荷（Δσa＜0），水平应力增大（Δσc＞0）。最大主应力为围压（σ1=σc），最小主应力为轴向应力（σ3=σa）。在p-q平面坐标中，UL应力路径可用图1线段AMD表示。

本文以珠三角地区典型淤泥质软粘土为研究对象，GDS饱和-非饱和土三轴应力路径试验仪器进行RTC、RTE、UL 3种基坑开挖卸荷应力路径试验。具体卸荷应力路径试验方案如表1所示，试验过程及典型试样破坏形态如图2所示。

图1 基坑开挖应力路径示意图

表1 软土卸荷应力路径试验方案

图2 试验过程及试样破坏形态

2 软土卸荷力学特性分析

2.1 不同卸荷路径应力-应变特性分析

利用试验过程中获取的轴向偏差应力（σ1-σ3）和轴向应变εa数据，绘制不同卸荷应力路径下的应力应变曲线，如图3所示。

图3 不同卸荷路径应力-应变关系曲线

由图3可知，RTE和UL为轴向卸荷应力路径，试样均表现为轴向拉伸，RTC应力路径为侧向卸荷类，试样表现为轴向压缩；3种应力路径下的（σ1-σ3）～ε1曲线均接近于双曲线型。在低应变情况下应力-应变曲线均表现出明显的非线性。随着围压增大，应力-应变曲线向应力轴靠近，表现出应变硬化特性。在围压相同的情况下，RTC应力路径破坏时的偏差应力峰值（σ1-σ3）f大于RTE和UL两种应力路径，初始变形模量小于RTE和UL两种应力路径。RTE和UL两种应力路径在低围压下呈加工硬化型，在高围压下呈加工软化型。RTC应力路径在整个试验过程均表现为加工硬化型。

2.2 不同卸荷路径孔压特性分析

利用试验过程中获取的孔隙压力u和轴向应变ε数据，绘制不同卸荷应力路径下的孔隙压力-轴向应变（u-ε）曲线，如图4所示。

图4 不同应力路径下轴向应变-孔压关系曲线

由图4可知，在RTC应力路径和RTE应力路径下，孔压随应变的发展由正值变为负值，土体由剪缩性发展为剪胀性。在RTC应力路径中，土体在应变为3%～5%时，土体进入剪胀状态。在RTE应力路径中，土体在应变绝对值为5%～7%时，土体进入剪胀状态，当应变绝对值为15%～16%时，土体将达到破坏状态，孔隙压力短时间内迅速增大，在高围压下由剪胀性向剪缩性发展。UL应力路径在低围压下，当应变绝对值为10%左右时，土体进入剪胀状态，在高围压下孔压始终为正值，只表现剪缩性。由此说明，在基坑开挖过程中，主动区土体在侧向卸荷下向坑内移动更容易出现破坏现象，被动区浅层土体在轴向卸荷下发生回弹隆起，被动区深层土体影响较小。

被动区土体在轴向卸荷下的u-ε曲线均具有相似的变形规律：u-ε曲线上有两个拐点，孔压随应变先增大后减小，减小到一定值后又增大。其原因为在应力路径剪切初期，土中有少量体积在偏应力作用下被压缩，孔隙水压力增大。土体发生较大变形后，孔隙水压力减小，有效应力增加，土体在短时间内产生较大变形直至破坏，孔隙水压力不能及时消散，出现瞬时增大的现象。

而主动区土体在侧向卸荷下孔压随应变增加一直处于减小状态。在压缩过程中，土体逐渐向外膨胀，体积增大，孔隙水压力减小。在同一路径下，围压增大，孔隙水压力峰值增加。在相同围压下，压缩试验孔压峰值大于拉伸试验。

2.3 不同卸荷应力路径变形特性分析

由于应力路径试验得出的有效平均应力P'、偏应力q及轴向应变ε可以反映土体变形特性。利用试验过程中获取的相关数据，分别绘制出不同应力路径下的有效平均应力-应力路径曲线，如图5所示。

图5 不同应力路径下轴向应变-平均有效应力曲线

由图5可知，3种应力路径下的有效平均应力曲线具有形似的变形特征，即有效平均应力随轴向应变先减小后增大，曲线上均有一个明显的拐点。在RTE应力路径和UL应力路径中，拐点对应的应变绝对值为3%，RTC应力路径拐点对应的应变为4%。该拐点称为相变点，可作为衡量土体破坏的指标。

对于应力路径RTE和UL，当应变小于3%时，孔隙水压力为正值且随应变增大而增大，有效平均应力减小；当应变大于3%时，孔隙水压力随应变增大而减小，孔压减小的速度大于轴向卸荷的速度，有效平均压力随应变缓慢增加。当孔压减小到负值时，有效平均应力快速增加，土体迅速达到破坏状态。对于应力路径RTC，当应变小于4%时，孔隙水压力随应变减小且为正值，有效平均应力减小；当应变大于4%时，孔隙水压力为负值，有效平均应力增加。

有效平均应力曲线中的相变点在有效应力路径曲线中的反映形式，如图6所示。有效应力路径中的拐点即是有效平均应力曲线中的相变点，有效应力路径中的拐点是土体的屈服点。同一路径中，土体在不同围压下的屈服点处在一条直线上。根据文献[12]，孔压的变化直接反映了有效应力路径的变化，利用孔压的变化可以判断实际工程施工中土体不能及时排水时的破坏状态。