重塑黄土卸荷回弹变形特性研究

闫 恩，叶朝良，李莹辉

(1.石家庄邮电职业技术学院，河北 石家庄 050021； 2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043)

1 概述

在隧道工程、基坑工程等地下工程以及边坡工程的施工中，岩土体的开挖在一定范围内将会引起应力释放，产生卸荷回弹变形，土体的应力场和强度、变形参数也会发生变化，导致隧道围岩变形坍塌和边坡失稳破坏。一直以来对于其工程设计，变形计算与稳定性分析中采用的土体力学参数，几乎都是根据加荷试验结果折减得到，然而土的加载和卸荷是两个不同的应力路径，土体卸荷回弹变形特性与一般岩土工程加载条件下所表现的特性明显不同，二者的力学变形参数也相去甚远，用加载条件下的参数来分析、设计岩土工程中的卸载问题，必然会导致严重的后果，这类工程事故也屡见不鲜。因此，近年来，国内外学者开始探索土体卸荷条件下的应力变形特性及参数成为岩土工程中又一热点问题[1]。

国内外学者对土体卸荷效应进行了相关研究，也取得了一定成果。崔广芹、马晨光[2]主要研究了黄土基坑卸荷的影响深度，得出了西安黄土的临界卸荷比和极限卸荷比；张玉、邵生俊[3]进行了卸载条件下黄土的平面应变试验，研究了平面应变条件下不同含水率原状黄土的加、卸载应力应变关系；李德宁、楼晓明等[4]研究不同深度的不同土层在两种典型卸荷应力路径下的变形特性，分析了回弹率及回弹模量与卸荷比的变化关系；潘林有，胡中雄[5]研究了卸荷状态下土的回弹及强度问题；陈昆、闫澍旺等[6]对基坑开挖过程进行了数值模拟，得出采用卸荷指标得到的计算值与实测数据吻合度更好；侯晓亮、赵晓豹、李晓昭[7]对南京河西地区的软土卸荷强度特性进行了研究；李建民、滕延京[8]研究了土样回弹及再压缩的变形特征；贾坚、谢小林[9]研究了上海软土深大基坑卸荷变形的影响深度范围；刘国清、柳文涛等[10]讨论了卸荷应力应变关系的归一化问题；郭楠、陈正汉等[11]通过非饱和原状黄土及其重塑土加卸载条件下的三轴试验，得出了基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响；叶朝良、朱永全等[12]进行了对原状黄土卸载变形特征的试验，研究得出黄土的卸荷变形与主应力差呈线性变化规律以及原状黄土破坏的突变性。

目前对卸荷条件下土体变形特性展开的研究大多针对软土和黏土，对黄土的卸荷变形特性的研究还不太广泛，对其内在影响因素的研究则更少，本文以宝兰重塑黄土为研究对象，通过大量一维压缩卸荷试验数据，分析了其在不同干密度，含水率条件下的回弹变形特性及内在机理；研究了土体在不同预压荷载，相同卸荷量条件下回弹率的变化规律，一定程度上反映了土体回弹率随着土层深度的增加呈衰减趋势，此规律在其他文献中鲜有提到，从而为黄土地区卸荷工程提供相对可靠的试验依据和理论支撑。

2 室内土工试验设计

2.1 土样物理性质

土样物理性质见表1。

2.2 试验方案

室内土工试验采用的是三联固结仪，试验土样为宝兰重塑黄土，按土工试验规定制备试样。将扰动黄土风干过筛后，配制成5种不同含水率的土样，利用常规制样方法制成5种不同干密度的试样，所用环刀内径为61.8 mm，高度20 mm，并将试样分级加载至5种不同预压荷载后卸荷，为了取得比较充分的数据，共进行了多组平行试验。此外，卸荷试验在判断加卸荷稳定的标准上不同于常规固结试验，采用的稳定标准为每级加卸荷压力下，试样的形变量在1 h内不发生变化，则视为稳定，原因是土样在卸荷阶段，其蠕变变形是不可忽略甚至是主要影响部分。基于上述前提，具体方案如下：

1)配土：土样含水率分别为6%，10%，14%，18%，22%。

2)制样：将每种含水率的土制成干密度分别为1.45 g/cm3，1.55 g/cm3，1.65 g/cm3，1.75 g/cm3，1.85 g/cm3的试样。

3)预压卸荷：将每种试样(含水率、干密度相同)分级加荷至200 kPa，600 kPa，1 000 kPa，1 400 kPa，1 800 kPa进行预压并按原路径分级卸荷，具体加卸荷方案见表2，表3。

表2 试验加荷方案

表3 试验卸荷方案

3 卸荷回弹变形分析

3.1 压缩卸荷变形特性

以干密度1.75 g/cm3，含水率14%，预压荷载1 000 kPa的土样为例，典型压缩卸荷e-p曲线如图1所示，表明压缩与卸荷是两个独立的过程，本文主要研究重塑黄土的卸荷回弹过程。

3.2 卸荷回弹变形特性

为了分析土样在卸荷条件下回弹变形的基本规律，需定义以下指标：

1)卸荷比R。

(1)

其中，pmax为预压荷载；Δp为卸荷量。

2)回弹率。

(2)

其中，emin为最大预压荷载下试样孔隙比；ei为每级卸荷后试样孔隙比。

据上述定义，试验数据整理分析如下。

3.2.1 卸荷回弹变形特性

图2为试样卸荷过程e-p曲线。图2中试样选取的干密度为1.65 g/cm3，含水率为18%，在5种不同的预压荷载下卸荷的情况，由图2可以看出，重塑黄土卸荷回弹变形有以下特征：在不同预压荷载下，回弹曲线接近平行；在卸荷量较小时，回弹曲线近乎水平，只有当卸荷量达到一定程度后，才发生明显变形，这与工程中，土体开挖深度越大，回弹越明显这一现象相吻合。

3.2.2 回弹率与荷载的关系

图3为重塑黄土试样回弹率与荷载的关系曲线，试验中试样干密度分别取1.45 g/cm3,1.65 g/cm3和1.85 g/cm3，每种干密度试样分别进行200 kPa，600 kPa，1 000 kPa，1 400 kPa和1 800 kPa的预压，每种预压荷载都进行3组，取其平均值，具体方案见表3。图3中试样回弹率为总预压荷载卸荷200 kPa后得到的，按照卸荷比定义式(1)，可计算各试样卸荷比见表4。

表4 试样干密度为1.45 g/cm3的回弹率和卸荷比

由图3可以看出：重塑黄土试样回弹率随预压荷载增加呈衰减趋势，这与附加荷载下，均匀土层中，土体压缩量随深度的增加而减小的规律是相似的，这也与实际工程中，不同深度的均匀土层，回弹量随深度增加而衰减的现象是一致的；潘林有等提出了土的临界卸荷比的概念，即卸荷比在小于一定量时，土样几乎不发生回弹，这与土性和预压荷载等因素有关。

从图3可以看出，当卸荷比R<0.2时，回弹率λ≈0；当卸荷比大于0.33时，已经有明显的回弹，据此得出，在本实验条件下，黄土的临界卸荷比应该介于0.2～0.33。

3.3 最大回弹率δmax的影响因素分析

试验主要考虑干密度、含水率对最大回弹率的影响。本组试样选取五种干密度：1.45 g/cm3，1.55 g/cm3，1.65 g/cm3，1.75 g/cm3，1.85 g/cm3，每种干密度分别对应五种含水率，即含水率6%，10%，14%，18%，22%，25个试样的预压荷载均为600 kPa。

3.3.1 含水率ω与最大回弹率的关系

如图4所示，试样中，随着含水率增大，最大回弹率有逐渐增加趋势；经分析试验数据得出，试样含水率在6%～22%范围变化时，其回弹量相差可达0.07 mm～0.1 mm，可见土体含水率对回弹量的影响是显著的。其机理可从土与水相互作用角度解释，含水率是影响土体回弹的内在因素，在相同卸荷量条件下，一定含水率范围内，含水率增加导致土粒间结合水膜加厚，对土粒间的相对运动起润滑作用，在相同的压力差下，颗粒变得相对容易移动，造成回弹量增加。

3.3.2 干密度ρd与最大回弹率的关系

从图5可以看出，随着土样干密度增加，回弹率有衰减趋势，经分析试验数据得出，试样干密度在1.45 g/cm3～1.85 g/cm3范围变化时，其回弹量相差可达0.02 mm～0.15 mm，可见干密度也是影响土体回弹量的重要因素之一，究其原因，是由于土样干密度的增大使其颗粒间接触面增大，从而导致颗粒间摩擦阻力增大，造成回弹量减小。

4 结论

1)通过对重塑黄土回弹变形分析可知，当卸荷比R<0.2时，回弹率λ≈0；当卸荷比大于0.33时，已经有明显的回弹，据此推断，在本实验条件下，黄土的临界卸荷比应该介于0.2～0.33，这与工程中，土体开挖深度越大，回弹越明显这一现象相吻合。

2)重塑黄土试样回弹率随预压荷载增加呈衰减趋势，这与附加荷载下的均匀土层中，土体压缩量随深度增加而减小规律是相似的，这也与实际工程中，回弹量随土层深度增加而衰减的现象是一致的。

3)含水率是影响土体回弹的内在因素之一，在相同的卸荷量条件下，土体在一定含水率范围内，含水率增加，回弹率增大，当含水率在6%～22%范围变化时，试样回弹量相差可达0.07 mm～0.1 mm，可见土体含水率对回弹量影响是显著的。其机理为含水率的增加导致土粒间结合水膜加厚，对土粒间相对运动起润滑作用，在相同的压力差下，颗粒变得相对容易移动，造成回弹量增加。

4)干密度亦为影响土体回弹的内在因素之一，土样干密度增加，其回弹率有衰减趋势，试样干密度在1.45 g/cm3～1.85 g/cm3范围变化时，试样回弹量相差达0.02 mm～0.15 mm，究其原因，是由于土样干密度增大使其颗粒间接触面增大，从而导致颗粒间摩擦阻力增大，造成回弹量减小。

5)本试验不足之处：首先由于回弹变形中有不可忽略的蠕变变形，相对于压缩变形，回弹变形是很小的，因此测量回弹变形对仪器的精度要求更高，仪器精度问题导致数据规律性不太明显；其次蠕变变形量是随时间不断变化的量，限于时间因素，本试验还有待完善。希望以后可以通过考虑精度与时间因素的试验来弥补本试验的不足。