軟土卸荷強度試驗方法探討及試驗研究

周秋娟

(廣東水利電力職業(yè)技術學院市政工程系，廣州 510635)

在巖土工程中，土體的變形和強度特性關系到工程的穩(wěn)定與安全性問題，是學者的研究重點。目前，針對加荷下土體的變形與強度特性研究頗為成熟［1－3］，而對開挖卸荷下土體的變形與強度特性研究的稍為欠缺［4－5］，尤其是針對軟土。隨著沿海沿江城市的發(fā)展，軟土開挖卸荷工程(如深基坑、地鐵隧道等)逐漸增多，用常規(guī)的土工加荷試驗得到的土工參數(shù)進行開挖工程的數(shù)值模擬已越來越不能滿足工程的需要，因此本文根據(jù)現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀與實際工程的需要進行了軟土的卸荷變形、強度特性研究，重點探討了軟土的卸荷強度及卸荷模量。

1 土體卸荷強度試驗方法探討

根據(jù)文獻資料［4－9］，土體的卸荷強度試驗大致有3種方法，下面進行簡單介紹并分析:

(1)三軸軸向卸載(拉伸)試驗［5－7］，得到結論為:軸向卸載時的抗剪強度要比軸向加載時(常規(guī)三軸剪切試驗)的抗剪強度小，但是卸載下的強度參數(shù)c和φ比加載下的c和φ值稍大些，學者的解釋是橡皮膜的作用。該試驗在軸向卸載時，對土體進行了拉伸，使軸向應力小于側向應力，這使得土體的大小主應力方向發(fā)生了改變，在這種情況下，用常規(guī)方法求c和φ值是有不妥之處的;且在實際工程中，土體是不允許承受拉力的，因此在研究卸荷土體的強度上該試驗有欠缺之處。

(2)預壓卸荷后直接剪切試驗［8－9］，得到結論為:在相同的豎向荷載下，土樣卸荷后的強度大于常規(guī)加荷下的強度。該試驗通常是先對土樣進行預壓，然后逐級卸荷后再進行剪切。顯然，由于土樣受到的歷史最大荷載大于剪切時的荷載，此時土體強度勢必會大于常規(guī)加荷下同等豎向荷載時的強度。因此，該試驗得到的強度不能與常規(guī)直剪強度進行比較，但在卸荷后土體的強度特性研究上是比較合理的。

(3)三軸側向卸荷剪切試驗［4］，得到的結論為:三軸側向卸荷剪切試驗得到的強度小于常規(guī)三軸剪切試驗下的強度，但強度參數(shù)大致相同。由于在數(shù)值計算中一般采用的是強度參數(shù)，實際工程中卸荷后土體的強度將減小，因此該試驗獲得的強度參數(shù)在實際應用中有不合理之處，但在分析側向卸荷后土體的強度變化上是可取的。

以上土體卸荷強度試驗得到的抗剪強度參數(shù)與常規(guī)加荷下得到強度參數(shù)進行比較時均有不足之處，主要原因是2種試驗的剪切方法不同或是試驗的起點不同。本文綜合前人的研究，考慮土體的初始固結狀態(tài)以及卸荷過程，重新設計了土體卸荷強度試驗:先對土體進行k0固結，然后沿固結路徑進行卸荷，卸荷完成后再進行常規(guī)三軸剪切試驗;而與之對比的加荷強度試驗則先對土體進行k0固結，然后進行常規(guī)三軸剪切試驗。

2 基本試驗方案

通過對軟土卸荷抗剪強度試驗方法的探討，本文采用廣東典型原狀飽和軟土，進行了不同卸荷方法下的卸荷強度試驗。土樣的物理指標如表1所示，具體的試驗方案如表2所示，應力路徑如圖1所示。

圖1 應力路徑示意圖Fig.1 Schematic of stress paths

3 試驗成果分析

3.1 卸荷抗剪強度指標

通過不同卸荷抗剪強度試驗得到不同卸荷抗剪強度指標如圖2所示，并將強度指標匯總于表3。

圖2 不同試驗方法得到的摩爾包線Fig.2 Mohr’s envelopes obtained from different tests

從表3可以看出試驗方法對抗剪強度指標有較大影響。將 ICU與 DCU，IKCU與 DKCU，IGK與DGK進行比較可知，相同的試驗模式下，卸荷下的內摩擦角及有效內摩擦角均小于加荷下的內摩擦角及有效內摩擦角，除ICU與DCU的內摩擦角情況例外。這是由于DCU是側向卸荷，莫爾圓是往原點方向移動的，因此使得雖然卸荷下的抗剪強度較小，反而得到的強度指標較大;但由于卸荷產生負孔壓，這又使得卸荷下的有效抗剪強度指標小于加荷下的有效抗剪強度指標，這與實際工程中卸荷下土體的穩(wěn)定性較差相一致。因此，在工程實踐中，卸荷開挖采用加荷(ICU，IKCU，IGK)下的強度指標進行穩(wěn)定分析將使得工程偏于不安全。

表1 土樣的物理力學性質指標Table 1 Physical and mechanical properties of soil sample

表2 軟土卸荷抗剪強度試驗方案Table 2 Schemes of test on the unloading shear strength of soft soil

表3 不同試驗方法下的抗剪強度指標Table 3 Shear strength parameters in different tests

進一步比較3種不同卸荷(DCU，DKCU，DGK)方式下的強度指標可以發(fā)現(xiàn)，φ(DKCU)＜φ(DGK)＜φ(DCU)。實際基坑開挖工程中，DCU的試驗方式更符合實際工程，但DCU試驗需采用應力控制式三軸儀，對儀器要求較高，且試驗過程較為復雜、難度較高，而相同固結壓力下DKCU試驗得到的峰值強度較大，因此，采用DGK代替DCU得到抗剪強度指標較為合適，且DGK試驗也較為簡單。

此外，相同的試驗模式下，卸荷下的黏聚力小于加荷下的黏聚力，這主要是由于卸荷土體類似于超固結土，因此黏聚力大于正常固結土。

3.2 應力應變曲線

圖3為不同試驗方法下的應力應變曲線。從圖中可以看出，不論是何種試驗方法，變形曲線均為加工硬化型。加卸荷下應力應變曲線受試驗方法的不同而不同，但是不論試驗方式如何改變，土體的應力應變關系曲線均為雙曲線形式。從圖中還可以看出在相同的圍壓下，卸荷下的強度比相應加荷下的強度小。

圖3 應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves

3.3 初始切線加/卸荷模量

在數(shù)值計算中，加/卸荷模量是土體本構模型參數(shù)中的重要參數(shù)，部分學者對此進行了相關研究［4，10－11］。表4 給出了本文得到的不同加/卸荷強度試驗下初始切線加/卸荷模量，將其匯成圖4所示。從圖4中可以看出，初始加/卸荷模量與平均固結壓力成線性關系，圖中給出了相應的關系式。

表4 初始切線加/卸荷模量成果表Table 4 Results of initial tangential loading/unloading modulus

圖4 初始加/卸荷模量與平均固結壓力關系曲線Fig.4 Curves of initial loading/unloading modulus versus average consolidation pressure

從表4中可以看出，Eui(DCU)＜Eui(ICU)，Eui(DKCU)＜Eui(IKCU)，說明在相同的荷載增/減量下，軟土卸荷變形將大于加荷變形，使土體在卸荷下強度變小，更容易受到破壞，這與實際工程中軟土在不排水情況下進行開挖卸荷時很容易發(fā)生滑坡、破壞等現(xiàn)象相符。同時也指出，用加荷下的加荷模量來代替卸荷下的卸荷模量將會使得工程偏于危險。

4 結論

(1)不同試驗方式下，土樣卸荷后的抗剪強度指標都低于加荷下的抗剪強度指標;對基坑工程而言，采用DCU(側向卸荷三軸試驗)更符合實際情況，鑒于該試驗方法較難，可采用DGK(先預壓固結后卸荷至不同固結壓力再進行快剪試驗)得到的指標來代替。

(2)卸荷狀態(tài)下土體應力應變曲線仍為雙曲線形式，且曲線為加工硬化型;在相同的圍壓下，卸荷強度小于加荷強度。

(3)初始切線卸荷模量小于初始切線加荷模量，即用加荷下的加荷模量來代替卸荷下的卸荷模量將會使得工程偏于危險。

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