不同應(yīng)力路徑下飽和粉土強度與變形特性試驗研究

秦鵬飛,謝曉杰，馬玉林

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 鄭州　450010 )

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不同應(yīng)力路徑下飽和粉土強度與變形特性試驗研究

秦鵬飛,謝曉杰，馬玉林

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 鄭州450010 )

摘要：為了模擬地下工程施工過程中不同位置處受擾動土體實際的應(yīng)力和變形狀態(tài)，探討不同應(yīng)力路徑條件下土體的強度和變形破壞特性，共進(jìn)行了4組試驗，分別為常規(guī)三軸壓縮試驗、等 P 壓縮試驗、等壓固結(jié)減壓壓縮試驗和偏壓固結(jié)減壓壓縮試驗。試驗結(jié)果表明在不同的剪切路徑下土體表現(xiàn)出不同的強度與變形特征，即在常規(guī)壓縮條件下強度最高，減壓壓縮條件下的強度最低。而且，常規(guī)三軸壓縮、等P壓縮和減壓壓縮這3種剪切方式下土體均沒有出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。試驗結(jié)果所揭示的規(guī)律可為現(xiàn)場施工提供科學(xué)有益的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：飽和粉土;應(yīng)力路徑；應(yīng)力釋放；土體強度；變形特性；試驗研究

1研究背景

目前，北京、上海、武漢等各大城市地鐵、地下通道、地下商場等城市地下基礎(chǔ)設(shè)施正在大規(guī)模地進(jìn)行建設(shè)。例如根據(jù)北京市政府的交通規(guī)劃，2015年北京基本建設(shè)形成“三環(huán)、四橫、五縱、七放射”總里程長達(dá)561 km的地鐵軌道交通網(wǎng)絡(luò)[1]，可極大地緩解當(dāng)前地面交通壓力大的現(xiàn)狀，并進(jìn)一步方便城市居民的交通出行。然而長期以來，由于人們對地鐵等地下工程施工擾動引起的周圍土體性質(zhì)的改變和施工中結(jié)構(gòu)與土體介質(zhì)的變形、失穩(wěn)、破壞的發(fā)展過程認(rèn)識不足，或者對此有所認(rèn)識，但沒有更好的理論和方法加以解決[2]，導(dǎo)致城市基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)過程中產(chǎn)生基坑邊坡失穩(wěn)及坍塌等，并造成了人員傷亡等屢見不鮮的事故。

張孟喜等[3]根據(jù)不同施工工況的特點，對不同卸載應(yīng)力路徑下黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、強度與變形破壞特性進(jìn)行了一系列研究。結(jié)果表明，卸載作用下的強度與變性特性、變形模量及破壞特征與加載路徑時存在很大差別，擠長破壞的抗剪強度較壓縮破壞低，擠長破壞的最大軸向應(yīng)變僅為壓縮破壞的1/3～1/2；李兆平[4]就基坑開挖擾動對土體工程性質(zhì)的影響進(jìn)行了試驗研究(見圖1)，其結(jié)果表明開挖擾動對土體的黏聚力沒有明顯影響，但對內(nèi)摩擦角影響顯著，最低影響幅度在2°左右，隨擾動程度的增大內(nèi)摩擦角受影響的程度增大。

圖1　某基坑開挖示意

本文針對北京地區(qū)典型飽和粉土進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮、等P壓縮、等壓減壓壓縮和偏壓減壓壓縮等不同剪切路徑室內(nèi)試驗，擬探討施工擾動對土體變形與強度特性的影響。

2試樣及其制備

2.1土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

試驗土料取自北京地鐵十號線二期工程“樊家村站(首都經(jīng)貿(mào)大學(xué))—石榴莊站”工地施工現(xiàn)場，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)[5]，經(jīng)測定土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1　試驗土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1　Basic physical and mechanical properties of test soil sample

2.2制樣

稱取一定重量天然狀態(tài)下受擾動的松散濕土，放入擊實桶內(nèi)分層擊實。各層土料重量應(yīng)相等，接觸面刨毛，自然落錘輕擊12次。擊實完取出，放于削土器上削成直徑50 mm、長度100 mm的圓柱土樣。將盛裝試樣的飽和器放入真空缸內(nèi)，抽氣和充水共飽和10 h以上。

按照土工試驗規(guī)程的要求，常規(guī)三軸壓縮試驗采用應(yīng)變控制式剪切方式，剪切速率為0.1%/min；等P壓縮、減壓壓縮試驗采用應(yīng)力控制式剪切方式，剪切速率為0.5 kPa/min。

3試驗剪切路徑設(shè)計

基坑開挖或打樁、注漿等施工過程中，土體經(jīng)受了復(fù)雜的剪切路徑。為了模擬地下工程施工過程中不同位置處受擾動土體實際的應(yīng)力和變形狀態(tài)，即為了探討不同剪切應(yīng)力路徑條件下土體的變形和破壞特性，共設(shè)計了4組實驗。分別為常規(guī)三軸壓縮試驗(路徑1)、等P壓縮試驗(路徑2)、等壓減壓壓縮試驗(路徑3)和偏壓減壓壓縮試驗(路徑4)。制定的試驗方案見表2。

表2　不同剪切路徑的試驗方案Table 2　Test schemes of different stress paths

4試驗結(jié)果分析

4.1應(yīng)力、應(yīng)變控制式剪切方式的影響

本文中常規(guī)三軸壓縮試驗采用了應(yīng)變控制剪切試驗，其他特殊路徑均為應(yīng)力控制式剪切。為了討論應(yīng)力應(yīng)變控制式剪切方式對土體剪切特性的影響，針對均等固結(jié)的試樣分別進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變控制式常規(guī)三軸試驗，以此進(jìn)行對比，如路徑1編號A2-1和A2-2的試樣。圖2表示2種剪切方式得到的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及孔隙水壓力時程曲線。

從圖中可以看出，應(yīng)力控制式、應(yīng)變控制式剪切方式對粉土剪切特性似乎沒有顯著的影響，因此可以認(rèn)為在本文所有試驗結(jié)果對比中消除了剪切控制方式的影響，主要探討剪切路徑、固結(jié)比的影響。

圖2　應(yīng)力控制式和應(yīng)變控制式剪切試驗結(jié)果對比

4.2剪切路徑的影響

為了探討不同剪切路徑下即不同應(yīng)力釋放條件下的土體剪切特性，針對3種均等固結(jié)條件下的土樣分別進(jìn)行了3種不同剪切路徑的試驗。土樣編號分別為表1中路徑1、路徑2、路徑3中的A1，A2，A3，B1，B2，B3，C1，C2，C3等，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　各種剪切方式下的總應(yīng)力路徑 與偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4　200 kPa圍壓下不同 剪切路徑的偏應(yīng)力-應(yīng)變 關(guān)系曲線

從圖3中可以看出，在相同的剪切路徑條件下，隨初始固結(jié)圍壓增高，土樣在相同應(yīng)變時對應(yīng)的剪應(yīng)力明顯增大，即土體表現(xiàn)出明顯的壓硬特性，但是對于相同的剪切方式，試樣達(dá)到極限狀態(tài)時在相同的應(yīng)力比下趨于穩(wěn)定。

圖4表示相同固結(jié)壓力，不同剪切路徑條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即編號A1,B2,C1的試樣所得的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。如圖4所示，不同的剪切路徑下土體表現(xiàn)出不同的強度，即在常規(guī)壓縮條件下其強度最高，減壓壓縮條件下的強度最低，等P壓縮條件下的強度在其兩者之間，剪切路徑對其強度的影響非常顯著。

4.3強度結(jié)果分析

經(jīng)計算，試驗所設(shè)計的各剪切路徑條件下，飽和粉土所發(fā)揮的內(nèi)摩擦角分別為27.2，30.8，41.8，16.4，其強度指標(biāo)如表3所示。

表3　各種剪切路徑下的飽和粉土強度指標(biāo)Table 3　Strength indexes of saturated silty soil under different shear paths

4.4偏壓固結(jié)試驗結(jié)果分析

偏壓減壓壓縮試驗得到的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線及應(yīng)力路徑如圖5所示。從圖中可以看出，不同固結(jié)圍壓、相同剪切路徑下，試樣達(dá)到極限狀態(tài)時在相同的應(yīng)力比下趨于穩(wěn)定，與等壓固結(jié)條件下的試驗結(jié)果是完全一致的。在偏壓固結(jié)條件下土體同樣顯現(xiàn)出壓硬特性，且偏壓固結(jié)條件下的強度比等壓固結(jié)條件下的強度有顯著提高。

圖5　偏壓固結(jié)條件下的總應(yīng)力路徑與 偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線 Fig.5　Total stress paths and partial stress-strain curves under anisotropic decompressed compression test

5結(jié)語

為了模擬地下工程施工過程中不同位置處受擾動土體實際的應(yīng)力和變形狀態(tài)，探討不同應(yīng)力路徑條件下土體的剪脹剪縮變形和破壞特性，共設(shè)計了4組試驗。分別為常規(guī)三軸壓縮試驗(路徑1)、等P壓縮試驗(路徑2)、偏壓減壓壓縮試驗(路徑3)和偏壓固結(jié)減壓壓縮試驗(路徑4)。試驗結(jié)果表明在不同的剪切路徑下土體表現(xiàn)出不同的強度，在常規(guī)壓縮條件下其強度最高，減壓壓縮條件下的強度最低，但最終在不同的應(yīng)力比水平下趨于穩(wěn)定，并直接影響內(nèi)摩擦角大小。而且，3種剪切方式下土體均沒有出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。試驗結(jié)果所揭示的規(guī)律可為現(xiàn)場施工提供初步科學(xué)有益的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李興高.北京市軌道交通近期規(guī)劃建設(shè)——北京市交通委員會周正宇副主任訪談[J].都市快軌交通,2007,(3):1-2.

[2]邵云鋮.受擾動土性狀室內(nèi)試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[3]張孟喜,孫鈞.受施工卸載擾動黃土的變形與強度特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(13):2248-2254.

[4]李兆平. 非飽和土體在開挖和降雨入滲影響下的穩(wěn)定性理論與應(yīng)用[D]. 北京: 北方交通大學(xué), 2000.

[5]GB/T 50123—1999， 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

(編輯：曾小漢)

收稿日期：2015-01-18；修回日期：2015-04-11

作者簡介：秦鵬飛(1984 - )， 男， 河南平頂山人， 博士， 主要從事水利巖土工程方面的研究，(電話) 15294631861 (電子信箱)qinpengfei@emails.bjut.edu.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150073

中圖分類號：TU432

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0078-03

Deformation and Strength Characters of Saturated Silty Soilunder Different Stress Paths

QIN Peng-fei, XIE Xiao-jie, MA Yu-lin

(School of Architectural Engineering, Zhengzhou University of Industrial Technology,Zhengzhou450010, China)

Abstract:In order to simulate the actual stress and deformation state of disturbed soil at different positions of under-

ground engineering construction, we designed four test groups to explore the strength and deformation characteristics of soil under different stress paths. The four tests are conventional triaxial compression test, compression test with equal P, isotropic consolidation decompressed compression test, and anisotropic consolidation decompressed compression test. Experimental results show that the soil exhibits different strength and deformation characteristics under different shear paths. In conventional compression condition the strength is the highest, whereas in decompression condition the strength is the lowest. Moreover, strain softening did not appear under the three different shear paths.

Key words:saturated silty soil; stress path; stress release; soil strength; deformation characteristics; test study

2016,33(04):78-80，85