K0應(yīng)力路徑試驗在上海地區(qū)工程勘察中的應(yīng)用

馮雪威

(上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072)

0 引言

上海市對地下空間的開發(fā)利用一直在不斷的挑戰(zhàn)勘察設(shè)計水平的新高度，常規(guī)的勘察手段及試驗參數(shù)逐漸無法滿足復(fù)雜環(huán)境下深大基坑的變形設(shè)計要求。上海地區(qū)位于長江三角洲入?？跂|南前緣，淺部普遍分布有厚度較大的軟粘性土[1]。軟粘性土具有含水量高、壓縮性高、靈敏度高、孔隙比大、抗剪強度低等特點[2-4]，在基坑開挖過程中極易產(chǎn)生變形，引發(fā)工程安全事故[5-6]。對土的變形特性研究發(fā)現(xiàn)，其變形特點不僅與土的組成、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)等基本特性有關(guān)，還與土的受力條件，即應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史密切相關(guān)[7-9]。因此，基坑工程的勘察階段必須針對工程性質(zhì)，并結(jié)合地基土特性，采取代表性的土樣，在符合或接近實際應(yīng)力狀況的條件下進行試驗，才能獲得較為真實的應(yīng)力變形計算指標，為后續(xù)設(shè)計階段提供更為精準、可靠的地質(zhì)勘察資料[10-11]。

上海地區(qū)在進行軟粘性土的變形特性試驗時，普遍采用側(cè)限壓縮試驗(亦稱固結(jié)試驗)，有時也采用常規(guī)三軸壓縮試驗(亦稱三軸剪切試驗)，上述試驗由于側(cè)向壓力保持不變，當施加的豎向力增大到某一值后，變形參數(shù)結(jié)果往往失真，而K0應(yīng)力路徑下的三軸壓縮試驗則不受施加荷載大小的限制，加壓或卸荷過程中始終保持K0狀態(tài)，可以較為真實地反映土體在天然狀態(tài)下的變形情況[12-15]。但受實驗室水平、工程造價及技術(shù)人員固有思維的限制，勘察過程中極少進行對原狀土在不同應(yīng)力路徑下的變形及強度試驗研究，這使得報告中提供的參數(shù)不能很好地和基坑開挖卸荷過程中土體的實際變化相吻合[16-17]。因此工程勘察技術(shù)人員非常有必要加強了解不同應(yīng)力路徑下卸荷三軸試驗的原理及影響，并可以準確地應(yīng)用到深大基坑項目工程勘察設(shè)計的實際工作中去。

本文以上海市徐家匯某深大基坑項目為例，介紹該項目基坑開挖及影響深度內(nèi)粘性土在K0應(yīng)力路徑下的三軸加荷-卸荷-再加荷試驗成果，并進行簡要的分析討論。

1 工程概況

上海市徐家匯某深大基坑項目位于上海繁華的徐家匯商業(yè)區(qū)，場地周邊主要為高層商業(yè)辦公樓或住宅樓，東側(cè)鄰近地鐵11號線徐家匯站，且場地內(nèi)北側(cè)下方為地鐵9號線區(qū)間隧道，周邊環(huán)境極其復(fù)雜。本工程場地內(nèi)下設(shè)有-1～-6層整體地下室，開挖深度一般在6～32 m，局部最深約37 m，基坑安全等級屬于一級，地下建筑面積約250000 m2，屬于典型的深大基坑工程。

本工程場地屬于上海地區(qū)五大地貌單元中的濱海平原地貌類型，依據(jù)勘察揭遇地層資料，場地位于古河道沉積區(qū)，普遍缺失暗綠色粘性土，相應(yīng)沉積了較厚的灰色粘性土，基坑開挖及影響深度范圍內(nèi)(按2.5倍開挖深度考慮)主要地基土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)詳見表1，從表中可知，淺部軟粘性土明顯具有含水量高、壓縮性高、孔隙比大、強度低等典型軟土的工程地質(zhì)特性，上述軟弱土層在基坑開挖時坑底會產(chǎn)生一定程度的卸荷回彈，特別是本項目位于地鐵9號線上方，-1F地下室基坑開挖時由于卸荷作用，易引發(fā)地鐵上浮[18-19]，亦可能造成工程樁受力變形，甚至斷樁[20-22]，因而準確地獲取開挖范圍內(nèi)軟土的變形模量對工程安全至關(guān)重要。

表1 主要土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Major parameters of soil physical and mechanical properties

2 試驗方法

本工程應(yīng)力路徑三軸試驗采用多功能應(yīng)力-應(yīng)變自動控制的應(yīng)力路徑三軸儀，剛性密封式的三軸容器，土樣直徑為61.8 mm(面積為30 cm2)，土樣高度為120 mm[23]。經(jīng)多方討論，綜合地基土特性、土層對基坑開挖的影響程度、設(shè)計要求及試驗周期等方面，確定試驗所使用土樣取自深基坑范圍內(nèi)3個鉆孔中不同深度的共16筒土樣(均為Ⅰ級樣)，主要為基坑開挖范圍內(nèi)的灰色淤泥質(zhì)粘土、灰色粘土、灰色粉質(zhì)粘土及灰綠色粉質(zhì)粘土。

試驗方法：通常三軸試驗采用等向固結(jié)狀態(tài)，而天然土層中的初始應(yīng)力一般處于各向異性的應(yīng)力狀態(tài)，即K0固結(jié)狀態(tài)，故本次試驗在K0狀態(tài)下按土樣的自重應(yīng)力進行連續(xù)加荷排水試驗[24-26]，記錄在加荷條件下的豎向應(yīng)力σ1、側(cè)向應(yīng)力σ3、豎向變形Δh(s)；加荷至自重應(yīng)力后開始以同樣的速率卸荷至零，并記錄σ1、σ3、Δh(s)；再以同樣的速率再次進行加荷試驗，直至以2倍的自重應(yīng)力結(jié)束，并作記錄。試驗過程中以應(yīng)力應(yīng)變控制方法向試樣施加或卸除豎向應(yīng)力，應(yīng)變速率控制在8×10-5/min。

3 試驗成果分析

本次試驗共進行16組，以G7-15號土樣為例，單個土樣加荷、卸荷、再加荷過程的試驗數(shù)據(jù)詳見表2、圖1，16組數(shù)據(jù)剔除異常值按土層整理后統(tǒng)計結(jié)果(平均值)詳見圖2～圖5。

表2 G7-15號土樣試驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data of No.G7-15soil sample

注：取土深度26.1～26.4 m。

由圖1中數(shù)據(jù)可知，土樣的加荷-卸荷-再加荷過程均在K0條件下，即σ1=σ3/K0，試驗過程中同時記錄主應(yīng)力σ1和圍壓σ3，通過對土樣施加應(yīng)力的調(diào)節(jié)，控制土樣徑向應(yīng)變?yōu)榱?，并獲得靜止土壓力系數(shù)K0值，可以看出，K0在加荷過程中逐漸減小，而在卸荷回彈過程中逐漸增加。根據(jù)土力學(xué)基本理論，土的變形模量計算公式為：

圖1 G7-15號土樣加荷-卸荷-再加荷統(tǒng)計結(jié)果Fig.1 Statistical results of loading-unloading-re-loading of soil sample No.G7-15

圖2 灰色淤泥質(zhì)粘土加荷-卸荷-再加荷統(tǒng)計結(jié)果Fig.2 Statistical results of loading-unloading-re-loading on gray silt clay

圖3 灰色粘土加荷-卸荷-再加荷統(tǒng)計結(jié)果Fig.3 Statistical results of loading-unloading-re-loading on grey clay

Es=Δσz/Δεz

(1)

式中：Δσz——主應(yīng)力增量；Δεz——主應(yīng)力方向應(yīng)變增量。

圖4 灰色粉質(zhì)粘土加荷-卸荷-再加荷統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistical results of loading-unloading-re-loading on gray silty clay

圖5 灰綠色粉質(zhì)粘土加荷-卸荷-再加荷統(tǒng)計結(jié)果Fig.5 Statistical results of loading-unloading-re-loading on gray-green silty clay

由圖2～圖5可以看出，土樣的卸荷模量在整個實驗過程變化尤為顯著，土樣卸荷模量數(shù)值遠遠大于加荷模量及再加荷模量數(shù)值，一般為10～20倍，且回彈變形量遠遠小于加荷時產(chǎn)生的壓縮變形量，卸荷曲線亦無法回到原點，這主要是因為土體為彈塑性材料，在主應(yīng)力的作用下，土體在加荷過程中會產(chǎn)生一部分的塑性變形，如土體顆粒破碎或顆粒排列結(jié)構(gòu)發(fā)生變化形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，此部分變形為不可恢復(fù)變形，而回彈量往往為土體的彈性變形、粒間結(jié)合水膜變形等，此部分為可恢復(fù)變形。

隨著主應(yīng)力增加，土樣的加荷模量、再加荷模量大體呈逐漸變大的趨勢，當變形模量增大后又呈減小的趨勢后，土樣可能趨近于破壞狀態(tài)。這主要是因為在2次加荷過程中，土樣發(fā)生排水固結(jié)，土體中孔隙體積逐漸減小，同時固體顆粒排列逐漸緊密，強度提高，致使土樣越發(fā)難以壓縮，但相對于灰色粉質(zhì)粘土和灰綠色粉質(zhì)粘土而言，灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色粘土變化不顯著，可能是因為此2層地基土土性軟弱，含水量較高，孔隙比較大，土樣在試驗過程中發(fā)生排水固結(jié)的速率較慢，固結(jié)效果不明顯，強度提高亦有限。進一步對比不難發(fā)現(xiàn)，再加荷壓縮變形量普遍小于第一次加荷產(chǎn)生的壓縮變形量，說明第一次加荷過程中土樣完成了部分固結(jié)，并且產(chǎn)生了一部分不可恢復(fù)變形，壓縮性逐漸減小，即表現(xiàn)為再加荷模量亦明顯提高。

此外，對于不同深度的粘性土而言，隨著深度和自重應(yīng)力的增加，土體在天然狀態(tài)下的固結(jié)程度逐漸變好，加荷模量、卸荷模量及再加荷模量亦逐漸變大，越來越有利于基坑開挖施工和卸荷回彈的控制，而淺部的淤泥質(zhì)土及軟粘性土由于固結(jié)程度較差，壓縮性高，開挖過程中產(chǎn)生的變形亦較大，對于沉降控制變形敏感的基坑應(yīng)加強圍護設(shè)計及監(jiān)測，同時還需注意較大的回彈量可能會引發(fā)斷樁等樁基質(zhì)量問題。將圖2～圖5的數(shù)據(jù)結(jié)果和土層常規(guī)固結(jié)壓縮試驗比較可知，土樣的再加荷變形模量與常規(guī)固結(jié)試驗得到的壓縮模量Es0.1-0.2相比，前者明顯大于后者，一般為3倍左右，可見軟粘性土的變形模量受應(yīng)力路徑的影響較為顯著。K0應(yīng)力路徑下獲得的變形模量應(yīng)用在基坑工程設(shè)計及模擬時，可以較真實地反映基坑開挖過程中土體的實際變形情況，從而有利于為設(shè)計人員提供更合理的基坑圍護設(shè)計方案和相關(guān)參數(shù)，在確保工程安全的前提下，降低工程造價，避免安全儲備過高造成的工程浪費。

4 結(jié)論

(1)軟粘性土的變形模量受應(yīng)力路徑的影響較為顯著，K0應(yīng)力路徑下加荷-卸荷-再加荷試驗，可以較為真實地反映土體在天然狀態(tài)下進行基坑開挖過程中的卸荷、再加荷時的工程變形特性。

(2)土樣卸荷模量數(shù)值遠遠大于加荷模量及再加荷模量數(shù)值，而回彈變形量遠遠小于加荷時產(chǎn)生的壓縮變形量；土樣的加荷模量、再加荷模量大體呈逐漸變大的趨勢，相比較而言，灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色粘土數(shù)值均較小，變化亦不明顯，此2層地基土對基坑開挖時的邊坡穩(wěn)定性和樁基均較為不利。

(3)對于周邊環(huán)境復(fù)雜的深大基坑，真實地反映出土體在天然狀態(tài)下的變形參數(shù)對基坑設(shè)計至關(guān)重要，而上海地區(qū)勘察工程中極少進行K0應(yīng)力路徑三軸試驗，建議以后在軟土地區(qū)的深大基坑工程中加強應(yīng)用。