折線應(yīng)力路徑條件下粉質(zhì)黏土力學(xué)特性試驗研究

劉連棟 劉燕 李春林 張亮亮

文章編號：1671-3559（2024）01-0023-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230320.003

摘要：為了探究先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊應(yīng)力路徑條件下粉質(zhì)黏土的變形規(guī)律、孔壓變化以及強度指標， 以濟南市某隧道附近的粉質(zhì)黏土原狀土樣為研究對象， 采用K0固結(jié)先側(cè)向卸荷后軸向加荷不排水剪切試驗， 并在卸荷階段選取3個不同的卸荷比， 模擬先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝特殊工況下的應(yīng)力路徑， 然后進行等壓固結(jié)不排水常規(guī)三軸剪切試驗和K0固結(jié)側(cè)向卸荷不排水剪切試驗， 并對比3種試驗結(jié)果。 結(jié)果表明：先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊應(yīng)力路徑條件下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變試驗曲線為非線性曲線， 粉質(zhì)黏土的破壞強度與卸荷量有關(guān)， 卸荷量越大， 則破壞強度越??；減圍壓階段產(chǎn)生負孔壓， 軸向加壓階段孔壓隨著軸向應(yīng)變的增加呈先增大后減小的趨勢， 在同一初始固結(jié)圍壓下， 粉質(zhì)黏土的卸荷比越小， 則剪切時產(chǎn)生的最大孔壓越大；先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊應(yīng)力路徑條件下粉質(zhì)黏土的卸荷比越大， 則有效黏聚力越大， 有效內(nèi)摩擦角越小， 與等壓固結(jié)不排水常規(guī)三軸剪切試驗相比， 有效內(nèi)摩擦角偏小， 有效黏聚力隨卸荷比的不同而偏大或偏小。

關(guān)鍵詞：土工試驗；應(yīng)力路徑；三軸試驗；粉質(zhì)黏土；吊裝荷載

中圖分類號：TU411.3

文獻標志碼：A

開放科學(xué)識別碼（OSID碼）：

Experimental Research on Mechanical Properties of

Silty Clay Under Broken Line Stress Path Condition

LIU Liandong1a， LIU Yan1a， b， LI Chunlin2， ZHANG Liangliang3

（1. a. School of Civil Engineering and Architecture， b. The Engineering Technology Research Center for Urban Underground

Engineering Supporting and Risk Monitoring of Shandong Province， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Jinan City Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250131， Shandong， China;

3. China Railway Siyuan Survry and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， Hubei， China）

Abstract： To explore deformation law， pore pressure variation， and strength index of the silty clay under the special stress path condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then， taking silty clay undisturbed soil samples near a tunnel in Jinan city as research objects， K0 consolidation undrained shear test with lateral unloading followed by axial loading was adopted and three different unloading ratios were selected during the unloading stage to simulate the stress path under a special condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then. Isobaric consolidated undrained conventional triaxial shear test and K0 consolidated lateral unloading undrained shear test were then carried out， and the three experimental results were compared. The results

收稿日期：2022-07-07????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間：2023-03-21T16：16：14

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51979122）；山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2022ME042）

第一作者簡介：劉連棟（1996—），男，山東濰坊人。碩士研究生，研究方向為巖土與地下空間工程。E-mail：1355286284@qq.com。

通信作者簡介：劉燕（1978—），女，山東濟南人。副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為巖土與地下空間工程。E-mail：liuyan322@163.com。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230320.1621.006.html

show that deviatoric stress-axial strain test curves under the special stress path condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then are nonlinear curves. The failure strength of silty clay is related to the unloading amount. The greater the unloading amount is， the smaller the failure strength is. Negative pore pressure is generated in reducing confining pressure stage. Pore pressure first increases and then decreases with the increase of axial strain in axial applying pressure stage. Under the same initial consolidation confining pressure， the small the unloading ratio of silty clay is， the greater the maximum pore pressure generated in shear is. Under the special stress path condition of foundation pit excavation first and large tonnage hoisting at foundation pit side then， the greater the unloading ratio of silty clay is， the greater the effective cohesion is and the smaller the effective internal friction angle is. Compared with the isobaric consolidated undrained conventional triaxial shear test， the effective internal friction angle is smaller， and the effective cohesion is larger or smaller according to different unloading ratios.

Keywords： geotechnical test; stress path; triaxial test; silty clay; hoisting load

土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑等眾多因素有關(guān)，目前一般采用等壓固結(jié)常規(guī)三軸加載試驗得到的參數(shù)進行基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是在實際工程中，土體處于K0固結(jié)（K0為靜止土壓力系數(shù)）狀態(tài)，并且會經(jīng)歷與等壓固結(jié)常規(guī)三軸加載試驗中完全不同的應(yīng)力路徑。濟南市某盾構(gòu)工作井在基坑開挖時坑外土體側(cè)向卸荷，后續(xù)施工過程中坑邊有施工荷載，致使坑外土體應(yīng)力狀態(tài)變化復(fù)雜?？油馔馏w先側(cè)向卸荷后豎向加荷，土體的應(yīng)力路徑為折線，這種情況非常特殊。國內(nèi)外已有很多學(xué)者對黏土［1-7］、黃土［8-9］和砂土［10］等各種類型的土體進行了不同應(yīng)力路徑的研究。普通應(yīng)力路徑在p-q平面［其中p=（σ1+σ3）/2，q=（σ1-σ3）/2，σ1為豎向應(yīng)力，σ3為水平應(yīng)力］中都是直線，而K0固結(jié)先側(cè)向卸荷后軸向加荷不排水剪切試驗的應(yīng)力路徑是折線。目前土體的應(yīng)力路徑為直線的試驗有很多，而類似本工程中應(yīng)力路徑為折線的試驗較少。

本文中選用取自濟南市某隧道附近的粉質(zhì)黏土原狀土樣進行K0固結(jié)先側(cè)向卸荷后軸向加荷不排水試驗，模擬基坑開挖及盾構(gòu)機構(gòu)件吊裝時坑外土體經(jīng)歷的真實應(yīng)力路徑，并與等壓固結(jié)不排水常規(guī)三軸剪切試驗和K0固結(jié)側(cè)向卸荷不排水試驗結(jié)果進行對比，探究先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊應(yīng)力路徑條件下粉質(zhì)黏土的變形規(guī)律、孔壓變化及強度指標。

1? 應(yīng)力路徑分析

圖1所示為基坑開挖影響區(qū)域劃分［11］。以基坑開挖平面應(yīng)變問題的應(yīng)力路徑為例，基坑開挖時周圍土體影響區(qū)域一般分為主動區(qū)、被動區(qū)、過渡區(qū)3個區(qū)域，分別編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，并且每個區(qū)域土體的典型應(yīng)力路徑不同。

p-q平面—p=（σ1+σ3）/2， q=（σ1-σ3）/2， 其中

σ1為豎向應(yīng)力， σ3為水平應(yīng)力；K0—靜止土壓力系數(shù)；

a、b、c、d、e、f、g—應(yīng)力路徑上的點。

圖2? 基坑開挖及后續(xù)施工過程中土體經(jīng)歷的應(yīng)力路徑

歷的應(yīng)力路徑。隨著基坑的開挖，Ⅰ區(qū)土體首先被挖走，支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移，導(dǎo)致土體單元水平應(yīng)力減小，豎向應(yīng)力基本不變，水平應(yīng)力由靜止土壓力向主動土壓力變化，應(yīng)力路徑為c—d。然后Ⅱ區(qū)上覆土體被挖走，導(dǎo)致坑底土的豎向應(yīng)力變小，而水平應(yīng)力基本不變，應(yīng)力路徑為c—g。Ⅲ區(qū)土體位于基坑外側(cè)與底部之間，隨著基坑的開挖，土體單元在水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力均減小，應(yīng)力路徑介于c—d與c—g之間。

基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時常采用等壓固結(jié)常規(guī)三軸加載試驗取得的強度指標， 應(yīng)力路徑為a—b， 而實際工程施工過程中土體經(jīng)歷的應(yīng)力路徑并非如此。 在濟南市某盾構(gòu)工作井施工期間， 頂部吊裝盾構(gòu)機構(gòu)件， 荷載常達上千噸， 即坑外土體先經(jīng)歷開挖側(cè)向卸荷， 后經(jīng)歷吊裝豎向加荷， 應(yīng)力路徑為c—e—f。在此背景下， 以Ⅰ區(qū)的土體為研究對象， 進行K0固結(jié)先側(cè)向卸荷后軸向加荷不排水剪切試驗， 并與等壓固結(jié)不排水常規(guī)三軸剪切試驗、K0固結(jié)側(cè)向卸荷不排水剪切試驗結(jié)果進行對比， 討論不同應(yīng)力路徑條件下土體的變形規(guī)律、孔壓變化及強度指標

。

2? 試驗

為了反映同一深度處土體經(jīng)歷不同應(yīng)力路徑時的區(qū)別，3個方案分別選取200、300、400 kPa這3個軸壓。方案1即等壓固結(jié)不排水常規(guī)三軸剪切試驗，固結(jié)時采用等壓固結(jié)，圍壓等于軸壓；剪切時圍壓不變，軸向加荷直到土樣破壞，選取200、300、400 kPa這3個圍壓后，增加軸壓至土樣破壞。方案2即K0固結(jié)側(cè)向卸荷不排水剪切試驗，固結(jié)時采用K0固結(jié)，圍壓等于軸壓乘以靜止土壓力系數(shù)K0；剪切時軸壓不變，圍壓減小至土樣破壞，選取200、300、400 kPa這3個軸壓后， 減小圍壓至土樣破壞。 方案3即K0固結(jié)先側(cè)向卸荷后軸向加荷不排水剪切試驗， 固結(jié)時采用K0固結(jié)， 圍壓等于軸壓乘以靜止土壓力系數(shù)K0；剪切時先控制軸壓不變， 圍壓減小到目標值， 然后控制圍壓不變， 軸向加荷至土樣破壞；選取200、300、400 kPa這3個初始軸壓， 先分別減小圍壓至初始圍壓的90%、75%、60%， 卸荷比分別為0.10、0.25、0.40， 然后增加軸壓至土樣破壞。

試驗所取原狀土樣為濟南市某隧道附近的典型粉質(zhì)黏土， 土樣取土深度約為20 m。 采用抽氣飽和法進行土樣飽和， 在土樣固結(jié)前進行B值檢測， 檢測土樣飽和度，要求B值為95%以上。 若B值達不到95%， 則進行反壓飽和， 直到飽和度滿足要求。 根據(jù)國家標準GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》［12］， 破壞點取值為偏應(yīng)力的峰值點， 如果偏應(yīng)力無峰值點， 則破壞點取軸向應(yīng)變達到15%的點。 方案1采用應(yīng)變控制式， 剪切速率為0.04 mm/min， 由于儀器在減圍壓時無法采用應(yīng)變控制， 因此方案2、3采用應(yīng)力控制式， 控制整個剪切過程的時間與方案1的一致。 參考文獻［13］，K0取為0.67。粉質(zhì)黏土原狀土樣的物理性質(zhì)指標如表1所示。

3? 結(jié)果與分析

根據(jù)3種試驗方案進行試驗。 圖3所示為3種應(yīng)力路徑條件下偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系。 從圖3（a）中可以看出， 偏應(yīng)力無峰值點，前期呈現(xiàn)彈性變形，硬化特征較明顯，固結(jié)時圍壓越大，則土體破壞時最大偏應(yīng)力越大。從圖3（b）中可以看出：變形分為2個部分， 前半部分是緩慢變形， 后半部分是破壞變形。在卸荷初期，土樣為彈性變形，后期出現(xiàn)明顯的塑性變形，并且土體在軸向變形很小的情況下即發(fā)生破壞， 說明粉質(zhì)黏土基坑在破環(huán)前應(yīng)變較小， 不易察覺， 在偏應(yīng)力達到破壞值時， 變形破壞迅速發(fā)生， 即基坑開挖時土體豎向變形較小， 但是破壞迅速。 從圖3（c）、（d）、（e）中可以看出：側(cè)向卸荷階段土體呈現(xiàn)彈性變形且應(yīng)變較小。 土體的破壞強度與卸荷量有關(guān)， 卸荷量越大， 則土樣的破壞強度越小。 在卸荷期和軸向加壓前期， 試驗曲線重合度比較高， 在軸向應(yīng)變約為0.5%時， 曲線開始分開， 隨卸荷量的不同而破壞強度不同， 表明實際工程中基坑開挖卸荷量不同，坑外土的豎向承載力也不同。

3個方案的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變試驗曲線均為非線性曲線，在土樣破壞之前，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大而增大，并且具有明顯的硬化特性。方案3的試驗曲線形狀在卸荷階段與方案2的相似，軸向加荷階段與方案1的相似，方案2的試驗曲線形狀與方案1的差距較大。

圖4所示為相同軸壓時3種應(yīng)力路徑條件下偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系。從圖中可以看出：在初始軸壓相同的情況下，應(yīng)力路徑不同，則破壞強度不同。方案1應(yīng)力路徑條件下土樣的破壞強度最大，方案3的次之，方案2的最小。方案3圍壓卸荷階段的試驗曲線形狀與方案2的類似，在軸向應(yīng)變變化較小的情況下偏應(yīng)力變化迅速；軸向加荷階段的試驗曲線形狀與方案1的類似，偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變都有明顯變化，說明不同應(yīng)力路徑條件下粉質(zhì)黏土的破壞強度和變形規(guī)律都不同。

圖5所示為3種應(yīng)力路徑條件下孔壓與軸向應(yīng)變的關(guān)系。從圖中可以看出：由于儀器無法測出負孔壓， 負孔壓在圖中顯示為0， 因此無法測出方案2

中的孔壓，方案2中孔壓全程為0；由于儀器無法測出方案3減圍壓階段孔壓，因此方案3減圍壓階段孔壓全程為0。本試驗主要研究方案3。從圖5（a）中可以看出，最大孔壓隨著圍壓的增大而增大，隨著軸向應(yīng)變的增大，孔壓呈先增大后減小的趨勢。從圖5（b）、（c）、（d）中可以看出：因為方案3剪切時先減圍壓，所以應(yīng)變前期會產(chǎn)生負孔壓，軸向應(yīng)變較小時，圖中顯示孔壓為0。當卸荷比為0.10時，由于土樣的卸荷較小，因此負孔壓對應(yīng)的軸向應(yīng)變很小。在同一初始固結(jié)圍壓時，卸荷比越小，剪切所產(chǎn)生的最大孔壓越大。不同初始固結(jié)圍壓時，最大孔壓隨著初始固結(jié)圍壓的增大而增大。與方案1相同，隨著軸向應(yīng)變的增大，孔壓呈先增大后減小的趨勢。由此可知，孔壓的變化受應(yīng)力路徑的影響。

3種應(yīng)力路徑條件下粉質(zhì)黏土的強度指標如表2所示。由于儀器無法測量負孔壓，因此方案2無法得出有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角。由表可知：對于方案3，卸荷比越大，則有效黏聚力越大，有效內(nèi)摩擦角越??；與方案1相比，有效內(nèi)摩擦角較小， 隨著卸荷比的增大，有效黏聚力從小于方案1中的逐漸增至大于方案1中的，說明粉質(zhì)黏土的強度指標也與應(yīng)力路徑有關(guān)。

4? 結(jié)論

為了得到先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊工況下坑外土體的變形規(guī)律、孔壓變化和強度指標， 本文中采用濟南市某隧道附近的粉質(zhì)黏土原狀土樣進行了3個方案的土工試驗， 得出以下主要結(jié)論：

1）3個方案的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變試驗曲線均為非線性曲線，呈現(xiàn)明顯硬化特性，土樣破壞強度隨著固結(jié)圍壓的增大而增大。方案2中土樣在卸荷初期表現(xiàn)出明顯的彈性變形，彈性變形范圍對應(yīng)的軸向應(yīng)變較小，后期呈現(xiàn)明顯的塑性變形且破壞較迅速，方案3中土樣側(cè)向卸荷階段土體呈現(xiàn)彈性變形且應(yīng)變較小，土體的破壞強度與卸荷量有關(guān)，卸荷量越大，則土樣的破壞強度越小。

2）在初始軸壓相同的情況下，應(yīng)力路徑不同，則破壞強度不同，方案1應(yīng)力路徑條件下土樣的破壞強度最大，方案3的次之，方案2的最小。

3）方案1、3中孔壓隨著軸向應(yīng)變的增大呈先增大后減小的趨勢。在方案3中，根據(jù)卸荷比的不同，最大孔壓不同；卸荷比越小，則最大孔壓越大。

4）在方案3中，卸荷比越大，則有效黏聚力越大，有效內(nèi)摩擦角越小。與方案1相比，方案3得出的有效內(nèi)摩擦角較小，隨著方案3中卸荷比的增大，有效黏聚力從小于方案1中的逐漸增至大于方案1中的。

5）在先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊工況下， 由于基坑開挖側(cè)向卸荷量不同， 因此坑邊加載時坑外土體的承載力不同。 卸荷比越大， 則承載力越小。 基坑開挖時坑外土體會產(chǎn)生負孔壓， 坑邊加載時坑外土體產(chǎn)生正孔壓。 相對于坑邊加載， 基坑開挖時的坑外土體變形較快。 不同應(yīng)力路徑條件下粉質(zhì)黏土的變形規(guī)律、孔壓變化和強度指標都不相同。

參考文獻：

［1］張錦軍， 向大潤. 不同應(yīng)力路徑下黏土的本構(gòu)關(guān)系驗證［J］. 河海大學(xué)學(xué)報， 1991， 19（6）： 23.

［2］何世秀， 余益賢， 吳剛剛. 應(yīng)力路徑對抗剪強度指標影響的試驗研究［J］. 湖北工學(xué)院學(xué)報， 2004， 19（1）： 1.

［3］常銀生， 王旭東， 宰金珉， 等. 黏性土應(yīng)力路徑試驗［J］. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2005， 27（5）： 6.

［4］楊雪強， 朱志政， 韓高升， 等. 不同應(yīng)力路徑下土體的變形特性與破壞特性［J］. 巖土力學(xué)，2006，27（12）： 2181.

［5］殷德順， 王保田. 基坑工程側(cè)向卸、加載應(yīng)力路徑試驗及模量計算［J］. 巖土力學(xué)， 2007， 28（11）： 2421.

［6］陳存禮， 郭娟， 楊鵬. 應(yīng)力路徑對固結(jié)排水條件下飽和原狀黃土變形與強度特性的影響［J］. 水利學(xué)報， 2008， 39（6）： 703.

［7］孫長帥， 秦秀娟， 滕繼東. 特殊應(yīng)力路徑下軟黏土變形與強度特性試驗研究［J］. 人民長江， 2013， 44（4）： 48.

［8］郅彬， 王番， 胡夢玲， 等. 不同應(yīng)力路徑下飽和黃土應(yīng)力應(yīng)變及孔壓特性分析［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2016， 16（22）： 244.

［9］盧真輝， 戚承志， 靳天偉， 等. 不同加載應(yīng)力路徑下飽和砂土力學(xué)特性試驗研究［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2019， 19（34）：294.

［10］陳筠， 高彬， 白文勝， 等. 紅黏土在卸荷狀態(tài)下的力學(xué)特性試驗研究［J］. 地下空間與工程學(xué)報， 2019， 15（5）： 1393.

［11］劉熙媛， 閆澍旺， 竇遠明， 等. 基坑開挖卸荷對土體抗剪強度指標的影響［J］. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2004， 33（4）： 54.

［12］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院. 土工試驗方法標準： GB/T 50123—2019［S］. 北京： 中國計劃出版社， 2019.

［13］陸瑤. 基于HSS模型的盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋梁的影響及控制措施研究［Ｄ］. 濟南： 濟南大學(xué)， 2018.

（責(zé)任編輯：王? 耘）