折線應力路徑條件下粉質黏土力學特性試驗研究

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力路徑條件下粉質黏土的變形規律、孔壓變化以及強度指標， 以濟南市某隧道附近的粉質黏土原狀土樣為研究對象， 采用K0固結先側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力路徑， 然后進行等壓固結不排水常規三軸剪切試驗和K0固結側向卸荷不排水剪切試驗， 并對比3種試驗結果。 結果表明：先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊應力路徑條件下的偏應力-軸向應變試驗曲線為非線性曲線， 粉質黏土的破壞強度與卸荷量有關， 卸荷量越大， 則破壞強度越??；減圍壓階段產生負孔壓， 軸向加壓階段孔壓隨著軸向應變的增加呈先增大后減小的趨勢， 在同一初始固結圍壓下， 粉質黏土的卸荷比越小， 則剪切時產生的最大孔壓越大；先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊應力路徑條件下粉質黏土的卸荷比越大， 則有效黏聚力越大， 有效內摩擦角越小， 與等壓固結不排水常規三軸剪切試驗相比， 有效內摩擦角偏小， 有效黏聚力隨卸荷比的不同而偏大或偏小。

關鍵詞：土工試驗；應力路徑；三軸試驗；粉質黏土；吊裝荷載

中圖分類號：TU411.3

文獻標志碼：A

開放科學識別碼（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????????? 網絡首發時間：2023-03-21T16：16：14

基金項目：國家自然科學基金項目（51979122）；山東省自然科學基金項目（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，碩士生導師，研究方向為巖土與地下空間工程。E-mail：liuyan322@163.com。

網絡首發地址：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

土的應力-應變關系與應力歷史、應力路徑等眾多因素有關，目前一般采用等壓固結常規三軸加載試驗得到的參數進行基坑支護結構設計，但是在實際工程中，土體處于K0固結（K0為靜止土壓力系數）狀態，并且會經歷與等壓固結常規三軸加載試驗中完全不同的應力路徑。濟南市某盾構工作井在基坑開挖時坑外土體側向卸荷，后續施工過程中坑邊有施工荷載，致使坑外土體應力狀態變化復雜?？油馔馏w先側向卸荷后豎向加荷，土體的應力路徑為折線，這種情況非常特殊。國內外已有很多學者對黏土［1-7］、黃土［8-9］和砂土［10］等各種類型的土體進行了不同應力路徑的研究。普通應力路徑在p-q平面［其中p=（σ1+σ3）/2，q=（σ1-σ3）/2，σ1為豎向應力，σ3為水平應力］中都是直線，而K0固結先側向卸荷后軸向加荷不排水剪切試驗的應力路徑是折線。目前土體的應力路徑為直線的試驗有很多，而類似本工程中應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黏土原狀土樣進行K0固結先側向卸荷后軸向加荷不排水試驗，模擬基坑開挖及盾構機構件吊裝時坑外土體經歷的真實應力路徑，并與等壓固結不排水常規三軸剪切試驗和K0固結側向卸荷不排水試驗結果進行對比，探究先基坑開挖后坑邊大噸位吊裝的特殊應力路徑條件下粉質黏土的變形規律、孔壓變化及強度指標。

1? 應力路徑分析

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

p-q平面—p=（σ1+σ3）/2， q=（σ1-σ3）/2， 其中

σ1為豎向應力， σ3為水平應力；K0—靜止土壓力系數；

a、b、c、d、e、f、g—應力路徑上的點。

圖2? 基坑開挖及后續施工過程中土體經歷的應力路徑

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

基坑支護結構設計時常采用等壓固結常規三軸加載試驗取得的強度指標， 應力路徑為a—b， 而實際工程施工過程中土體經歷的應力路徑并非如此。 在濟南市某盾構工作井施工期間， 頂部吊裝盾構機構件， 荷載常達上千噸， 即坑外土體先經歷開挖側向卸荷， 后經歷吊裝豎向加荷， 應力路徑為c—e—f。在此背景下， 以Ⅰ區的土體為研究對象， 進行K0固結先側向卸荷后軸向加荷不排水剪切試驗， 并與等壓固結不排水常規三軸剪切試驗、K0固結側向卸荷不排水剪切試驗結果進行對比， 討論不同應力路徑條件下土體的變形規律、孔壓變化及強度指標

。

2? 試驗

為了反映同一深度處土體經歷不同應力路徑時的區別，3個方案分別選取200、300、400 kPa這3個軸壓。方案1即等壓固結不排水常規三軸剪切試驗，固結時采用等壓固結，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固結側向卸荷不排水剪切試驗，固結時采用K0固結，圍壓等于軸壓乘以靜止土壓力系數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固結先側向卸荷后軸向加荷不排水剪切試驗， 固結時采用K0固結， 圍壓等于軸壓乘以靜止土壓力系數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］， 破壞點取值為偏應力的峰值點， 如果偏應力無峰值點， 則破壞點取軸向應變達到15%的點。 方案1采用應變控制式， 剪切速率為0.04 mm/min， 由于儀器在減圍壓時無法采用應變控制， 因此方案2、3采用應力控制式， 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。粉質黏土原狀土樣的物理性質指標如表1所示。

3? 結果與分析

根據3種試驗方案進行試驗。 圖3所示為3種應力路徑條件下偏應力與軸向應變的關系。 從圖3（a）中可以看出， 偏應力無峰值點，前期呈現彈性變形，硬化特征較明顯，固結時圍壓越大，則土體破壞時最大偏應力越大。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，后期出現明顯的塑性變形，并且土體在軸向變形很小的情況下即發生破壞， 說明粉質黏土基坑在破環前應變較小， 不易察覺， 在偏應力達到破壞值時， 變形破壞迅速發生， 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：側向卸荷階段土體呈現彈性變形且應變較小。 土體的破壞強度與卸荷量有關， 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個方案的偏應力-軸向應變試驗曲線均為非線性曲線，在土樣破壞之前，偏應力隨著軸向應變的增大而增大，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種應力路徑條件下偏應力與軸向應變的關系。從圖中可以看出：在初始軸壓相同的情況下，應力路徑不同，則破壞強度不同。方案1應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，在軸向應變變化較小的情況下偏應力變化迅速；軸向加荷階段的試驗曲線形狀與方案1的類似，偏應力與軸向應變都有明顯變化，說明不同應力路徑條件下粉質黏土的破壞強度和變形規律都不同。

圖5所示為3種應力路徑條件下孔壓與軸向應變的關系。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，所以應變前期會產生負孔壓，軸向應變較小時，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，因此負孔壓對應的軸向應變很小。在同一初始固結圍壓時，卸荷比越小，剪切所產生的最大孔壓越大。不同初始固結圍壓時，最大孔壓隨著初始固結圍壓的增大而增大。與方案1相同，隨著軸向應變的增大，孔壓呈先增大后減小的趨勢。由此可知，孔壓的變化受應力路徑的影響。

3種應力路徑條件下粉質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，有效內摩擦角越??；與方案1相比，有效內摩擦角較小， 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，說明粉質黏土的強度指標也與應力路徑有關。

4? 結論

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， 得出以下主要結論：

1）3個方案的偏應力-軸向應變試驗曲線均為非線性曲線，呈現明顯硬化特性，土樣破壞強度隨著固結圍壓的增大而增大。方案2中土樣在卸荷初期表現出明顯的彈性變形，彈性變形范圍對應的軸向應變較小，后期呈現明顯的塑性變形且破壞較迅速，方案3中土樣側向卸荷階段土體呈現彈性變形且應變較小，土體的破壞強度與卸荷量有關，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，應力路徑不同，則破壞強度不同，方案1應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中孔壓隨著軸向應變的增大呈先增大后減小的趨勢。在方案3中，根據卸荷比的不同，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，有效內摩擦角越小。與方案1相比，方案3得出的有效內摩擦角較小，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生負孔壓， 坑邊加載時坑外土體產生正孔壓。 相對于坑邊加載， 基坑開挖時的坑外土體變形較快。 不同應力路徑條件下粉質黏土的變形規律、孔壓變化和強度指標都不相同。

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（責任編輯：王? 耘）