不排水条件下基坑卸荷土体变形机理研究（Ⅰ）.pdf

第 3 6 卷第 5期 2 0 1 0年 l 0月 四川建筑 科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 l 7 不排水条件下基坑卸荷土体变形机理研究 (I) 赵 鑫 ， 陈学军 ， 李晓红 ， 朱志政 ( 1 中 国地质大学 ( 武汉 ) 工程学 院 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 4； 2 桂林理 工大学土木工 程系 ， 广西 桂林5 4 1 0 0 4 ； 3 广西水 利电力职业技 术学 院机 电工程系 ， 广西 南 宁5 3 0 0 2 3 ； 4 湖北工业 大学土木与建筑 学院 ， 湖北 武汉4 3 0 0 6 8 ) 摘要： 在真三轴仪上模拟基坑开挖周边土体的应力路径 ， 进行了不排水条件下卸荷与加荷两种试验， 通过试验结果的对 比 分析可知， 土体在不同应力路径下应力一应变关系有着显著的差异 ， 说明应力路径条件对土体的变形有着一定的影响。进一 步研究了不排水条件下卸荷土体广义剪应力 与广义剪应变的关系， 证明土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非 线性， 并根据偏应力不变量推导出了土体卸荷剪切模量计算公式。 关键词： 不排水条件； 卸荷土体； 变形机理 ； 真三轴； 偏应力不变量 中图分类号 ： T U 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 51 1 7 0 3 An m e c h a n i s m s t u d y 0 f e x c a v a t i o n s o i l ma s s d e f o r ma bi l i t y 0 f u n l o a d i n g l ， 0 、 unae r unar a l na ge【 1 ) Z H A0 X i n ， C H E N X u e j u n ， L I X i a o h o n g ， Z HU Z h i z h e n g 4 ( 1 C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s Wu h a n ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 Gu i l i n Univ e r s i t y o f Te c h no l o g y，Gui l i n 5 41 0 04， China； 3Gua ng x i Te c h nic a l Co l l e g e o f Wa t e r Re s o u r c e s a nd El e c t ric En g i n e e rin g，Na n n i n g 5 30 0 2 3， Ch i n a； 4 H u b e i U ni v e rsi ty o f T e c hno l o gy ， Wu h a n 4 3 0 0 6 8 ， C hin a ) Ab s t r a c t ： r n l e s t r e s s p a t h o f t h e s o i hna s s s u r r o u n d i n g t h e p e ri p h e r y o f au n d a t i o n p i t p r o j e c t d u ri n g e x c a v a t i o n i s s i m u l a t e d u s i n g a t r tl e t ria x i a l u nit ；a n d t wo k i n d s o f u nd r aina g e t e s t s a r e c o n du c t e d un de r t o a d i ng a nd un l o a d i n g c o nditio ns r e s p e c tiv e l y I t C an b e k n o wn f r o m t he c o mp a r i s o n be t we e n t h e t e s t i ng r e s ult s t ha t t h e r e i s a r e ma r k a b l e d i ffe r e n c e i n t h e s t r e s s - s t r a i n r e l a tio n s hip o f t h e s o i l ma s s pr o v i de d t h e s t r e s s p a t h c o n dit i o n s a r e diffe r e n t ， whi c h s h o ws t h a t t h e s t r e s s p a t h c o n d i t i o n h a s a n e ffe c t t o a c e r t a i n d eg r e e o n t he s o i l ma s s S d e f o r ma b i l i ty F u r t h e r s t u d i e s a r e c o n d u c t e d o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n g e n e r a l i z e d s h e a r s t r e s s a n d g e n e r a l i z e d s h e ar s t r a i n u n d e r u n d r ain a g e c o n d i t i o n s d u r i n g u nlo a d i n g ， t h e r e s u l t s s h o w i n g t h e n o n l i n e ar r e l a t i o n s h i p o f t h o s e s tr ain a n d s t r e s s F i n a l l y， t h e e q ua t i o n t o c a l c u l a t e d t h e s o i l s u n l o a d i n g s h e ar mo du l us i s d ed u c e d wh e n t h e i n v a r i ant o f d e v i a t o r i c s t r e s s i s g i v e n Ke y wo r d s ： u n d r a i n i n g c o n d i t i o n ； u nlo a d i n g s o i l ； d e f o r ma t i o n me c h a n i s m ； t r u e t r i a x i a l t e s t ； i n v a r i a n t o f d e v i a t o r i c s t r e s s 0 引 言 常规三轴试验中土体的 ( o r ， ) 一 双曲线 应力一应变关 系已被广泛应用于工程实际中， 但是 这种关系对于平面应变状态 ， 尤其是在基坑开挖工 程中卸荷土体的应力路径不适用 引， 因此 ， 为了研 究 3个主应力不 同情况下 的土体强度和变形特性 ， 需要进行复杂应力下的真三轴试验研究 。但是 ， 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 6 -01 作者简介 ： 赵鑫( 1 9 8 1一)， 男 ， 山西大同人 ， 博士研究 生 ， 主要从 事 岩土工程、 基 坑工程方 面的研究 。 基金项 目： 广 西建筑工程 检测与试 验重 点实 验室基 金课题 ( 桂科 能 0 7 1 0 9 0 0 5一B ) E ma i l z h a o x i n 1 9 81 y a h o o C o rn c n 由于真三轴仪价格较贵 ， 操作复杂 ， 在一般的工程应 用中仍采用普通三轴试验成果。 目前 ， 对土体变形 特征采用真三轴加载试验有一些研究 ， 但研究卸 载 下的土体变形特征较少 。本文正是基于此原 因， 利 用真三轴模拟基坑开挖周边土体 的应力路径 ， 进行 了真三轴加荷和卸荷两种应力路径试验， 并探讨 了 卸荷土体广义剪应力与广义剪应变的关系。 1 试验 方案及原理 1 1 试验 方案 本次试验用土采用武汉沙湖地 区粉质黏土 ， 在 Z S Y一1型真三轴仪上进行 ， 试样经饱和后 ， 分别按 5 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0， 2 5 0 ， 3 0 0 k P a的 围压进行 等 向固 结， 待 固结完成后 ， 对试样分别进行加荷和卸荷剪切 l l 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 试验 ， 剪切过程中控制 向不变形( 即 8 =0) ， 以 应力为控制变量 ， 记 录每级荷载下测量 的应力、 位 移 ， 整个试验过程中 0- 20 3。 1 2 试 验原 理 由基坑施工过程中土体 的应力路径 ( 图 1 ) 可 知 ， 基坑周边为主动区土体， 应力状态是竖向荷载不 变， 横向卸荷 ； 基坑内为被动区土体 ， 应力状态竖 向 卸荷 ， 横向卸荷或加荷。本文主要研究基坑周边主 动区土体性质 ， 在真三轴仪上进行了该应力路径 的 固结不排水卸荷试验。为了进行 比较 ， 又进行了平 面应变固结不排水加荷试验 ， 加荷试验应力状态为 竖向加荷 ， 横向荷载保持不变 ， 两种试验均为压缩试 验。假设土体天然固结状态符合各 向等压 固结过 程 ， 平面应变卸荷试验 的应力路径为 O A B， 平面应 变加荷试验的应力路径为 O A C 。O A段为恢复土样 的天然状态过程， A B， A C段为剪切至破坏时的应力 路径 ， 控制试样在整个剪切过程 中主应力方向上 的 应变 ： 一0 。从图 1中可以看出， 土体沿 A B应力路 径比A C应力路径更容易破坏。 f线 图 1 应 力路径示意 Fi g 1 Ske t c h map f orP q s t r e s s pa t h 值得注意的是 ， 由于试验仪器的限制 ， 试样在固 结阶段( O A段) 并不能保持平面应变状态， 因此 ， 本 文主要分析试样在剪切过程中( A B， A C段) 的性状。 试验方案见表 1 。 表 1 试验方案 Tab l e 1 Te s t s c he me A组为卸荷试验， 其应力路径为 O A B， 土体保持 竖向应力不变， 水平 向应力减小 ， 即 不变 ， 。 减 小； B组为加荷试验， 其应力路径为 O A C ， 土体竖 向 应力增加 ， 水平 向应力保持不变， 即 增加， ， 不 变 。 的数据绘制各种关系曲线如下 ： 真三轴卸荷剪切试验得到的应力一应变关系曲 线见图 2 。真三轴加荷剪切试验得到的应力应变 关系曲线见图 3 。图 4为围压 3 0 0 k P a时二者 的比 较 。 2 50 2 00 重1 5 0 l 1 0 0 5 0 0 围压 5 O k P a 围压 l O O k P a 围压 1 5 0 k P a 围 2 0 0 k P a 围压2 5 0 k P a 围压3 0 0 k P a 0 0 0 5 0 1 0 1 5 0 2 轴向应变 E t 图 2 卸荷试验应力应变关系曲线 Fi g 2 Re l a t i on s hi p c u rv e s be t we e n un l o ad s t r e s s a nd s t r ai n 0 0 05 0 l 0 1 5 0 2 轴 向应变 图 3 加荷试验应力一 应变关系曲线 F i g 3 Re l a ti o n s hip c u r v e s b e t we e n l o a d s t r ess a n d s t r a i l l 4 0 0 3 0 0 2 0 0 t 1 00 0 0 0 0 2 0 0 4 0 06 0 U U 1 轴向应 变 ， 图 4围压为 3 0 0 k P a 时应力一应 变关 系曲线对比 Fi g 4 Co mp a r i s o n o f r e l a t i o ns h i p c u r v e s b e t we e n l o a d and unl oa d s t r e s s and s t r a i n u nd e r c on fin i n g pr ess ur e 3 o o kPa 2 试验结果及分析 从图2 ，3可以看出， 土体 ( 。 一 ， )一 ， 关系昀 2 1 数据整理 线如不考虑峰值点后的应力 一 应变关系基本上呈现 根据采集的试验数据进行计算整理 ， 将整理后 双曲线关系， 拟合 ( 一 ， )一 的关系， 均呈近 枷 圳 珈 枷 m 如 0 日 LD 2 0 1 0 N o 5 赵鑫， 等： 不排水条件下基坑卸荷土体变形机理研究(I) 1 l 9 似的线性关系。直线 的截距为 口 ， 斜 率为 b ， 1 a为 ( 。 一 。 )一 关系曲线初始切线斜率 ， 1 b为 ( 表 2 真三轴试验结果 Ta bl e 2 Pr o duc t i o n of t r ue t r i a xi a l t e s t 一 ，)的渐 近值。把不 同围压下 土样破坏 时的应 变 、 主应力差 、 截距 斜率 b ， i a ， 1 b值见表 2 。 由表 2可以看出， 在同一固结压力下， 对 比试样 应力一应变关系曲线 的初始切线斜率 ， 卸荷试样的 关系曲线初始切线斜率大于加荷试样时的初始切线 斜率 ， 说 明土体在卸荷初期变形量较小 。但在整个 剪切过程中， 卸荷土体的压缩模量 比加荷土体的压 缩模量小得多。同时， 卸荷极 限强度总是低于加荷 极限强度 ， 与文献 5 所得结果一致 _ 5 J 。所以， 基坑 设计时采用加荷试验所得 的土体参数进行设计 ， 对 基坑工程是偏于危 险的， 各组 的曲线初始切线斜率 均随固结压力 的增加而增加。 参 考 文 献 ： 1 郑颖人 ， 沈珠江 ， 龚 晓南 岩 土塑性力 学原 理 M 北京 ： 中 国 建筑工业出版 社， 2 0 0 2 2 李广信 高等土力学 M 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 4 3 何世 秀 ， 朱 志政 ， 杨 雪强 基坑 土体侧 向卸荷 真三 轴试验研 究 J 岩土力学 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 6 )： 8 6 9 7 2 4 庄心善 ， 朱志政 ， 胡其志 ， 朱瑞赓 基坑土体 卸荷剪切模量 真三 轴试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 7 ) ： 5 5 - 5 8 5 曾国熙 ， 潘秋元 ， 胡 一 峰 软 粘土 地 基基 坑 开挖 性 状的 研究 J 岩土工程学报 ， 1 9 8 8， 1 0 ( 3 ) ： 1 3 - 2 2 6 刘熙媛 ， 闰澍 旺 基 坑开 挖卸 荷对 土体抗 剪强 度指标 的影 响 J 河北工业大学学报 ， 2 0 0 4， 3 3 ( 4 )： 5 4 - 5 7 7 郑颖人 岩土塑性力学 的新进展广 义塑性力学 J 岩土 工程学报 ， 2 0 0 3， 2 5 ( 1 ) ： 1 1 0 ZHENG Yi n g r e n Ne w d e v e l o p me n t o f g e o t e c h n i c al p l a s t i c me c h a u i c s g e n e r a l i z e d p l ast i c m e c h a n i c s J C h i n e s e J o u rnal o f G e o t ech n i e a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3， 2 5 ( 1 ) ： 1 1 O 8 李剐平面应变状态下黏性 土破 坏时的 中主应力公 式 J 岩石力学与工程学 报 ， 2 0 0 4， 2 3 ( 1 8 ) ： 3 1 7 4 1 7 7 L I Gan g Fo r mu l a o f i n t e r me d i a t e p ri n c ip a l s t r e s s a t f a i l u r e f o r e o h e r e n t s o i l i n p l a n e s t r a i n s t a t e J C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me e h a n i e s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4， 2 3 ( 1 8 ) ： 3 1 7 4 1 7 7 9 L a d e PV， D u n c a n JM E l a s t o p l a s t ie s t re s s s t r a i nt h e o r y f o r e o h e s i o n l e s s s o i l J A S C E， J o u ma l o f t h e G e o t e e h n i c al E n g i n e e ri n g D i v i s i o n ， 1 9 7 5 ( 1 0 ) ： 1 0 3 7 1 0 5 3 1 O L a d e P V， D u n c a n J M S t r e s s p a t h d e p e n d e n t b e h a o r o f c o h e s i o n l e s s s o il J A S C E， J o u r n a l of t h e G e o t e c h n i e a l E n gin e e r i n g d i v i s i o n ， 1 9 7 6( 1 ) ： 5 1 - 6 8 ( 待 续 )