結(jié)構(gòu)性吹填軟土側(cè)向變形真三軸試驗研究

楊愛武，于月鵬，許再良

（1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院；天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071；3.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142）

結(jié)構(gòu)性吹填軟土側(cè)向變形真三軸試驗研究

楊愛武1，2，于月鵬1，許再良3

（1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院；天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071；3.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142）

為了研究吹填軟土在側(cè)向變形條件下的力學(xué)與結(jié)構(gòu)特性，利用真三軸試驗機(jī)以及WF應(yīng)力路徑試驗儀進(jìn)行了不排水條件下的側(cè)向卸荷試驗，并與常規(guī)三軸試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。試驗結(jié)果表明：與常規(guī)三軸剪切試驗應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)的硬化特性不同，真三軸卸荷試驗表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。隨著初始圍壓的增大，土體由剪縮向剪脹變化。由于中主應(yīng)力的影響，真三軸卸荷狀態(tài)下土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力值明顯大于WF卸荷狀態(tài)以及常規(guī)三軸試驗下的數(shù)值，其隨著中主應(yīng)力系數(shù)bd的增大而成非線性增長。真三軸側(cè)向卸荷條件下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大于WF卸荷條件，與常規(guī)三軸試驗結(jié)果也明顯不同，其內(nèi)摩擦角增大，粘聚力減小。

側(cè)向變形；結(jié)構(gòu)特性；真三軸；吹填軟土；卸荷；中主應(yīng)力

實際工程中常采用常規(guī)三軸試驗所求參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，而基坑開挖過程其實是卸荷過程，此時中主應(yīng)力不等于小主應(yīng)力或大主應(yīng)力，土體變形和強(qiáng)度受到的影響是不同的，因此，很有必要利用真三軸儀研究土體變形與強(qiáng)度特性［1－2］。工程實踐中除了以垂直方向變形的沉降，側(cè)向變形也是大量存在的，如在基坑開挖側(cè)向卸荷以及擋土墻后土體的側(cè)向變形等。對土體的側(cè)向變形問題，學(xué)者們對此做了相關(guān)研究工作，如Yin等［3－4］對CDG進(jìn)行了真三軸試驗，得出中主應(yīng)力對土體強(qiáng)度具有一定影響的結(jié)論。Prashant等［5］對超固結(jié)高嶺土進(jìn)行了不排水剪切試驗，得出隨著中主應(yīng)力比的增大，破壞時應(yīng)變減小的結(jié)論。梅國雄等［6］利用真三軸儀對土體進(jìn)行了側(cè)向卸荷試驗，根據(jù)試驗結(jié)果得出中主應(yīng)力提高初始強(qiáng)度，側(cè)向卸荷條件下土體在較小應(yīng)變下發(fā)生破壞。盛佳韌等［7］對上海原狀軟土進(jìn)行了排水剪切試驗，結(jié)果表明原狀軟土抗剪強(qiáng)度、屈服和破壞點位置隨著洛德角的增大而減小。何怡等［8］進(jìn)行了正常固結(jié)狀態(tài)下重塑粉質(zhì)粘土卸荷應(yīng)力路徑排水剪切真三軸試驗，探討了試驗土體的強(qiáng)度變化規(guī)律，獲得了卸荷土體參數(shù)。魏少偉等［9］對海積粉質(zhì)粘土進(jìn)行了一系列K0固結(jié)不排水卸荷試驗，結(jié)果表明隨著固結(jié)圍壓的增大初始切線卸荷模量增大。孫紅等［10］對上海淤泥質(zhì)軟土進(jìn)行了真三軸試驗，結(jié)果表明初始損傷應(yīng)力門檻值隨中主應(yīng)力比的增大而增大。曾玲玲等［11］取廣州南沙典型軟土進(jìn)行了固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑試驗，研究表明側(cè)向卸荷會造成剪應(yīng)力增加、體應(yīng)力減小，從而使土體產(chǎn)生剪脹趨勢。楊愛武等［12］對吹填軟土進(jìn)行了不固結(jié)不排水的真三軸試驗，結(jié)果表明初始切線模量隨著中主應(yīng)力系數(shù)b值的增大而增大。雖然土體在側(cè)向卸荷狀態(tài)下中主應(yīng)力對強(qiáng)度和變形影響的研究已經(jīng)很多，但是考慮中主應(yīng)力對土體結(jié)構(gòu)性的影響還有大量工作要做［13］。自然界中的土體實際上處于三維應(yīng)力狀態(tài)，且廣泛存在結(jié)構(gòu)性。本文擬采用真三軸試驗的方法并結(jié)合WF應(yīng)力路徑儀與常規(guī)三軸試驗，以天津濱海新區(qū)吹填場地土體為研究對象，模擬基坑開挖土體的實際應(yīng)力路徑，研究側(cè)向變形條件下中主應(yīng)力對變形、強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)特性的影響，為吹填場地深基礎(chǔ)工程實踐提供理論支持。

1 真三軸試驗

1.1 試驗儀器

試驗采用西安理工大學(xué)和西安智通自動化技術(shù)開發(fā)公司聯(lián)合開發(fā)研制的XGT-1型微機(jī)控制真三軸試驗機(jī)。真三軸試驗機(jī)采用復(fù)合加載方式，大主應(yīng)力方向采用剛性加載，中主應(yīng)力方向和小主應(yīng)力方向采用柔性加載。

1.2 試驗土樣基本性質(zhì)

試驗所用土樣取自天津濱海新區(qū)臨港工業(yè)區(qū)經(jīng)過真空預(yù)壓處理的吹填場地，取樣深度為3.0～3.5 m。土體基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1，無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。

表1 吹填軟土的物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 無側(cè)限應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線

由表1可以看出，現(xiàn)場吹填土為高含水量軟土。由圖1可以看出，原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大，即現(xiàn)場吹填土具有結(jié)構(gòu)性。

1.3 試驗方案

土體經(jīng)過不同的固結(jié)過程、不同的剪切應(yīng)力路徑，會表現(xiàn)出不同的應(yīng)力應(yīng)變性狀。Lamber［14］于1967年首先提出應(yīng)力路徑的定義，即：應(yīng)力路徑是指“土單元從一種應(yīng)力狀態(tài)變到另一種應(yīng)力狀態(tài)時最大剪切應(yīng)力點的軌跡”。此定義的提出為現(xiàn)場和試驗室研究土的性質(zhì)提供了一個合理方法。Lamber于1979年再次撰文闡述了應(yīng)力路徑方法，并就工程中如何考慮應(yīng)力路徑的影響提出了具體的步驟。

深基坑工程，無論在開挖過程中還是在擋土結(jié)構(gòu)施工階段，土體受力主要是一個卸載過程。曾國熙等［15］認(rèn)為土體中各點的應(yīng)力路徑是變化的，對其進(jìn)行全面的考慮是不可能的。因此有必要抓住幾種主要的應(yīng)力路徑進(jìn)行適量的室內(nèi)試驗以模擬土體實際受荷過程中的變形和強(qiáng)度特性。劉國彬［16］認(rèn)為基坑開挖過程中土體的應(yīng)力狀態(tài)可用圖2所示的單元體代替，4單元的應(yīng)力路徑為：單元A，豎向卸荷的同時橫向也卸荷；單元B，豎向卸荷的同時橫向加荷；單元C處于主動區(qū)，豎向荷載不變，橫向卸載；單元D，保持原始應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 基坑開挖卸荷影響區(qū)域

基坑開挖過程中土體的應(yīng)力路徑如圖3所示。AB段表示基坑開挖過程中的側(cè)向卸荷區(qū)，AB與AC之間的區(qū)域表示過渡區(qū)域，AC段表示軸向卸荷區(qū)域。

圖3 應(yīng)力路徑示意圖

本文主要模擬基坑開挖過程中周邊主動區(qū)土體的性質(zhì)，對試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水的真三軸側(cè)向卸荷試驗，試樣為正方體，其尺寸為70 mm×70 mm×70 mm，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0＝0.64。具體的試驗方案如下：對試樣同時施加壓力，使得σ2＝σ3＝30、40、50 kPa，相對應(yīng)的σ1分別為σ1＝47、62、78 kPa，恢復(fù)土樣的天然應(yīng)力狀態(tài)。試驗過程中σ1方向保持應(yīng)力不變，σ2方向剛性板加載保持應(yīng)變?yōu)?，σ3方向卸荷，直至卸荷至0或者土樣破壞。為了便于比較，還利用吹填土做了2組與真三軸條件下相同σ3的不固結(jié)不排水試驗。第1組試驗：常規(guī)三軸不固結(jié)不排水試驗，采用與真三軸相同的圍壓。第2組試驗：利用WF應(yīng)力路徑儀模擬基坑卸載，試驗過程中靜止側(cè)壓力系數(shù)K0＝0.64，保持軸向應(yīng)力不變，圍壓卸荷至0或者土樣破壞。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)三軸試驗

圖4為常規(guī)三軸的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可知，吹填土的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線屬于逐漸硬化類型，即主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變ε1的增加而增大，沒有明顯的峰值點，呈現(xiàn)硬化特性。

圖4 常規(guī)三軸試驗的應(yīng)力 應(yīng)變曲線

2.2 WF應(yīng)力路徑儀側(cè)向卸荷試驗

利用WF應(yīng)力路徑儀測得側(cè)向卸荷不固結(jié)不排水條件下的（σ1－σ3）-ε1關(guān)系曲線（如圖5所示）。由于本文所選用圍壓較小，（σ1－σ3）-ε1關(guān)系曲線表現(xiàn)為弱硬化現(xiàn)象。

圖5 （σ1－σ3）-ε1 關(guān)系曲線

2.3 真三軸卸荷試驗

模擬主動區(qū)土體側(cè)向卸荷不固結(jié)不排水試驗，即保持軸向力不變，逐漸減小側(cè)向應(yīng)力，以σ1為參考，故定義中主應(yīng)力系數(shù)bd＝ （σ1－σ2）／（σ1－σ3）。中主應(yīng)力比b與中主應(yīng)力系數(shù)bd為互補(bǔ)關(guān)系，即b＝1－bd。可見bd可以從0變化到1，bd＝0對應(yīng)的是三軸伸長試驗，bd＝1對應(yīng)的是常規(guī)三軸壓縮試驗。

圖6為中主應(yīng)力系數(shù)與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系曲線。由圖可知，中主應(yīng)力系數(shù)隨著圍壓的增大而增大，在同一圍壓下其值變化范圍不大，基本保持穩(wěn)定。在卸荷過程中中主應(yīng)力隨著小主應(yīng)力的減小而減小，但其差值一直增大。

圖6 b d－ε1 關(guān)系曲線

圖7為不同圍壓真三軸卸荷不固結(jié)不排水條件下（σ1－σ3）-ε1關(guān)系曲線。由圖可以知，用真三軸試驗方法得到的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。另外由圖6、7知，初始切線模量隨著中主應(yīng)力系數(shù)的增大而增大。bd值增大，達(dá)到相同的應(yīng)變需要的偏差應(yīng)力越大。

圖7 （σ1－σ3）-ε1 關(guān)系曲線

圖8為軸向應(yīng)變ε1與橫向應(yīng)變ε3的關(guān)系曲線，本文選取15%為破壞應(yīng)變［17］。在試驗過程中，σ1方向始終壓縮，σ3方向始終膨脹。由圖8可以看出，平面應(yīng)變不排水狀態(tài)下土體的ε3－ε1曲線比較有規(guī)律，土體水平向膨脹的同時軸向逐漸縮小。當(dāng)｜ε1｜＞｜ε3｜時，εv＞0，土體剪縮；當(dāng)｜ε1｜＜｜ε3｜時，εv＜0，土體剪脹［18］。卸荷過程中，土體未破壞時，σ1方向的應(yīng)變大于σ3方向的應(yīng)變，土體表現(xiàn)為剪縮；達(dá)到破壞應(yīng)變時，σ1方向的應(yīng)變小于σ3方向的應(yīng)變，土體表現(xiàn)為剪脹。即隨著應(yīng)變的增大土體由剪縮向剪脹變化。由圖8還可以看出，隨著初始圍壓的增大，即中主應(yīng)力系數(shù)的增大，水平方向的膨脹速率亦增大，此時由剪縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浀默F(xiàn)象更為明顯。

圖8 ε3－ε1 關(guān)系曲線

圖9為孔隙水壓力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。采用側(cè)向卸荷不固結(jié)不排水試驗，恢復(fù)土樣至天然狀態(tài)時，σ1大于σ3，因此孔隙水壓力初始值不為0。由圖9可知，孔隙水壓力隨著圍壓的增大而增大，隨著應(yīng)變的增大也亦增大。當(dāng)土體未破壞時，孔隙水壓力增大，此時Δu＞0，土體表現(xiàn)為剪縮；達(dá)到破壞應(yīng)變時，Δu＜0，土體表現(xiàn)為剪脹。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為：真三軸卸荷試驗過程中控制σ2方向的應(yīng)變ε2≈0，顆粒的移動受到了較大的限制，膨脹變形只能在一個方向，在土體未發(fā)生破壞時，克服顆粒間咬合作用時需要更多的能量。剛開始卸荷時，σ3減小，試樣軸向發(fā)生壓縮變形，土體的密實度增大，顆粒之間的接觸更加緊密，咬合力增強(qiáng)，相應(yīng)的σ3方向的應(yīng)變較平面應(yīng)力狀態(tài)下小，在三維應(yīng)力狀態(tài)下剪切性狀表現(xiàn)為剪縮。隨著σ3的繼續(xù)減小，σ1與σ3的差值越來越大，σ3方向的膨脹趨勢越來越大，達(dá)到破壞應(yīng)變時，σ3方向的膨脹量大于σ1方向的壓縮量，在三維應(yīng)力狀態(tài)下剪切性狀表現(xiàn)為剪脹。

圖9 u-ε1 關(guān)系曲線

3 考慮中主應(yīng)力影響的結(jié)構(gòu)特性研究

對圖4、5、7的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同圍壓下的ε1－lg p關(guān)系曲線，如圖10所示（圖中圓圈表示結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力點，p為偏應(yīng)力，其大小為σ1－σ3）。當(dāng)偏應(yīng)力小于土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，由于結(jié)構(gòu)的存在，抵抗變形的能力強(qiáng)，總的變形小，變形隨應(yīng)力變化亦小。當(dāng)偏應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，抵抗變形的能力逐漸降低，隨著偏應(yīng)力的繼續(xù)增大，應(yīng)變迅速增大至破壞。也就是說土體在結(jié)構(gòu)屈服前后變形大小不一。由圖10還可以看出，達(dá)到土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，卸荷狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)變明顯小于加荷狀態(tài)。

對圖10的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線（如圖11所示）。隨著圍壓的增大，無論是卸荷還是加荷狀態(tài)，土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力都在增大，相同圍壓下，由于中主應(yīng)力的影響，真三軸卸荷狀態(tài)下土體的結(jié)構(gòu)屈服明顯大于WF卸荷狀態(tài)，且其值隨著中主應(yīng)力系數(shù)的增大而成非線性增長。由圖11還可以看出，基坑開挖卸荷的實際應(yīng)力狀態(tài)下土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力明顯高于常規(guī)三軸加荷狀態(tài)下土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。

圖10 ε1－lg p關(guān)系曲線

圖11 結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力與圍壓關(guān)系曲線

4 不同試驗條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)研究

表2為不同試驗條件下吹填軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。3種試驗條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是經(jīng)過不同的應(yīng)力路徑而測出：常規(guī)三軸試驗的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為加荷至土樣破壞而測出；WF試驗的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是保持軸向力不變，圍壓減小至零或土樣破壞而測出；真三軸的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是保持大主應(yīng)力不變，中主應(yīng)力方向應(yīng)變?yōu)?，小主應(yīng)力卸荷至零或土樣破壞而測出。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于中主應(yīng)力的影響，側(cè)向卸荷過程中限制中主應(yīng)力方向應(yīng)變的內(nèi)摩擦角明顯大于不限制其應(yīng)變的情況。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：卸荷過程中，限制中主應(yīng)力方向應(yīng)變?yōu)?，土顆粒只能沿著小主應(yīng)力方向運動，顆粒之間的接觸與結(jié)合狀態(tài)更為緊密，克服顆粒間咬合作用時需要更多的能量，使得其內(nèi)摩擦角增大。2種側(cè)向卸荷狀態(tài)下土體黏聚力明顯小于加荷狀態(tài)。實際工程中主要應(yīng)用常規(guī)三軸的參數(shù)，在基坑開挖設(shè)計時應(yīng)考慮真實路徑下土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，采用合理的參數(shù)設(shè)計，減少不必要的材料浪費。

表2 不同試驗條件下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（C、φ）值

5 結(jié) 論

1）真三軸側(cè)向卸荷過程中，σ1方向始終壓縮，σ3方向始終膨脹。隨著應(yīng)變的增大，土體由剪縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘洝ｋS著初始圍壓的增大，即中主應(yīng)力系數(shù)的增大，土體由剪縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浀默F(xiàn)象更為明顯。

2）中主應(yīng)力的存在，使土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力增大。真三軸卸荷狀態(tài)下土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力明顯大于WF卸荷狀態(tài)，且其值隨著中主應(yīng)力系數(shù)的增大而成非線性增長。

3）真三軸側(cè)向卸荷條件下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大于WF卸荷條件，與常規(guī)三軸試驗結(jié)果也明顯不同，其內(nèi)摩擦角增大，粘聚力減小。

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（編輯 郭 飛）

Analysis of the Lateral Deformation of Structural Soft Dredger Fill with True Triaxial Test

Yang Aiwu1，2，Yu Yuepeng1，Xu Zailiang3

（1.School of Civil Engineering，Tianjin Chengjian University，Key Laboratory of Soft Soil Characteristic and Engineering Environment of Tianjin，Tianjin 300384，P.R.China；2.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Wuhan 430071，P.R.China；3.Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，P.R.China）

In order to study the mechanical properties and structural properties of soft dredger fill under lateral deformation.Based on true triaxial and WF stress path apparatus，lateral unloading undrained tests were carried out.The results derived from true triaxial test，WF stress path test and routine triaxial shear test were analyzed.The contrastive conclusions are as follows：The stress-strain curve of true triaxial unloading test shows a softening behavior，which is different from the hardening behavior for that of conventional triaxial shear test.With the increase of initial confined pressure，the dilatancy of soil transfers from shrinkage to expansion.The structural yield stress of the unloading soil with true triaxial test method is dramatically larger than that with the latter two tests due to the effect of intermediate principal，which exhibits a nonlinear growth as the coefficient of intermediate principal bdstress jumps.The shear strength indexes of unloading soil with true triaxial test is larger than that with WF stress path test.Compared with the results of routine triaxial test，the internal friction angle of true triaxial test is bigger while the cohesion is smaller.

lateral deformation；structural properties；true triaxial test；soft dredger fill；unloading；the intermediate principal stress

TU471.8

A

1674-4764（2014）04-0081-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.04.013

2014-01-14

國家自然科學(xué)基金（41372291、51179186）

楊愛武（1971-），男，博士（后），教授，主要從事軟土地基及土體微觀結(jié)構(gòu)研究，（E-mail）tulilab＠163.com。