重塑黃土卸荷回彈變形特性研究

閆 恩，葉朝良，李瑩輝

(1.石家莊郵電職業技術學院，河北 石家莊 050021； 2.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043)

1 概述

在隧道工程、基坑工程等地下工程以及邊坡工程的施工中，巖土體的開挖在一定范圍內將會引起應力釋放，產生卸荷回彈變形，土體的應力場和強度、變形參數也會發生變化，導致隧道圍巖變形坍塌和邊坡失穩破壞。一直以來對于其工程設計，變形計算與穩定性分析中采用的土體力學參數，幾乎都是根據加荷試驗結果折減得到，然而土的加載和卸荷是兩個不同的應力路徑，土體卸荷回彈變形特性與一般巖土工程加載條件下所表現的特性明顯不同，二者的力學變形參數也相去甚遠，用加載條件下的參數來分析、設計巖土工程中的卸載問題，必然會導致嚴重的后果，這類工程事故也屢見不鮮。因此，近年來，國內外學者開始探索土體卸荷條件下的應力變形特性及參數成為巖土工程中又一熱點問題[1]。

國內外學者對土體卸荷效應進行了相關研究，也取得了一定成果。崔廣芹、馬晨光[2]主要研究了黃土基坑卸荷的影響深度，得出了西安黃土的臨界卸荷比和極限卸荷比；張玉、邵生俊[3]進行了卸載條件下黃土的平面應變試驗，研究了平面應變條件下不同含水率原狀黃土的加、卸載應力應變關系；李德寧、樓曉明等[4]研究不同深度的不同土層在兩種典型卸荷應力路徑下的變形特性，分析了回彈率及回彈模量與卸荷比的變化關系；潘林有，胡中雄[5]研究了卸荷狀態下土的回彈及強度問題；陳昆、閆澍旺等[6]對基坑開挖過程進行了數值模擬，得出采用卸荷指標得到的計算值與實測數據吻合度更好；侯曉亮、趙曉豹、李曉昭[7]對南京河西地區的軟土卸荷強度特性進行了研究；李建民、滕延京[8]研究了土樣回彈及再壓縮的變形特征；賈堅、謝小林[9]研究了上海軟土深大基坑卸荷變形的影響深度范圍；劉國清、柳文濤等[10]討論了卸荷應力應變關系的歸一化問題；郭楠、陳正漢等[11]通過非飽和原狀黃土及其重塑土加卸載條件下的三軸試驗，得出了基質吸力和凈圍壓均對試樣的強度及變形特性有顯著影響；葉朝良、朱永全等[12]進行了對原狀黃土卸載變形特征的試驗，研究得出黃土的卸荷變形與主應力差呈線性變化規律以及原狀黃土破壞的突變性。

目前對卸荷條件下土體變形特性展開的研究大多針對軟土和黏土，對黃土的卸荷變形特性的研究還不太廣泛，對其內在影響因素的研究則更少，本文以寶蘭重塑黃土為研究對象，通過大量一維壓縮卸荷試驗數據，分析了其在不同干密度，含水率條件下的回彈變形特性及內在機理；研究了土體在不同預壓荷載，相同卸荷量條件下回彈率的變化規律，一定程度上反映了土體回彈率隨著土層深度的增加呈衰減趨勢，此規律在其他文獻中鮮有提到，從而為黃土地區卸荷工程提供相對可靠的試驗依據和理論支撐。

2 室內土工試驗設計

2.1 土樣物理性質

土樣物理性質見表1。

2.2 試驗方案

室內土工試驗采用的是三聯固結儀，試驗土樣為寶蘭重塑黃土，按土工試驗規定制備試樣。將擾動黃土風干過篩后，配制成5種不同含水率的土樣，利用常規制樣方法制成5種不同干密度的試樣，所用環刀內徑為61.8 mm，高度20 mm，并將試樣分級加載至5種不同預壓荷載后卸荷，為了取得比較充分的數據，共進行了多組平行試驗。此外，卸荷試驗在判斷加卸荷穩定的標準上不同于常規固結試驗，采用的穩定標準為每級加卸荷壓力下，試樣的形變量在1 h內不發生變化，則視為穩定，原因是土樣在卸荷階段，其蠕變變形是不可忽略甚至是主要影響部分。基于上述前提，具體方案如下：

1)配土：土樣含水率分別為6%，10%，14%，18%，22%。

2)制樣：將每種含水率的土制成干密度分別為1.45 g/cm3，1.55 g/cm3，1.65 g/cm3，1.75 g/cm3，1.85 g/cm3的試樣。

3)預壓卸荷：將每種試樣(含水率、干密度相同)分級加荷至200 kPa，600 kPa，1 000 kPa，1 400 kPa，1 800 kPa進行預壓并按原路徑分級卸荷，具體加卸荷方案見表2，表3。

表2 試驗加荷方案

表3 試驗卸荷方案

3 卸荷回彈變形分析

3.1 壓縮卸荷變形特性

以干密度1.75 g/cm3，含水率14%，預壓荷載1 000 kPa的土樣為例，典型壓縮卸荷e-p曲線如圖1所示，表明壓縮與卸荷是兩個獨立的過程，本文主要研究重塑黃土的卸荷回彈過程。

3.2 卸荷回彈變形特性

為了分析土樣在卸荷條件下回彈變形的基本規律，需定義以下指標：

1)卸荷比R。

(1)

其中，pmax為預壓荷載；Δp為卸荷量。

2)回彈率。

(2)

其中，emin為最大預壓荷載下試樣孔隙比；ei為每級卸荷后試樣孔隙比。

據上述定義，試驗數據整理分析如下。

3.2.1 卸荷回彈變形特性

圖2為試樣卸荷過程e-p曲線。圖2中試樣選取的干密度為1.65 g/cm3，含水率為18%，在5種不同的預壓荷載下卸荷的情況，由圖2可以看出，重塑黃土卸荷回彈變形有以下特征：在不同預壓荷載下，回彈曲線接近平行；在卸荷量較小時，回彈曲線近乎水平，只有當卸荷量達到一定程度后，才發生明顯變形，這與工程中，土體開挖深度越大，回彈越明顯這一現象相吻合。

3.2.2 回彈率與荷載的關系

圖3為重塑黃土試樣回彈率與荷載的關系曲線，試驗中試樣干密度分別取1.45 g/cm3,1.65 g/cm3和1.85 g/cm3，每種干密度試樣分別進行200 kPa，600 kPa，1 000 kPa，1 400 kPa和1 800 kPa的預壓，每種預壓荷載都進行3組，取其平均值，具體方案見表3。圖3中試樣回彈率為總預壓荷載卸荷200 kPa后得到的，按照卸荷比定義式(1)，可計算各試樣卸荷比見表4。

表4 試樣干密度為1.45 g/cm3的回彈率和卸荷比

由圖3可以看出：重塑黃土試樣回彈率隨預壓荷載增加呈衰減趨勢，這與附加荷載下，均勻土層中，土體壓縮量隨深度的增加而減小的規律是相似的，這也與實際工程中，不同深度的均勻土層，回彈量隨深度增加而衰減的現象是一致的；潘林有等提出了土的臨界卸荷比的概念，即卸荷比在小于一定量時，土樣幾乎不發生回彈，這與土性和預壓荷載等因素有關。

從圖3可以看出，當卸荷比R<0.2時，回彈率λ≈0；當卸荷比大于0.33時，已經有明顯的回彈，據此得出，在本實驗條件下，黃土的臨界卸荷比應該介于0.2～0.33。

3.3 最大回彈率δmax的影響因素分析

試驗主要考慮干密度、含水率對最大回彈率的影響。本組試樣選取五種干密度：1.45 g/cm3，1.55 g/cm3，1.65 g/cm3，1.75 g/cm3，1.85 g/cm3，每種干密度分別對應五種含水率，即含水率6%，10%，14%，18%，22%，25個試樣的預壓荷載均為600 kPa。

3.3.1 含水率ω與最大回彈率的關系

如圖4所示，試樣中，隨著含水率增大，最大回彈率有逐漸增加趨勢；經分析試驗數據得出，試樣含水率在6%～22%范圍變化時，其回彈量相差可達0.07 mm～0.1 mm，可見土體含水率對回彈量的影響是顯著的。其機理可從土與水相互作用角度解釋，含水率是影響土體回彈的內在因素，在相同卸荷量條件下，一定含水率范圍內，含水率增加導致土粒間結合水膜加厚，對土粒間的相對運動起潤滑作用，在相同的壓力差下，顆粒變得相對容易移動，造成回彈量增加。

3.3.2 干密度ρd與最大回彈率的關系

從圖5可以看出，隨著土樣干密度增加，回彈率有衰減趨勢，經分析試驗數據得出，試樣干密度在1.45 g/cm3～1.85 g/cm3范圍變化時，其回彈量相差可達0.02 mm～0.15 mm，可見干密度也是影響土體回彈量的重要因素之一，究其原因，是由于土樣干密度的增大使其顆粒間接觸面增大，從而導致顆粒間摩擦阻力增大，造成回彈量減小。

4 結論

1)通過對重塑黃土回彈變形分析可知，當卸荷比R<0.2時，回彈率λ≈0；當卸荷比大于0.33時，已經有明顯的回彈，據此推斷，在本實驗條件下，黃土的臨界卸荷比應該介于0.2～0.33，這與工程中，土體開挖深度越大，回彈越明顯這一現象相吻合。

2)重塑黃土試樣回彈率隨預壓荷載增加呈衰減趨勢，這與附加荷載下的均勻土層中，土體壓縮量隨深度增加而減小規律是相似的，這也與實際工程中，回彈量隨土層深度增加而衰減的現象是一致的。

3)含水率是影響土體回彈的內在因素之一，在相同的卸荷量條件下，土體在一定含水率范圍內，含水率增加，回彈率增大，當含水率在6%～22%范圍變化時，試樣回彈量相差可達0.07 mm～0.1 mm，可見土體含水率對回彈量影響是顯著的。其機理為含水率的增加導致土粒間結合水膜加厚，對土粒間相對運動起潤滑作用，在相同的壓力差下，顆粒變得相對容易移動，造成回彈量增加。

4)干密度亦為影響土體回彈的內在因素之一，土樣干密度增加，其回彈率有衰減趨勢，試樣干密度在1.45 g/cm3～1.85 g/cm3范圍變化時，試樣回彈量相差達0.02 mm～0.15 mm，究其原因，是由于土樣干密度增大使其顆粒間接觸面增大，從而導致顆粒間摩擦阻力增大，造成回彈量減小。

5)本試驗不足之處：首先由于回彈變形中有不可忽略的蠕變變形，相對于壓縮變形，回彈變形是很小的，因此測量回彈變形對儀器的精度要求更高，儀器精度問題導致數據規律性不太明顯；其次蠕變變形量是隨時間不斷變化的量，限于時間因素，本試驗還有待完善。希望以后可以通過考慮精度與時間因素的試驗來彌補本試驗的不足。