土体侧向卸荷对基坑支护位移的影响

土体侧向卸荷对基坑支护位移的影响庄心善,胡　恺(湖北工业大学,土木工程与建筑学院,武汉　430068)摘　要:取武汉地区具有代表性的粉质粘土,在真三轴仪上按基坑开挖过程中侧向土体的应力路径进行模拟试验,得到平面应变条件下固结不排水卸荷试验结果,由试验结果可知,侧向卸荷土体其应力～应变关系随固结压力的增加,由应变硬化型向应变软化型转化;侧向卸荷土体可以在很小应变下发生破坏;通过对邓肯—张模型的修正,阐述了开挖卸荷土体模型中卸荷模量的适用范围。

关键词:侧向卸荷,真三轴试验,平面应变,位移中图分类号:T U472 文献标识码:B 文章编号:1004-3152(2009)06-0043-031　引言基坑的开挖过程是土体的卸荷过程,土体卸荷所产生的变形会对支护桩及其周围土体造成不同程度的影响,由此而引发的工程事故时有发生。

为了保证基坑的稳定,同时又满足变形控制的要求,确保基坑周围原有建筑物、道路、管线等的安全,必须建立卸荷条件下的土体本构模型[1],尽可能准确地预估基坑开挖引起的一系列变形。

在普通三轴仪上进行基坑开挖试验,是用轴对称问题处理的,这与实际应力路径相差较大。

本文将通过真三轴仪模拟基坑开挖周边土体的应力路径,并和常规三轴试验结果进行对比分析[2],得出一些与基坑土体侧向卸荷变形有关的结论。

2　试验过程及原理2.1　试验过程本次试验取用武汉沙湖地区粉质粘土,在ZS Y -1真三轴仪上进行试验,土样尺寸70m m×35 mm×70mm(长×宽×高)。

试样经饱和后,分别按50、100、150、200、250、300kPa的围压进行等向固结,待固结完成后,对试样立即进行不排水剪切试验,剪切过程中保持竖向压力σ1不变、σ2向不变形(即ε2=0)、σ3向分级卸荷,每级卸荷量10kPa,以应变控制,记录每级荷载下测量的应力、位移,整个试验过程中σ1>σ2>σ3。

2.2　试验原理为了了解基坑开挖过程中土体应力路径的变化情况,必须首先弄清卸荷条件下基坑不同部位土体的应力～应变关系。

以基坑开挖平面应变问题为例,基坑开挖卸荷过程对周围土体的影响区域可分为三个部分[3],如图1所示。

在p～q应力空间[4]进行应力路径分析,如图2所示。

这里p=(σ1+σ3)/2,q=(σ1-σ3)/2。

图1　基坑工程示意图图2　空间应力路径示意图　收稿日期:2009-01-06　基金项目:湖北省教育厅重点项目(编号:D2*******)　作者简介:庄心善,男,1964年生,博士,教授,硕士生导师,岩土工程学科带头人,主要从事岩土工程教学和科研工作。

Ⅰ区(侧向卸荷):σ1=σv ,σ3=σh ,随着基坑的开挖,支护结构发生侧向位移,水平向应力σh 减小;竖向应力σv 基本保持不变。

水平向应力在静止侧压力与主动土压力之间变化。

应力路径如图2中的D A 。

Ⅱ区(轴向卸荷):上部土体开挖后,上覆压力减小,竖直向应力减小;随着坑底隆起及支护结构向内移动,水平向应力可能增加也可能减小,这与距离坑底阴角的距离有关。

一般可将土体单元体理想化成水平向应力σh 不变,垂直向应力σv 减少。

此时σ1=σh ,σ3=σv ,应力路径如图2中的D B 。

Ⅲ区(过渡区域):由于该区土体可以看成I 区与Ⅱ区的过渡区,因而基坑土体开挖过程中,主应力方向发生转动。

其应力路径由D 点向EG 左侧方向移动,且介于D A 与D B 之间(如图2所示)。

对基坑变形的显著影响区域是Ⅰ区和Ⅱ区,其中Ⅰ区是侧向变形的主体,Ⅱ区一方面为支护结构提供反力,另一方面也是基坑变形的一部分。

D A 路径为侧向卸载的应力路径,D B 路径为轴向卸载的应力路径,与常规的加载试验路径DC 有不同的破坏点,即破坏时应力状态是不同的,从而也就有不同的应力～应变关系。

本试验是为了模拟基坑开挖过程中侧向土体的应力路径,以研究土体在不排水条件下的变形特征,所以采用I 区土体的应力路径进行平面应变试验。

3　试验结果及分析根据真三轴仪上进行的平面应变条件下不排水侧向卸荷试验数据进行分析计算,整理该应力路径下的应力～应变关系曲线如图4所示,图3为相同的土体条件下进行的常规三轴试验应力～应变关系曲线,真三轴卸荷试验应力路径如图5所示[5]。

(1)从图4可以看出,平面应变侧向卸荷条件下土体的应力～应变关系曲线随着固结压力的增加由应变硬化型转变为应变软化型。

即在不同的固结压图3　常规三轴试验应力～应变关系曲线图4　真三轴卸荷试验应力～应变关系曲线图5　真三轴卸荷试验应力路径力下,土的应力～应变关系可能出现两种不同的情况:一种是在应变增大后能承受更大的应力,具有加工硬化的性质;另一种是应变增大后强度逐渐降低,在超过强度峰值以后出现软化的现象。

土的应力～应变曲线在开始阶段近似地呈直线关系,当应力、应变超过某一数值后,土体的应力～应变关系表现出明显的非线性。

曲线初始斜率随固结压力的增加而增加,这表明侧向卸荷时土体的压缩性随固结压力的增加而减小。

从图3,图4可以看出,真三轴卸荷试验试样的破坏应变在5%～10%之间,远远小于常规三轴试验的破坏应变。

这说明同一种土样由于受力状态、应力路径的不同,破坏应变也不同,若均以应变达15%时的主应力差作为破坏值就不尽合理。

(2)在侧向卸荷的条件下,土体可以在较小的应变下发生破坏,这一点有力地验证了实际工程中实测的围护墙后土压力值在较小的侧向变形条件下接近主动土压力的情况,如果不有效控制基坑围护墙的水平位移,则基坑周边上部土体是较容易出现破坏的。

根据文献[1]中关于侧向卸荷过程的三轴试验指标计算的水平位移结果可知,采用经过侧向卸荷过程的三轴试验指标计算的水平位移明显大于采用常规三轴试验指标的计算结果。

尤其是基坑外侧的土体,在其他参数及施工过程相同的情况下,用侧向卸荷试验指标计算的最大水平位移是常规三轴试验的1.25倍。

这一结果表明,基坑开挖的侧向卸荷过程使土体抗剪强度降低,抵抗变形的能力减弱,土体开44土　工　基　础 2009　挖的卸荷变形对基坑周围环境的水平及竖向变形的作用不容忽视。

(3)为了能够用有限元模拟支护桩在土体侧向卸荷条件下的位移,需开发关于卸荷土体的本构模型。

殷德顺[6]认为可以在经典的邓肯-张模型上加以修改,使其满足卸荷土体模型。

将土体视为非线性弹性本构模型,为了反映土变形的可恢复与不可恢复部分,模型采用了卸荷—再加载模量不同于初始加载模量的方法。

在有限元计算中,可以根据三轴应力情况分为以下3种情况:①如果σa (1-sin φ)≥σr ,根据增量广义虎克定律,模拟邓肯—张模型,切线弹性模量为E t =kp a (σac p a)n {1-R f [σa (1-sin φ)-σr ](1-sin φ)2c co s φ+σa sin φ-σa sin 2φ}2(1)破坏比R f =[2(σa-σr)-2(σa c-σr c)]f[2(σa -σr )-2(σa c -σrc )]u(2) ②如果σa (1-sin φ)≤σr ≤σa 时,此时为卸荷过程,卸荷切线弹性模量为E u r =E t =kp a (σac p a)n(3) ③如果出现σr ≥σa 的情况,则在计算中采取邓肯—张模型的切线弹性模量。

(4)图5是在真三轴仪上保持竖向荷载σ1不变,减小侧向压力,同时调整另一侧压力σ2大小,使其应变ε2=0,整理成的应力路径曲线。

可以看出,当固结压力较低时,剪切过程中孔隙水压力为负值,有效应力路径位于总应力路径的右侧;而当固结压力较高,如本试验固结压力为250kPa 和300kPa所表现的那样,剪切过程中孔隙水压力由正值转为负值,故有效应力路径发生偏转,从总应力路径的左侧偏转至右侧。

这进一步表明,固结压力较高时,卸荷试验中土的变形性状由剪缩向剪胀转化。

4　结论在真三轴平面应变条件下,以侧向卸荷应力路径来模拟基坑开挖过程中周边土体的变形性状,试验结果表明:(1)真三轴卸荷试验所得应力～应变关系曲线随着固结压力的增大,由应变硬化型转变为应变软化型,土体的切线卸荷模量随着固结压力的增大而增大,这与常规三轴试验不同。

(2)在侧向卸荷的条件下,土体可在较小的应变下发生破坏,基坑开挖的侧向卸荷使土体抗剪强度降低,抵抗变形的能力减小,土体侧向卸荷是支护结构产生水平位移的主要因素,作用不容忽视。

(3)将土体视为非线性弹性模型,在邓肯—张模型基础上加以修正,按不同情况计算土体的切线弹性模量,便能够运用有限元模拟支护桩在土体侧向卸荷条件下的位移。

参考文献[1]　庄心善.深基坑开挖土体的卸荷试验研究及有限元分析[D ][博士学位论文].武汉:武汉理工大学,2005[2]　庄心善,朱志政,胡其志.基坑土体卸荷剪切模量真三轴试验研究[J ].工业建筑,2005.35(7)[3]　刘熙媛、闫澍旺、窦远明.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,2004.33(4)[4]　庄心善,赵鑫,何世秀.排水条件下卸荷土体变形特性的真三轴试验研究[J ].岩土力学,2007.28(7)[5]　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.2005.26(6)[6]　殷德顺,王保田,张文慧.不同方向卸载对基坑支护位移内力的影响[J ].岩土力学,2008.29(6)Effect of Lateral Unloading on Foundation Pit DisplacementZH UANG Xin shan ,H U Kai(H ubei Univers ity of Technology ,Wuh an 430068,China )A bstract T aking samples o f silty clay ex isting distinctive ly in W uhan District ,a simula tion ex pe riment has been carried on true triaxia l ex periment .T he la te ral unlo ading stress pa th of fo undatio n pit acts is car ried out in o rder to obtain results of co nsoli -dated undrained triax ial unlo ading test under plane strain co ndition .T he results show that the stress -strain cur ve wo uld chang e from strain hardening to str ain so ftening with the incr ease o f co nso lidatio n pre ssure in lateral unlo ading stress path .Soil sam -ple s in conditio n o f later al unloading will be bro ke n w ith minor stress conditio n .The a rea o f unloading modulus in unlo ading model has been discussed by modified Duncan -Chang co nstitutive model .Key words lateral unlo ading ,ture tria xial experiment ,plane strain ,displacement45　第6期 庄心善等:土体侧向卸荷对基坑支护位移的影响。