软土卸荷力学特性及软弱地层中基坑稳定性研究

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.i s s n .1674-6066.2023.03.021软土卸荷力学特性及软弱地层中基坑稳定性研究
朱康平
(中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队,合肥230088
)摘 要: 为解决软弱地层中基坑稳定性问题,
以合肥市新站区少荃湖湿地公园水利工程为研究对象,在分析场区基本物理力学性质和工程地质特征的基础上,采用轴向荷载不变的应力路径三轴剪切试验进行软土的应力应变演变规律分析,并将计算的卸荷变形模量应用于软土基坑稳定性分析㊂结果表明,4种不同工况的归一化偏应力应变曲线表现为相同的变化规律,综合分析可将4种不同工况的归一化偏应力应变曲线用双曲线关系进行统一表达;软土的卸荷变形模量与应变之间具有良好的线形拟合关系,其拟合系数R 2=0.9719;考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数比不考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数略小,而考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数比不考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数降幅较大,表明软土的卸荷效应对基坑的抗隆起稳定性系数影响较为明显㊂
关键词: 基坑工程; 软土卸荷; 力学特性; 软弱地层; 稳定性分析
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o r d s : f o u n d a t i o n p i t e n g i n e e r i n g ; w e a ks o i l u n l o a d i n g ; m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ; w e a ks t r a t u m ; s t a b i l i t y a n a l y
s i s 收稿日期:2023-02-13.
作者简介:朱康平(1990-),工程师.E -m a i l :1242391809@q q
.c o m 我国是海岸线漫长㊁河流湖泊众多的国家,在这些区域修建基础工程设施,不可避免地遇到分布广泛的软弱土层㊂软弱土层由于具有较大的含水量和孔隙比,其沉积时间较短,力学性质较差,抗剪强度较低,因此
给工程的建设带来诸多难题[1]
㊂在基坑工程开挖过程中,软弱土由于卸荷作用使得土体的应力路径发生改
变,基坑周边的土体主应力发生偏转,这极大地影响了土体的变形和稳定性,造成基坑受力和变形的卸荷效
应和时空效应,给软土基坑工程的稳定性控制带来困难[2,3
]㊂该文尝试结合实际工程案例,采用室内试验和
数值模拟的方法,对软土的卸荷条件下的应力应变过程进行研究,并分析卸荷效应对基坑整体稳定性和抗隆起稳定性的影响㊂
1 工程概况
合肥市新站区少荃湖湿地公园水利工程位于合肥市新站区磨店乡,铜陵北路以东,魏武路以南,东方大
2
8建材世界 2023年 第44卷 第3期
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道以北,西山驿路以西;公园规划设计总面积约425公顷,其中公园面积约285公顷,水域面积约140公顷㊂该湿地公园是合肥市大型综合公园,也是新站区核心区内重要的生态休闲中心,围绕大面积自然水体规划建成开放式生态休闲公园㊂现拟建建筑物主要包括观景平台㊁园区道路及跨少荃湖观光桥㊁基坑工程等㊂
2场区工程地质条件及岩土力学特性
2.1场区工程地质条件
区域大地构造单元属中朝准地台(华北地台)东南端,二级构造单元属江淮台隆㊂区域内大断裂主要北东向郯庐断裂,东西向六安深断裂,距离此项目位置较远,最小距离大于30k m㊂区域地层基底为太古代霍邱群变质岩,向上为中新生代红色沉积岩(红层),为碎屑岩㊂全新世早中期地壳以上升为主,河流阶段发育㊂全新世晚期地壳相对下沉,有新近沉积物分布㊂区域岩浆岩发育弱,工程场地位于地壳总体相对稳定区[4]㊂工程区地貌分区属江淮波状平原㊂场地南北地势相对较高,中间地势相对较低,发育一条近东西向大型冲沟(坳沟)㊂场地南北陆地区基本为原始地貌,局部地段经过轻微人工改造,形成小型水塘㊁农田林地等,地形呈缓坡状,坡度一般小于5ʎ,地面标高23.20~48.00m㊂1980年前后,在场地中间位置人工堆积一条长度约700m的黏土坝,大坝西侧形成少荃湖水库(老郭冲水库),现水面高程约33.92m,水深最大约7.0m㊂由于大坝的调节作用,水库水位标高变化不大,年变化幅度约1m,水体环境较好㊂少荃湖水库周边零星分布有大小不一的水塘,面积约1000~40000m2,水深0.5~2.5m[5]㊂
2.2场区岩土基本物理力学指标分析
地基岩土的构成,经此次勘探揭露共有8层,如表1所示㊂
表1场区地基岩土工程地质特性
土层①层耕填土①-1淤泥质土②-1层粉质黏土②层粉质黏土
厚度/m0.30~5.100.20~0.601.10~7.100.50~6.20
颜色灰褐色㊁深灰色深灰色灰褐㊁灰黄色灰褐㊁灰黄色
状态松散状态流塑状态可塑状态,局部软塑可塑状态,局部硬塑
工程特性主要物质成分为黏性
土,含有机质,欠固结
高压缩性土
主要物质成分为黏性
土,含有机质,欠固结
高压缩性土
切面粗糙,干强度低,实测标贯击
数一般为5.0~6.0击/30c m,平
均为5.2击/30c m㊂中等偏高压
缩性土
切面稍光滑,实测标贯击数
一般为7.0~9.0击/30c m,
平均为7.8击/30c m㊂中等
压缩性土
土层③-1层黏土③层黏土④层全~强风化粉砂质泥岩⑤层中风化粉砂质泥岩厚度/m1.00~5.507.30~30.60最大钻遇厚度为13.30未钻穿
颜色黄褐㊁黄色褐黄㊁黄色灰白㊁灰黄㊁棕红色棕红色
状态硬塑状态硬塑~坚硬状态密实状态泥质-粉砂结构,薄~中厚层
构造
工程特性切面稍光滑,干强度
中等,实测标贯击数
一般为9.0~11.0
击/30c m,平均为
10.1击/30c m㊂中
等压缩性土㊂
切面光滑,干强度高,
实测标贯击数一般为
13.0~18.0击/
30c m,平均为15.2
击/30c m㊂中等偏低
压缩性土㊂
该层上部风化完全,以黏性土为
主,含有粉土㊁砂黏性土;下部风
化呈砂土状,无水可钻进,泥质成
分较高㊂实测标贯击数一般为
27.0~72.0击/30c m,平均为
45.0击/30c m㊂低压缩性强风
化极软岩
主要物质组成为泥质㊁粉砂
等㊂岩体破碎~较破碎,岩
石质量指标R Q D=45~60,
属极软岩,其岩体基本质量
等级为Ⅴ类
场地内各层岩土的物理力学指标及技术参数如表2所示㊂从表2中可以看出,各土层的力学强度指标存在明显的差异,土层黏聚力和内摩擦角按照①-1层淤泥质土㊁②-1层粉质黏土㊁②层粉质黏土㊁③-1层黏土㊁③层黏土的顺序不断增加㊂其中,①-1层淤泥质土和②-1层粉质黏土的力学强度软弱,黏聚力和内摩擦角指标较小,①-1层淤泥质土和②-1层粉质黏土的黏聚力分别为10.0k P a㊁18k P a,内摩擦角分别为5.0ʎ和11.2ʎ㊂
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表2 场地内各层岩土的物理力学指标及技术参数
岩土名称承载力特征值f a k /k P a 压缩模量E s /M P a 重度γ
/(k N ㊃m -3)黏聚力c /k P a 内摩擦角φ
/(ʎ)①-1层淤泥质土70
2.117.810.05.0②-1层粉质黏土1005.519.318.011.2②层粉质黏土
1608.0
19.734.513.4③-1层黏土20010.019.946.514.7③层黏土
26013.020.172.6
17.1
④层全~强风化粉砂质泥岩30020.0
⑤层中风化粉砂质泥岩
700压缩性微小3 场区软土卸荷力学特性
为了更好地研究软土的卸荷力学特性,基于轴向荷载不变的应力路径三轴剪切试验进行软土的应力应变演变规律分析㊂在轴向荷载不变的应力路径三轴剪切试验中,土体中任意一点的强度破坏遵循摩尔库伦
准则,如式(1
)所示[6-8
]㊂(σ1-σ3)f =
2c c o s φ+2σ1s i n φ1+s i n φ
(1)式中,σ1为三轴试验大主应力,k P a ;σ3为三轴试验小主应力,k P a ;c 为土体的黏聚力,k P a ;φ为土体的内摩擦
角,(ʎ
)㊂对竖向固结压力设置为4种工况,分别为100k P a ㊁200k P a ㊁300k P a ㊁400k P a
㊂对测试的应力应变结果进行归一化,将偏应力除以平均应力,测试结果如图2所示,平均应力的计算方式如式(2
)所示[9,10]
㊂σm =σ1+2σ()3/
3(2)式中,σm 为三轴试验平均应力,
k P a ;其余参数同式(1)㊂从图1中可以看出,4种不同工况的归一化偏应力应变曲线表现为相同的变化规律㊂在加载初期,在较小的应变条件下,其应力发生迅速增加,呈现明显的非线性,随后,在竖向固结压力作用下,软土的应变不断增加,而应力则趋向于稳定和收敛,综合分析可将4种不同工况的归一化偏应力应变曲线用双曲线关系进行统一表达,如式(3)所示㊂随着竖向固结压力的增加,收敛的归一化偏应力则逐步减小,但在200k P a
㊁300k P a ㊁400k P a 作用下的收敛归一化偏应力结果较为接近㊂
ε1
σ1-σ3
=a +b ε1
(3
)式中,a 和b 为双曲线待定系数;其余参数同式(1
)㊂从式(3
)可知,应变和应力的比值可以用应变的线形关系进行表达,因此将图1中的结果进行变换和拟合以求解归一化的卸荷变形模量,结果如图2所示㊂从图2中可以看出,卸荷变形模量与应变之间具有良好的线形拟合关系,拟合系数R 2=0.9719,其拟合关系如式(4
)所示㊂ε1
σ1-σ3
=0.0281+1.5279ε1
(4
)4
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4软土基坑稳定性分析
为了研究软土地层卸荷效应对基坑稳定性的影响,该文
采用岩土有限元分析程序M i d a sG T S软件进行基坑抗隆起
稳定性和整体稳定性验算,计算过程考虑了软土的卸荷效应
和不考虑卸荷效应2种工况,卸荷效应的本构关系和卸荷弹
性模量符合式(4)规律㊂考虑卸荷效应和不考虑卸荷效应的
基坑整体稳定性和抗隆起整体稳定性对比结果如图3所示㊂
从图3中可以看出,在基坑开挖至坑底的150d内,考虑卸荷
效应和不考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数和抗隆起整体
稳定性系数均呈现非线性降低的趋势,但考虑卸荷效应的基
坑整体稳定性系数比不考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数
略小,而考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数比不考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数降幅较大,因此表明软土的卸荷效应对基坑的抗隆起稳定性系数影响较为明显㊂在开挖至坑底时,考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数与不考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数均大于1.6,考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数与不考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数均大于1.3,满足二级基坑的稳定性要求㊂
5结论
该文以合肥市新站区少荃湖湿地公园水利工程为研究对象,在分析场区基本物理力学性质和工程地质特征的基础上,采用轴向荷载不变的应力路径三轴剪切试验进行软土的应力应变演变规律分析,并将计算的卸荷变形模量应用于软土基坑稳定性分析,得到以下结论:
a.4种不同工况的归一化偏应力应变曲线表现为相同的变化规律㊂加载初期,在较小的应变条件下,其应力发生迅速增加,呈现明显的非线性,随后,在竖向固结压力作用下,软土的应变不断增加,而应力则趋向于稳定和收敛,综合分析可将4种不同工况的归一化偏应力应变曲线用双曲线关系进行统一表达㊂
b.软土的卸荷变形模量与应变之间具有良好的线形拟合关系,其拟合关系如式(4),系数为R2=
0.9719㊂
c.考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数比不考虑卸荷效应的基坑整体稳定性系数略小,而考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数比不考虑卸荷效应的基坑抗隆起稳定性系数降幅较大,表明软土的卸荷效应对基坑的抗隆起稳定性系数影响较为明显㊂
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