基坑开挖卸荷土体的应力应变及抗剪强度分析

图 ２ 相 同 围 压 下 普 通 三 轴 和 真 三 轴 试 验 的 （σ１－σ３）－ε１ 关 系 曲 线
Ｆｉｇ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｂｅｔｗｅｅｎ （σ１－σ３）ａｎｄε１ ｉｎ ｎｏｒｍａｌ ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｕｒｅ ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ ｗｉｔｈ ｓａｍｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
含水量 天然重度 内聚力 内摩擦角
孔隙比 塑性指数 ／％ ／（ｇ·ｃｍ－３） ／ｋＰａ ／（°）
３３．４ １．９
２１．６ ２２．７ ０．９７ １３．０
１．３ 试 验 仪 器 与 试 验 过 程 （１）普通 三 轴 试 验。 普 通 三 轴 试 验 采 用 改 装
后的应变控制 式 三 轴 剪 切 仪 进 行［１］，试 样 经 饱 和 后 ，分 别 按 ５０、１００、１５０、２００、２５０、３００ｋＰａ的 围 压 进行等压固结，剪 切 过 程 中 控 制σ１ 不 变、σ３ 分 级 卸荷，每级卸荷等级 １０ｋＰａ，以 应 力 为 控 制 变 量， 整 个 试 验 过 程 中σ１ ＞σ２ ＝σ３ 。
１ 试验设计
１．１ 取 样 试验所用扰动土样取自地表面 －７ ｍ 处深基
坑土。用连续压 入 法 自 浅 而 深 均 匀 取 样，按 取 土 深度施加固结压 力，确 保 试 样 剪 切 前 为 正 常 固 结 性质。本次试验所用试样为与原状土含水量相同 的重塑土样。 １．２ 试 验 方 法
试验模拟基坑周边主动区土体的卸荷过程， 即 在围压σ１ ＝σ２ ＝σ３ 的条件下固结稳定后，然后 保持轴压σ１ 不 变、围 压σ３ 减 小，在 排 水 条 件 下 分
轴向应变与体积应变间的变化关系，并探讨了试验土 体 的 强 度 变 化 规 律 ，获 得 了 卸 荷 土 体 参 数。试 验 结 果 表
明 ，相 同 应 力 条 件 下 ，不 同 应 力 状 态 的 土 体 变 形 特 性 不 同 ，在 实 际 开 挖 围 护 工 程 中 应 根 据 卸 荷 土 体 的 实 际 受 力
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ
图２为相同围压下普通三轴和真三轴试验的 （σ１－σ３）－ε１ 关 系 曲 线 对 比 图。 由 图 可 看 出，对 同一σ３ ，真三轴应变试验测 得 的 应 力—应 变 关 系 曲线普遍高于（或 陡 于）普 通 三 轴 试 验 所 得 曲 线， 其原因如下：① 两 种 试 验 受 力 条 件 不 同 即 会 竖 向 受 压 ，真 三 轴 试 验 侧 向 仅 有 一 个 方 向 可 自 由 变 形 ， 另一方向变形完 全 受 限，而 普 通 三 轴 试 验 侧 向 两
级减小围压的情况下做普通三轴固结剪切试验和 真三轴 固 ［２～４］ 结 剪 切 试 验，以 模 拟 排 水 条 件 下 基
坑开挖墙后土体的侧向卸载过程 。 ［５］ 试验土 体 的
物 理 力 学 性 质 参 数 见 表 １。
表 １ 试 验 土 体 相 关 参 数
Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ
收 稿 日 期 ：２０１１－１２－２４，修 回 日 期 ：２０１１－０４－１８ 基 金 项 目 ：湖 北 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２００２ＡＢ００１）；湖 北 省 教 育 厅 基 金 资 助 项 目 （２００２Ａ０００１５） 作 者 简 介 ：何 怡 （１９８３－），女 ，讲 师 ，研 究 方 向 为 深 基 坑 及 岩 土 工 程 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｏｕｒｓｏｕｒｓ＠１６３．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ：庄 心 善 （１９６４－），男 ，教 授 ，研 究 方 向 为 结 构 设 计 理 论 及 施 工 技 术 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕａｎｇｘｉｎｓｈａｎ＠１６３．ｃｏｍ
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水 电 能 源 科 学 ２０１１ 年
２ 土的应力应变及强度分析ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２．１ 应 力 （σ１ －σ３）— 应 变 （ε１）关 系 变 化 规 律 图１为不同围压条件下普通三轴和真三轴卸
荷排水固 结 试 验 的 （σ１ －σ３）－ε１ 关 系 曲 线。 由 图 可看出［４］：①两 种 排 水 试 验 的 应 力—应 变 关 系 曲 线均呈应变硬化型。试验土体的应力—应变曲线 在 开 始 阶 段 近 似 呈 直 线 关 系 ，随 应 力 水 平 的 增 加 ， 土体的应变并不随应力的增大呈线性增加。曲线 的初始弹性模量随土体固结压力的增大而渐增， 表明固结压 力 越 大，土 体 的 压 缩 性 逐 渐 减 小。 ② 普通三轴试验试样破坏的轴 向 应 变 在 围 压 为 ５０、 ３００ｋＰａ时均超 过 应 变 极 限 （ε１ ＝１５％），且 整 个 普通三轴试验应变均 在 １％ ～２０％ 之 间。 因 此 可 认为试验土体的 变 形 能 力 较 强，故 其 试 验 破 坏 条 件必须由土体变形的实际情况加以确定。与真三 轴试验相比，试验破坏的 应 变 均 未 超 过 ５％，破 坏 应变远小于 普 通 三 轴 试 验 的 结 果。 因 此，对 不 同 的受 力 状 态、不 同 的 应 力 路 径，即 使 同 一 土 样，土 体的破坏应变亦不同，若 均 以 １５％ 的 应 变 对 应 的 主应力差作为破坏值则不尽合理。③当固结压力 较小时，各试样的 极 限 应 变 随 固 结 压 力 的 增 加 表 现突出，到一 定 水 平 后 应 变 增 加 不 再 显 著。 同 时 真三轴试验表明，试 样 达 到 破 坏 时 的 侧 向 应 变 比 普通三轴试验小 很 多，表 明 维 护 结 构 在 较 小 的 水 平位移条件下即 可 达 极 限 状 态，因 此 若 在 实 际 工 程中不能有效控 制 基 坑 围 护 结 构 的 水 平 位 移、确 保基坑支撑结构 的 稳 定 性，基 坑 周 边 的 上 部 土 体 较易出现破坏。
状态考虑采用不同的设计方法和围护体系。
关 键 词 ：基 坑 开 挖 ；卸 荷 土 体 ；三 轴 试 验 ；应 力 路 径 ；变 形
中 图 分 类 号 ：ＴＵ４１１．３
文 献 标 志 码 ：Ａ
武汉市沙湖 小 区 某 楼 基 坑 深 ７ ｍ，基 坑 内 地 层为全新世 粉 质 粘 土，含 少 量 腐 植 质［１］。 基 坑 开 挖过程中在基坑底面以上的土层水平向应力逐渐 减 小 ，竖 向 应 力 基 本 保 持 不 变 ，支 护 结 构 发 生 侧 向 位移，水平向应力 由 静 止 侧 压 力 向 主 动 土 压 力 变 化，基 坑 的 侧 向 变 形 发 生 时 间 短、速 率 大，极 易 引 起基坑倾塌，侧向 变 形 是 基 坑 周 边 破 坏 的 主 要 原 因，因此解决好桩 后 土 体 的 本 构 模 型 及 参 数 的 选 取是计算支护结 构 稳 定 的 关 键，也 是 侧 向 变 形 研 究的重点。鉴此，本 文 结 合 基 坑 开 挖 工 程 的 实 际 特点，模拟了深基 坑 开 挖 土 体 的 卸 荷 应 力 路 径 试 验 ，研 究 了 基 坑 土 体 的 工 程 特 性 。
个方向均自 由，显 然 后 者 变 形 大 。 ［６］ ② 平 面 应 变 条件下强度较高也增加了应力—应变关系曲线变 陡的程度。 ２．２ 轴向应变（ε１）— 水平向应变（ε３）关系变化规律
土体普通三 轴 试 验 是 在 保 持σ３ 不 变 的 情 况 下 ，仅 在 一 个 方 向 施 加 应 力 增 量 ，而 其 他 方 向 无 应 力增量，增量虎克定律中ε１ －（－ε３）关系曲线的切 线斜率 具 ［７］ 有 切 线 泊 松 比 的 物 理 意 义，而 真 三 轴 应变试验由于在 三 个 方 向 上 均 有 应 力 变 化，因 此 其轴向—水平向应变关系曲线斜率并不具有切线 泊松比 的 物 理 意 义。图 ３ 为 普 通 三 轴 试 验 的 ε１ －ε３关系曲线。图４为真三轴 试 验ε１ －ε３ 关 系 曲 线。由图可看出，轴对称应力状态下土 体 的ε１ －ε３ 曲线较规律，轴向 应 变 与 水 平 向 应 变 近 似 呈 线 性 关 系 ，即 土 体 在 水 平 向 膨 胀 的 同 时 轴 向 逐 渐 缩 小 ， 且轴向应变缩小的速率大于水平向应变膨胀的速 率。忽略剪切初 期 各 因 素 的 影 响，轴 对 称 应 力 状 态下试样 在 轴 向 的 压 缩 量 近 似 等 于 水 平 向 膨 胀 量，即ε１ ＝－２ε３ 。而平面应 变 排 水 卸 荷 条 件 下， 由 于 排 水 试 验 历 时 时 间 较 长 ，受 外 界 因 素 （如 传 感 器、排水阀等）影 响 较 大，所 以 曲 线 的 规 律 性 不 明 显，表明泊松 比 随 围 压 变 化 规 律 不 明 显。 同 时 随 固 结 围 压 的 增 加 ，土 的 密 实 度 增 大 ，土 体 竖 向 变 形 与横向变形的 差 值 变 小，到 围 压 ２００ｋＰａ时 几 乎 成直线，即符 合 广 义 虎 克 定 律。 剪 切 中 存 在 的 排 水对抗剪强度的 影 响 与 排 水 程 度 有 关，也 与 剪 切 应 力 路 径 、剪 切 前 固 结 状 态 、土 性 参 数 有 关 。 对 伸
第２９卷 第７期 ２ ０ １ １ 年 ７ 月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１１）０７－００９３－０４
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２ ０ １ １
基坑开挖卸荷土体的应力应变及抗剪强度分析
何 怡１，董 晓 梅１，庄 心 善２
图 １ 不 同 围 压 下 普 通 三 轴 和 真 三 轴 卸 荷 排 水 试 验 的 （σ１－σ３）－ε１ 关 系 曲 线
Ｆｉｇ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｂｅｔｗｅｅｎ （σ１－σ３）ａｎｄε１ｉｎ ｎｏｒｍａｌ ｔｒｉａｘｉａｌ ａｎｄ ｔｒｕｅ ｔｒｉａｘｉａｌ ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｄｒａｉｎａｇｅ
图３ 普通三轴试验ε１－ε３ 关系曲线 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｂｅｔｗｅｅｎε１ ａｎｄε３
ｉｎ ｎｏｒｍａｌ ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ
第 ２９ 卷 第 ７ 期
何 怡 等 ：基 坑 开 挖 卸 荷 土 体 的 应 力 应 变 及 抗 剪 强 度 分 析
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图４ 真三轴试验ε１－ε３ 关系曲线 Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｂｅｔｗｅｅｎε１ ａｎｄε３
（２）真三轴试验。 真 三 轴 试 验 在 ＺＳＹ－１ 型 真 三 轴 仪 上 进 行 ，试 样 经 饱 和 后 ，同 普 通 三 轴 试 验 固 结 围 压 进 行 等 压 固 结，以 应 变 为 剪 切 控 制 变 量。 剪 切 过 程 中 ，分 级 减 小 围 压 ，在 减 小 围 压 的 同 时 保 持σ１ 不变，同时 逐 步 调 整 中 主 应 力σ２，以 保 持 该 方向上的应变ε２≈０，直至小主 应 力σ３＝０ 或 试 件 破坏为止，每级卸荷 为 １０ｋＰａ。 整 个 试 验 过 程 中 σ１＞σ２＞σ３。
（１．洛阳理工学院 土木工程系，河南 洛阳 ４７１０２３；２．湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 ４３００６８）
摘要：基于基坑开挖侧向减载的应力路径，选取武汉地区具有代表性的粉质粘土进行了排水条 件 下 真 三 轴 试
验和普通三轴固结剪切试验，得出基坑侧向土体在不同应 力 状 态 下 的 应 力 与 应 变 、轴 向 应 变 与 水 平 向 应 变 和
ｉｎ ｔｒｕｅ ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ
长和压缩的影响 程 度 也 不 同，表 明 围 压 的 增 大 对 横向变形的影响较大。 ２．３ 体应变εＶ—轴向应变ε１ 关系变化规律
图５ 为 普 通 三 轴 体 积 应 变εＶ－ε１ 关 系 曲 线。 由 图 可 看 出 ，基 坑 开 挖 卸 荷 过 程 中 ，轴 对 称 应 力 状 态 下 ，试 验 过 程 中 排 水 管 水 量 减 小 ，土 体 的 体 积 应 变小于零，土体排 水 剪 切 过 程 中 土 样 由 于 卸 荷 出 现负的孔隙水压 力，因 此 整 个 剪 切 过 程 出 现 吸 水 现 象 ，试 样 体 积 为 负 增 长 ，土 体 剪 切 性 状 表 现 为 剪 胀性。而真三轴 平 面 应 变 卸 荷 试 验，当 土 体 处 于 三 维应力状态时，土体体变εＶ ＞０，试样σ１ 方向应 变ε１ ＞０（试验中规定压 缩 为 正，拉 伸 为 负），两 方 向应变ε２ ≈０，ε３ ＜０，排 水 剪 切 过 程 表 现 为 排 水 现象，土体剪 切 性 状 表 现 为 体 缩。 出 现 这 种 现 象 的原因为：① 平面应变卸荷试验是控制σ２ 方向应 变为 零，因 此 试 样 在 受 到σ１ 方 向 压 缩 时，土 体 密 实 度 增 加 ，土 颗 粒 间 的 接 触 更 紧 密 ，颗 粒 间 的 咬 合 力增强，相应的σ３ 方向的应变也会较平面应力状 态下小，所以在三 维 应 力 状 态 下 整 体 剪 切 性 状 表 现为体缩；②由于 试 样 与 试 验 仪 器 间 存 在 端 部 效 应，也会使σ３ 方向的应变相应减小。