超静孔隙水压对软土卸荷力学弱化影响研究

罗艺 周钰倪 朱建峰

重庆科技学院 建筑工程学院 重庆 401331

摘 要：考虑富含地下水的软土地区，在工程振动下使土体产生超静孔隙水压，对软土卸荷力学特性具有显著弱化影响，但目前室内试验忽视了对其模拟，导致工程事故频发。本文通过三轴仪的反压系统施加超静孔隙水压力，模拟施工振动产生的超静孔隙水压，进行UL应力路径的软土卸荷力学特性试验，揭示超静孔隙水压对软土卸荷力学特性的弱化影响。结论如下：在相同卸荷比情况下，土样的应变量随着超静孔隙水压的增长而上升。上述结果表明：随着超静孔隙水压的增加，土样卸荷强度将会降低。。

关键词: 超静孔隙水压、软土、卸荷力学

1引言

近几十年来，我国经济高速发展，沿海地区发展尤为迅速。经济的高速发展伴随着地铁、基坑等建筑物的快速建设，而我国沿海地区广泛分布着大量的软土，地下空间开发过程中，土体主要经历卸载过程，实践表明^[1,2]：实际基坑开挖中土体在不同深度的受力有较大区别，软土卸荷带来的力学特性改变及其对工程的影响更不容忽视。由于沿海软土地区通常富含地下水，工程种大型施工设备的振动会引起较大的超静孔隙水压^[3,4]。开挖时孔隙水压的存在，可能会对软土的粘聚力和内摩擦角产生弱化作用^[5,6]，加剧软土卸荷破坏的发生。软土地下工程施工时振动所引起的超静孔隙水压会弱化软土力学特性，而室内力学试验过程缺乏超静孔隙水压对软土产生影响的考虑。因此忽视实际卸荷应力路径和超静孔隙水压对软土卸荷力学参数的影响，对软土卸荷力学弱化影响的认识方面产生很大的局限性。

针对现有研究的不足，本文进行UL应力路径在不同卸荷比和超静孔隙水压作用下软土的卸荷强度试验，探索超静孔隙水压对软土的卸荷力学特性的影响规律，从而为软土地下空间工程设计和数值模拟提供科学依据。

2 试验方法

2.1 土样制作

试验土样取自深圳某大型地下空间开挖中的淤泥质软土，取土深度为地表10m以下，土体各项力学指标见表1。

表1 软土力学指标

将初筛过的土样烘干后，过孔径2mm的筛，加入清水均匀搅拌后制成高度为80mm,直径为39.1mm的试样，如图1所示。

图1 软土试样

2.2 试验方法与过程

试验方法：地下空间开挖过程中不同的开挖位置以及支护方式，使软土产生了多种应力路径。现主要对其中1种应力路径进行卸荷强度试验：针对富水软土地区深基坑开挖重点研究内容，开展UL应力路径在固结围压100kPa、4种卸荷比（R=0.0、0.5、1.0、2.0）、4种超静孔隙水压(u₀=0kPa、20kPa、40kPa、60kPa)下软土的卸荷力学特性试验（UL0.0表示垂直向卸荷、水平向加荷，数值表示垂直向卸荷应力与水平向卸荷应力的比值）。

试验步骤：1）试验前，先通过全自动三轴仪反压系统对试样进行饱和，当孔压数值达到反压数值的98％后，再进行K₀固结，使试样达到完全固结。2）K₀固结完成后，将三轴仪排水阀门调节为关闭状态，通过反压系统对试样施加超静孔隙水压。K₀固结完成后直接关闭排水阀门，不施加超静孔隙水压，此时试样超静孔隙水压为0kPa。3）开展UL应力路径中不同超静孔隙水压下软土的卸荷力学特性试验。4）采集试验过程中三轴仪记录的围压、轴压、轴向变形以及超静孔隙水压的变化。

3 试验结果与分析

通过UL应力路径在不同卸荷比和超静孔隙水压下的卸荷力学试验，绘制出围压-应力关系曲线，如图2所示。

图2 UL应力路径在不同卸荷比、孔隙水压下的围压-应变曲线

根据图2对比可以看出：1）随着固结围压持续增大，其应变持续增大。软土在UL应力路径4种卸荷比、4种超静孔隙水压下的围压-应变曲线具有明显的非线性关系。在相同卸荷比情况下，土样的延伸变形随着超静孔隙水压的增长不断增大，比如在UL0.0时，u₀=0kPa、20kPa、40kPa、60kPa的应变量分别为0.46%、0.52%、0.66%、0.91%，表明随着超静孔隙水压的增加，土样卸荷强度将会降低。2）在超静孔隙水压相同的条件下，随着卸荷比的增大，软土在较小应力增量情况下出现的应变量更大，比如在围压增压至125kPa，超静孔隙水压为60kPa时，UL0.5、1.0、2.0的应变量分别为0.07%、0.15%、0.35%，这说明随着卸荷比的增加，软土的卸荷强度将会降低。

通过软土在UL应力路径下卸荷强度试验的结果可以发现，超静孔隙水压对软土卸荷力学具有弱化作用。当软土中超静孔隙水压越大时，其卸荷强度将会降低，受到扰动时变形越大。因此，在富水软土地区进行施工时，应加强对土体孔隙水压的监测，减少不必要的扰动，尽量降低软土中的超静孔隙水压。

4 结论

通过三轴仪进行UL应力路径在4种卸荷比、4种超静孔隙水压下软土的卸荷强度试验，得出以下结论：

1）在UL应力路径4种卸荷比、4种超静孔隙水压下的围压-应变曲线具有明显的非线性关系。在相同卸荷比情况下，土样的延伸变形量随着超静孔隙水压的增长而上升，表明随着超静孔隙水压的增加，土样卸荷强度将会降低。

2）在相同超静孔隙水压条件下，随着卸荷比的增大，软土在较小应力增量情况下出现的应变量更大，比如在围压增压至125kPa，超静孔隙水压为60kPa时，UL0.5、1.0、2.0的应变量分别为0.07%、0.15%、0.35%，这说明随着卸荷比的增加，软土的卸荷强度将会降低。

本文仅通过UL应力路径下，固结围压为100kPa的卸荷强度试验研究超静孔隙水压对软土的卸荷力学特性影响，针对探索其他固结围压下超静孔隙水压对软土卸荷强度弱化影响还有待继续研究。

参考文献

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[5]Soralump S, Prasomsri J. Cyclic Pore Water Pressure Generation and Stiffness Degradation in Compacted Clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.2016,142(1):1-13

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基金项目名称：UL应力路径中超静孔隙水压对软土卸荷力学弱化影响研究(编号:YKJCX2020657)