1、投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：梁裔举，谭耿，官宸慧，等 侧向卸荷条件下不同含水率原状黄土变形特性分析 科学技术与工程，（）：.，（）：.侧向卸荷条件下不同含水率原状黄土变形特性分析梁裔举，谭耿，官宸慧，刘路路（.广西路桥工程集团有限公司，南宁；.武汉大学土木建筑工程学院，武汉；.中国矿业大学深部岩土力学与下工程国家重点实验室，徐州）摘 要 为研究原状黄土的侧向卸荷变形特点，选取陕西地区具有代表性的不同含水率 原状黄土，进行不同固结压力下的分级侧向卸荷试验。试验结果表明：原状黄土在侧向卸荷下应力应变曲线为硬化型；初始固结压力较低的试样无明显破坏且轴向应
2、变最终趋于稳定，固结压力较高的试样则发生破坏且轴向应变持续增加，对于低固结压力试样，含水率越高，最终稳定时的轴向应变越大；提出原状黄土的临界轴向应变比值，并通过拟合得出指数函数表达式，以计算各种情况土体卸荷达到塑性破坏时的围压值；根据试验结果拟合得到初始切线模量的经验公式，从而推导出不同含水率原状黄土在卸荷时的变形模量计算公式。关键词 原状黄土；侧向卸荷；含水率；应力应变；变形模量中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：第一作者：梁裔举（），男，汉族，广西阳朔人，硕士研究生，高级工程师。研究方向：公路工程。：。通信作者：刘路路（），男，汉族，山东泰安人，博士后，讲师。研究方向：公路工程
3、与地基处理。：。，（.，；.，；.，），；中国西北地区的建设发展日益被重视，其中城市地下空间工程营建工作是发展的重要趋势之一，而西北地区特有的结构疏松、垂直节理的 黄土使得地下空间建设面临许多挑战，基坑中由于黄土卸荷导致的变形和失稳使工程建设的安全难以保障。因此，以基坑特有的卸荷路径进行试验、针对多种情况下的原状黄土进行系统的卸荷变形研究非常有必要。研究表明，卸荷应力路径中，最大主应力不变、最小主应力卸荷的情况最危险。刘国彬等以软土为研究对象，得到双曲线形式的卸荷应力应变关系，并推导出切线卸荷模量的计算公式。梅国雄等、宰金珉等、胡琦等、周秋娟等以黏土为研究对象进行了侧向卸荷试验研究，发现侧向卸
4、荷下的抗剪强度指标和常规三轴试验有很大差异。原状黄土虽存在区别于黏土的特性，但叶朝良等以原状黄土为研究对象，进行各向异性及卸载变形特征试验研究，得到了相似的研究结果，并以三轴试验结果说明原状黄土的破坏具有突变性。李加贵等采用应力控制式 三轴仪研究了原投稿网址：状 黄土的细观结构演化规律和强度特性，发现常规三轴压缩剪切试验结果得到的强度参数高于侧向卸荷剪切试验结果。李宝平等对三轴仪进行改造，并开展原状黄土侧向卸荷试验，结果表明试样在卸荷初期为明显弹性变形，而后期发生塑性变形，且破坏较迅速。综上所述，在侧向卸荷方面已有不少学者做出较广泛的研究，但研究对象大多为软黏土，并且关于原状黄土的研究鲜见考虑
5、含水率对于原状黄土侧向卸荷变形的影响规律。然而黄土具有遇水强度变低的性质，这使得对于含水率这一影响因素的考虑十分有必要。现通过对现场所取土样进行含水率测定，取 种具有代表性含水率的原状黄土作为研究对象，使用三轴仪开展侧向分级卸荷试验，探究不同含水率原状黄土的破坏程度，再针对变形特性，系统总结不同含水率土样应变的发展规律，对黄土地区基坑工程设计提供参考，对于保障施工安全具有重要意义。试验方案试验所用的原状黄土样取自陕西省咸阳市某基坑，该基坑所处场地属于冲洪积平原（渭河及支流河漫滩和 级阶地）、黄土塬及黄土梁洼，黄土层为陕西关中地区具有代表性的 黄土。取土深度为 ，对所取现场土样进行室内常规物理性
6、质试验，测得基本物理性质指标如表 所示。对所取的每块完整土样均取样进行了含水率测试，测得含水率最高为.，最低为.。为了得到更接近现场施工状态的试验结果，取 种含水率的原状土样来进行试验，分别为、和；同时考虑到基坑施工时不同深度处土体在侧向卸荷时的变形特征也有差异，试验设置 种固结压力，分别为、，试验方案如表 所示。考虑数据可能出现的随机性，在现有 个试样的基础上，设置平行试验一组。对 种不同含水率试样在不同初始压力下等压固结，随后在排水条件下进行侧向卸荷。固结过程中，注意对体变的控制，侧向卸荷时，每次卸除 的围压，待轴向应变稳定（每小时小于.），再卸表 原状黄土的基本物理性质指标 编号岩土名称
7、含水率重度（）孔隙比液限塑限粉质黏土.粉质黏土.粉质黏土.下一级围压。由于卸除围压会导致轴向应力减小，因此卸载的同时需要对应补充轴压，。采用如图 所示的 型应力应变控制式三轴试验仪进行试验，该仪器可对三轴试样进行等应力、等应变控制，有较高的控制精度，并且可以实现和计算机数据交换，集中数据采集处理。本试验所用试样直径为.，高度为 ，含水率调配参考水膜转移法，为使试样内部水分得以达到更均匀地分布，将试样放置于真空饱和缸。试验操作严格按照土工试验方法标准（）执行。表 原状黄土侧向卸荷试验方案 试样编号含水率 初始状态固结压力 卸荷过程卸载标志轴向应变稳定图 型应力应变控制式三轴试验仪 ，（）梁裔举，
8、等：侧向卸荷条件下不同含水率原状黄土变形特性分析投稿网址：试验结果分析.不同含水率原状黄土的破坏程度分析为探讨不同含水率土样在卸荷时的变形差异，对试验数据进行整理，得到不同含水率土样在同种初始应力下卸荷时，试样的主应力差与轴向应变之间的关系曲线，如图 所示，图中 为主应力差，为轴向应变。为表述简洁，将、和含水率的 种试样分别记为、和，；将初始应力分别为、和 的 种试样分别记为、和，。由图 不难看出，初始应力较小的试样在卸荷达到一定值时，最终轴向应变逐渐稳定；而初始应力较大的试样，轴向应变则持续增加。在相同主应力差下，含水率越高，轴向应变越大；不仅如此，对于 和 组轴向应变最终趋于稳定的试样，含
9、水率越高，最终稳定时的轴向应变越大。该现象凸显了黄土的特点，即含水率较低的黄土本身强度较大，在侧向卸荷作用下，变形相对较小；而在遇水或在一定程度上受水浸湿后，结合水联系减弱，水使得各种胶结物有软化趋势，内部的结构平衡被打破，结构强度降低，黄土的骨架强度也降低，土体在侧向卸荷作用下，比起低含水率土体，结构更易破坏。这一点可以说明，含水率越低，基坑开挖深度浅，黄土受到的影响很小，基坑变形程度不大，可能出现的破坏情况较小，且变形可逐渐稳定；含水率越高，基坑更易发生破坏，并且开挖深度越深，基坑更倾向于出现突然破坏，且破坏程度大。不同含水率的原状黄土试样在侧向卸荷下的典型破坏方式如图 所示。对比 种含水
10、率试样的破坏方式，发现 含水率的试样在卸载破坏时存在明显贯穿试样的剪切带，试样更多表现为剪切破坏；而随着含水率的增加，含水率的试样的表面剪切带逐渐变短，并未贯穿试样，试样表现出部分剪切破坏和部分鼓胀破坏；含水率的土样则并未出现明显的剪切带，裂缝细小，土样呈现出整体被压缩的状态，表现为鼓胀破坏方式。.轴向应变发展规律分析进一步探讨原状黄土在侧向卸荷时轴向应变的总体发展规律，将卸荷曲线汇总如图 所示。由图 可以看出，初始固结应力越大，土样达到某一轴向应变值，对应的主应力差越大，即所需卸荷量越大。其次，虽然不同含水率下的卸荷曲线存在差异，但均为硬化型曲线，和软土的规律相似。图 不同含水率试样的应力应
11、变曲线.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 不同含水率的原状黄土典型破坏方式.图 应力应变曲线汇总.原状黄土的破坏表现为：卸荷初期时，随着卸荷量的增加，轴向应变也呈线性规律对应增加，而当卸荷量达到某一值且不再增加时，轴向应变突然大幅度增加甚至破坏。为了得到不同初始应力下侧向卸荷的原状黄土试样轴向应变将发生大幅度增加的临界值，定义原状黄土卸荷的临界轴向应变比值 为（）式（）中：为轴向位移开始发生加速增加时的围压值，即 的值，；为未卸载时的围压值，即初始围压值，。大致来看，对于初始固结应力分别为、和 的土样，分别在围压卸载至、和 时，即当临界比 分别为、和 时，轴向位移开始发生快速增加
12、甚至破坏。该规律可以说明，基坑开挖大约 以内时，侧向卸荷对于原状黄土的影响较小，但开挖到 及更深时，基坑可能因为施工出现突然破坏的情况。对于相对较低初始应力的土样，其轴向应变通常稳定在某一值后不再发生明显变化，产生该现象的主要原因是原状黄土有其垂直节理的特点，黄土中的粗粉粒及砂粒为其骨架，而较细的粉粒则依附在较粗颗粒的表面，特别是聚集在较大颗粒的接触点处与胶体物质一起作为填充材料；黏粒以及土体中所含的各种化学物质如铝、铁物质和一些无定型的盐类等，多聚集在较大颗粒的接触点，起胶结和半胶结作用，作为黄土骨架的砂粒和粗粉粒，在天然状态下，由于上述胶结物的凝聚结晶作用被牢固的黏结着，故使黄土具有较高的
13、强度，在竖起方向承压能力较强。综合试验数据，将每个试样的 计算统计并作图，如图 所示，可以发现，初始应力 和临界比的关系可以用指数函数来近似地拟合，得到 和初始围压的具体关系式为 （）式（）中：、均为参数。其中，不同含水率原状黄土的临界比 的参数取值列于表。又由式（）得（）使用式（）可以计算不同含水率原状黄土在不同固结围压下，基坑土体在卸荷时达到临界位移时的围压。图 原状黄土卸荷轴向应变临界比 统计.表 参数取值统计表 原状黄土含水率.应力应变关系分析侧向卸荷试验属于减压三轴压缩试验，试验过程中的大主应力保持不变，围压减小到试样破坏，其中 。使用式（）的平均应力对数据进行归一化处理后作图，如图
14、（）图（）所示。，（）梁裔举，等：侧向卸荷条件下不同含水率原状黄土变形特性分析投稿网址：图 数据归一化拟合结果.（）式（）中：为平均应力；为轴向压力；为周围压力。对归一化卸荷曲线在尝试使用多种曲线进行拟合后，得到双曲线的拟合效果最好，相关系数均在.以上。最终得到拟合公式为 （）式（）中：为轴向应变；为初始切线模量 的倒数；为应力应变曲线渐近线的倒数。进一步将 （）和的关系作图，如图（）所示，可以发现拟合得到的线性关系良好，进一步证明了双曲线拟合的合理性，。（）的拟合线性结果如表 所示。根据试验结果，建立不同含水率原状黄土在卸荷试验中的初始切线模量和平均应力间的关系如图 所示。可以看出两者之间存
15、在良好的线性关系。表 （）的拟合结果统计表 （）试样拟合公式.图 原状黄土卸荷初始切线模量与平均应力关系.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：通过图 中曲线可以建立不同含水率原状黄土计算 的经验公式为 （）式（）中：为初始切线模量，；为平均应力，；、为参数。由于双曲线对于试验数据拟合效果较好，参考邓肯张模型的推导过程，。假定土体在小应力应变增量的范围以内，应力应变关系可近似视为线性，则有|（）|（）对于试验中的试样，无法达到无穷大，所以通过试验，无法直接得出，定义破坏比 为（）（）（）（）式（）中：（）为土体破坏时的强度。根据摩尔库伦准则，终值强度可以用土的内摩擦角和土的内聚力表示。因
16、此侧向卸荷条件下有（）（）式（）中：为内聚力；为内摩擦角。由式（）可得（）（）（）侧向卸荷试验中，控制 不变，逐渐减小，因而有。则切线模量可以表达为（）（）（）（）将式（）、式（）、式（）代入式（），得到原状黄土在侧向卸荷条件下的变形模量计算式为（）（）（）（）试验中不同含水率原状黄土在变形模量计算公式中的参数取值如表 所示。表 初始切线模量经验公式参数值 原状黄土含水率 参数 参数.结论通过不同含水率的原状黄土试样在不同固结应力下的侧向卸荷试验，明确了基坑土体在施工时的一些规律，得到了以下对实际工程具有参考价值的结论。（）原状黄土试样在相同主应力差下，含水率越高，轴向应变越大；对于轴向应变最终趋于稳定的初始应力相对较低的土样，含水率越高，最终轴向应变越大。（）不同含水率原状黄土卸荷曲线虽有差异，但均为硬化型曲线；卸荷初期时，随着卸荷量的增加，轴向应变也呈线性规律对应增加，而当卸荷量达到某一值且不再增加时，轴向应变突然大幅度增加甚至破坏。（）提出原状黄土卸荷的临界轴向应变比值，并通过对试验数据的拟合，得到 的指数函数表达式，使用该式可以计算不同含水率原状黄土处于不同固结围压下，侧向卸荷
