侧向卸荷应力路径试验与数值模拟研究
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摘 要：为了对比分析轴向加荷与侧向卸荷应力路径对土体变形特性的影响，本文利用英国进口的GDS应力路径三轴仪对土体进行了轴向加荷排水剪切试验与侧向卸荷排水剪切试验，并利用两种试验得到的参数进行有限元数值计算，将计算结果与实测结果进行对比分析，得到侧向卸荷与轴向加荷各自应力-应变曲线的初始切线模量及有限元计算结果之间的关系。
关键词：侧向卸荷 应力路径 应力-应变关系 有限元
中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0036-02
在基坑开挖过程中，土体单元应力路径会随着土体应力场的改变而改变，起初人们这一问题有不同的观点，一些学者[1]认为土体中存在加荷的现象，但有些学者认为土体均处于卸荷状态[2-3]。目前，已经有比较统一的观点[4]认为围护结构后侧的土体主要是侧向卸荷，而基坑底部的土体主要为轴向加荷。早期，人们对应力路径的试验主要是采用普通三轴仪进行的[5-6]，后期随着试验仪器的更新许多学者采用真三轴仪进行应力路径试验[7-8]。本文利用GDS应力路径三轴仪[9-10]对土体进行轴向加荷与侧向卸荷两种应力路径试验，更加严谨的对侧向卸荷条件下土体的强度及变形特性进行研究。文中利用加荷与卸荷试验得到的参数进行有限元计算，分析支护结构的变形并与工程实测数据进行比较，进而更加直观的比较应力路径对土体变形特性的影响。
1 试验方案与结果分析
1.1 试验土样
本次试验采用扰动试样，土样为取自苏州工业园区星海街站地下车库项目的基坑工程附近的典型粘土与粉质粘土。土样的物理力学性质指标见表1。土样大小为39.1m×80m。
1.2 试验设计
1.2.1 固结方案
轴向加荷试验采用等向排水固结，A组的围压为50、100、200kPa，B组的围压为100、150、200kPa。侧向卸荷试验采用偏压排水固结，A、B两组的偏压应力比分别为K=0.48、K=0.51。A组的固结压力终值为50、100、200kPa，B组的固结压力终值为100、150、200kPa。
1.2.2 剪切方案
采用应变控制的排水剪切过程，轴向加荷试验剪切速率为0.0048mm/min，侧向卸荷試验卸荷速率为10kPa/h。
1.3 试验结果分析
1.3.1 不同应力路径土体的应力-应变关系
由图1可知，两种土样在不同固结压力下的应力-应变曲线均为非线性的上升曲线，应力随应变的增加而增加呈加工硬化型;同一应力路径下，土体的切线模量及极限强度随围压的增加而增加;在试验中，土体的破坏条件均为轴向应变达到15%，说明本次试验中土体的变形能力都比较大。
侧向卸荷应力路径下，初始切线模量普遍大于常规三轴试验得到的初始切线模量;当应变值很小时，应力-应变关系曲线进入塑性流动状态，并且随固结压力的减小，土地进入塑性状态的应变值越小。
由实验结果可知，在实际工程中，实测的围护墙后主动区土体压力值在侧向应变较小的情况下，其大小就接近主动土压力值，从而说明基坑围护结构的水平位移决定着基坑周围上部土体的破坏程度;在围压相同的情况下，土体经过侧向卸荷应力路径后，其达到剪切破坏状态时的剪应力明显小于常规三轴加荷试验的破坏剪应力值。这说明，侧向卸荷过程降低了土体抵抗剪切破坏的能力。
1.3.2 不同应力路径下的抗剪强度
本实验中采用的破坏准则为应变超过极限应变（15%）而破坏，图2为不同应力路径下土体的强度包线。由图分析可知，粘土与粉质粘土两种土样，在常规三轴加荷与侧向卸荷两种应力路径下得到的强度指标相近，所以，可以利用常规三轴试验所得的强度指标来代替侧向卸荷应力路径下的强度指标。
2 数值计算
利用加荷试验结果获得的参数采用邓肯-张模型建立模型，在基坑开挖过程中，基坑已经降水充分，不考虑非饱和土性质和渗流场对土体的影响，采用湿重度，进行二维有限元模拟。
由图3可得：（1）侧向卸荷的计算结果与加荷的计算结果的规律是相同的，且侧向卸荷的计算结果小于加荷的计算结果，两种计算结果均大于实测结果;（2）开挖结束后墙体的最大变形出现在13m处。计算结果的最大位移出也出现在这附近;（3）计算结果与实测结果的最大值相近，侧向卸荷条件下的计算结果更贴近于实测结果。
由此可知应力路径对土体的变形特性具有一定的影响，在实际工程中，应尽可能的采用与工程实际应力路径相符的试验得到土体的参数进行设计，减少工程造价。
3 结语
（1）两种土样在不同固结压力下的应力-应变曲线均为非线性的上升曲线，应力随应变的增加而增加呈加工硬化型;卸荷应力路径下土样在应变很小的时候就进入了塑性流动状态。
（2）对于抗剪强度指标：粘土与粉质粘土两种土样，在常规三轴加荷与侧向卸荷两种应力路径下得到的强度指标相近。
（3）利用侧向卸荷试验结果得到的支护结构变形更加贴近于实测数据，利用其进行设计可以更加节省材料，减小工程造价。
参考文献
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[10]孔鲁霞.考虑开挖卸荷影响的基坑变形特性研究[D].东南大学，2017.
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