基坑开挖卸载过程中考虑应力路径的抗剪强度指标的确定 (1)
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［Key words］ excavation；unloading stat；stress path；triaxial test
1前言
长期以来，深基 坑 工 程 的 土 工 试 验 采 用 传 统 的 “加荷”试 验 方 法，忽 略 了 深 基 坑 工 程 的 特 定 条 件。 深基坑的开挖过程实质上是基坑开挖面及挡墙面水 平方向的卸荷过程，这 一 过 程 使 地 基 土 的 初 始 应 力 状态发生了改变。 有 资 料 表 明，卸 荷 状 态 下 粘 性 土 的工程性质与加 荷 状 态 有 很 大 差 别。 因 此，模 拟 深 基坑开挖卸荷过程，选 择 符 合 深 基 坑 开 挖 过 程 应 力 状态的应力路径试验方法来探讨深基坑开挖土体的 工程特性显得非常 必 要，所 得 符 合 深 基 坑 工 程 实 际 的 本 构 模 型 及 参 数 ，结 合 现 代 设 计 计 算 手 段 ，能 够 使 设 计 结 果 更 可 靠 、准 确 。 因 此 ，卸 荷 路 径 下 土 体 的 强
崔宏环，张立群（ 河北建筑工程学院 土木系，河北 张家口 075024）
［摘 要］ 针对基坑支护设计所采用的抗剪强度指标忽略了开挖卸载这一应力路径造成的影 响，本 文 通 过 三 轴 实 验 以 及
数值计算，探讨分析不同应力路径条件下土体的抗剪强度指标的变化。室内 试 验 与 数 值 计 算 均 表 明 ，应 力 路 径 对 基 坑 的 稳 定
果。
［关键词］ 开挖；卸载；应力路径；三轴实验
［中图分类号］ TU753；TU753. 66
［文献标识码］ A
Characteristic Parameter about the Shear Strength of Soil Considering Different Stress Paths
CUI Hong-huan，ZHANG Li-qun （ Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou 075024，Hebei，China）
DOI:10.13614/ki.11-1962/tu.2011.05.015
第 27 卷第 5 期 2011 年 5 月
［文 章 编 号］1002 -8528 （ 2011 ） 05 -0041 -05
建筑科学
BUILDING SCIENCE
Vol. 27，No. 5 May 2011
基坑开挖卸载过程中 考虑应力路径的抗剪强度指标的确定
γ（ kN / m3 ） wL （ % ） wP （ % ）
3. 1 ～ 7. 4 粉质粘土 16. 77
17. 5
35. 7 24. 1
7. 1 ～ 10 粉质粘土
13. 1
18. 9
26. 3 11. 6
2. 1 取样及实验步骤 用连续压入法 自 浅 而 深 均 匀 取 样，并 确 保 取 土
器 的 内 壁 光 滑 ，无 取 土 器 刃 口 卷 折 、残 缺 等 现 象 。 同 时 ，对 钻 孔 清 孔 、取 土 器 提 升 以 及 土 样 的 卸 出 、装 封 、 储存与运输采取全过程的质量控制。土样在运输过 程 中 力 求 轻 拿 轻 放 ，切 制 试 样 过 程 中 精 心 操 作 ，避 免 涂抹，降低扰动，保 持 试 样 的 结 构 性、均 一 性。 由 于 整个实验持续时间 较 长，取 出 的 原 状 土 样 蜡 封 后 置 于下部存水的磨 砂 口 干 燥 器 中，防 止 水 分 散 失。 试 验试样直径均为 3. 91cm，高 8cm。
第5期
崔 宏 环 ，等 ：基 坑 开 挖 卸 载 过 程 中 考 虑 应 力 路 径 的 抗 剪 强 度 指 标 的 确 定
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应力历史与剪切速 率 等 因 素 的 影 响，其 中 剪 切 速 率 对土的固结不排 水 强 度 影 响 比 较 大。《土 工 试 验 方 法标准》GB / T50123-1999［1］规定：“三 轴 固 结 不 排 水 剪切试 验 的 剪 切 应 变 速 率 粘 土 宜 为 每 分 钟 应 变 0. 05% ～ 0. 1% ，粉 土 为 每 分 钟 应 变 0. 1% ～ 0. 5% ”。根据本试验所 选 原 状 土 样 的 实 际 情 况，为 保证试验数据可靠 和 对 比 明 确，本 试 验 中 对 粘 性 土 采用每分钟 0. 125% 的 剪 切 应 变 速 率，试 验 终 止 的 标准为 土 样 破 坏 或 者 应 变 量 进 行 到 土 样 高 度 的 15% 。
度特性是本文关 注 的 焦 点。 为 此，本 文 从 以 下 两 个 方面进行了研究：
（1） 针对 深 基 坑 开 挖 的 实 际 应 力 状 态，分 析 基 坑周围不同位置土体的应力路径。对相同土体进行 各向等压固结轴向加载三轴压缩试验即常规三轴实 验和等应力比固结 侧 向 卸 载 三 轴 试 验，然 后 进 行 对 比分析。研究两种不同应力路径试验方法得到的抗 剪强度指标的不同之处及其变化规律。
［Abstract］ According to the realistic stress path of deep excavation，general triaxial apparatus of strain control was transformed and the triaxial test conforming to deep excavation characteristics was designed． These tests were done with the saturated soil that was located in the same site and in the different depths of zhangjiakou urban district． The results of these triaxial tests were compared with those of the general triaxial tests． The study indicates that the parameters of shear strength of soil are different in the two types of triaxial tests，and that the different stress path will affect the parameters of shear strength of the saturated soil in Tianjin urban district．
试样采取分级施加固结应力的 K0 固结方式，将 总固结压力分级施 加，直 至 加 到 试 验 计 划 设 定 的 该 试样在 K0 线 上 相 应 的 最 终 固 结 点 （ σrc ，σac ） 为 止。 据经验公式，结合天然固结状态等取 k0 = 1 － sinφ'。
针对基坑 外 侧 土 体 的 侧 向 卸 荷 过 程 的 三 轴 试 验，其卸荷等级一般分 为 3 ～ 6 级，每 级 的 卸 荷 量 根 据围压大小而定。侧向分级卸荷方案见表 2。在侧 向卸荷过程 中，使 排 水 阀 保 持 打 开 状 态，卸 荷 结 束 后 ，关 闭 排 水 阀 在 规 定 的 剪 切 速 率 下 ，进 行 剪 切 至 试 样破环，结束试验。 每 级 荷 载 持 续 的 时 间 视 孔 隙 水 压力的消散变化而定。当孔隙水压力不再发生变化 时，即可卸 除 下 一 级 荷 载。 卸 荷 结 束 后，关 闭 排 水 阀。对试样分别施加不同的围压进行不排水剪切试 验。
与变形有很大影响，目前采用传统三轴加载试验得到的 抗 剪 强 度 指 标 计 算 的 稳 定 系 数 偏 大 ，基 坑 坑 壁 水 平 位 移、内 力 值 均 偏
小，处于相对偏于危险状态。因此，如果忽略了卸荷过 程 对 土 体 抗 剪 强 度 指 标 的 影 响 ，必 将 对 基 坑 支 护 设 计 计 算 造 成 不 良 后
60 ，40，20 90，70 ，50，20 120，100，80 ，60，40 ，20
室内试验的比 较 资 料 表 明，由 于 取 土 扰 动 的 影 响，室内测出的不排 水 强 度 指 标 的 离 散 性 要 比 固 结 不排水强度指标的离散性大得多。根据基坑周围土 体的受力 条 件 及 开 挖 过 程 中 的 应 力 状 态 的 变 化 分 析 ，做 基 坑 设 计 计 算 时 ，以 采 用 固 结 不 排 水 剪 切 强 度 指标较为合适。饱和土的固结不排水试验的抗剪强 度 是 一 个 重 要 的 工 程 指 标 ，它 主 要 受 土 的 扰 动 程 度 、
（2）通过算例进一步说明不同应力路径下所得 到的抗剪强度指 标 区 别 较 大。 因 此，如 果 忽 略 了 卸 荷过程对土体强度 指 标 的 影 响，必 将 对 基 坑 支 护 设 计计算造成不良后果。03 ［作者简介］ 崔宏环（1974 -） ，女，硕士，副教授 ［联系方式］ cuilehan0407 @ sina． com
本次试验所用原状土样取自张家口市某小区小 高层住宅建筑基坑 的 工 地，为 张 家 口 市 代 表 性 的 大 清河一级阶地冲积相粉质粘土。表 1 为该场地土体
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建筑科学
第 27 卷
的基本物理性质指标。
表 1 该场地土体的基本物理性质指标
层厚 （ m）
岩性 名称
天然含水量 天然重度 液限 塑限
（% ）
本文主要研究 基 坑 周 边 主 动 区 土 体 性 质，在 普 通 三 轴 仪 上 进 行 了 该 应 力 路 径 试 验 ，为 了 进 行 比 较 ， 做了 σ1 保持不变 σ3 逐渐 减 小 （ 即 卸 荷 试 验 组 ） ，和 σ1 增加、σ3 保 持 不 变 （ 即 常 规 试 验 组 ） 两 组 对 比 试 验。
表 2 侧向分级卸荷方案
土样 编号 X1 X2 X3
1前言
长期以来，深基 坑 工 程 的 土 工 试 验 采 用 传 统 的 “加荷”试 验 方 法，忽 略 了 深 基 坑 工 程 的 特 定 条 件。 深基坑的开挖过程实质上是基坑开挖面及挡墙面水 平方向的卸荷过程，这 一 过 程 使 地 基 土 的 初 始 应 力 状态发生了改变。 有 资 料 表 明，卸 荷 状 态 下 粘 性 土 的工程性质与加 荷 状 态 有 很 大 差 别。 因 此，模 拟 深 基坑开挖卸荷过程，选 择 符 合 深 基 坑 开 挖 过 程 应 力 状态的应力路径试验方法来探讨深基坑开挖土体的 工程特性显得非常 必 要，所 得 符 合 深 基 坑 工 程 实 际 的 本 构 模 型 及 参 数 ，结 合 现 代 设 计 计 算 手 段 ，能 够 使 设 计 结 果 更 可 靠 、准 确 。 因 此 ，卸 荷 路 径 下 土 体 的 强
崔宏环，张立群（ 河北建筑工程学院 土木系，河北 张家口 075024）
［摘 要］ 针对基坑支护设计所采用的抗剪强度指标忽略了开挖卸载这一应力路径造成的影 响，本 文 通 过 三 轴 实 验 以 及
数值计算，探讨分析不同应力路径条件下土体的抗剪强度指标的变化。室内 试 验 与 数 值 计 算 均 表 明 ，应 力 路 径 对 基 坑 的 稳 定
果。
［关键词］ 开挖；卸载；应力路径；三轴实验
［中图分类号］ TU753；TU753. 66
［文献标识码］ A
Characteristic Parameter about the Shear Strength of Soil Considering Different Stress Paths
CUI Hong-huan，ZHANG Li-qun （ Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou 075024，Hebei，China）
DOI:10.13614/ki.11-1962/tu.2011.05.015
第 27 卷第 5 期 2011 年 5 月
［文 章 编 号］1002 -8528 （ 2011 ） 05 -0041 -05
建筑科学
BUILDING SCIENCE
Vol. 27，No. 5 May 2011
基坑开挖卸载过程中 考虑应力路径的抗剪强度指标的确定
γ（ kN / m3 ） wL （ % ） wP （ % ）
3. 1 ～ 7. 4 粉质粘土 16. 77
17. 5
35. 7 24. 1
7. 1 ～ 10 粉质粘土
13. 1
18. 9
26. 3 11. 6
2. 1 取样及实验步骤 用连续压入法 自 浅 而 深 均 匀 取 样，并 确 保 取 土
器 的 内 壁 光 滑 ，无 取 土 器 刃 口 卷 折 、残 缺 等 现 象 。 同 时 ，对 钻 孔 清 孔 、取 土 器 提 升 以 及 土 样 的 卸 出 、装 封 、 储存与运输采取全过程的质量控制。土样在运输过 程 中 力 求 轻 拿 轻 放 ，切 制 试 样 过 程 中 精 心 操 作 ，避 免 涂抹，降低扰动，保 持 试 样 的 结 构 性、均 一 性。 由 于 整个实验持续时间 较 长，取 出 的 原 状 土 样 蜡 封 后 置 于下部存水的磨 砂 口 干 燥 器 中，防 止 水 分 散 失。 试 验试样直径均为 3. 91cm，高 8cm。
第5期
崔 宏 环 ，等 ：基 坑 开 挖 卸 载 过 程 中 考 虑 应 力 路 径 的 抗 剪 强 度 指 标 的 确 定
43
应力历史与剪切速 率 等 因 素 的 影 响，其 中 剪 切 速 率 对土的固结不排 水 强 度 影 响 比 较 大。《土 工 试 验 方 法标准》GB / T50123-1999［1］规定：“三 轴 固 结 不 排 水 剪切试 验 的 剪 切 应 变 速 率 粘 土 宜 为 每 分 钟 应 变 0. 05% ～ 0. 1% ，粉 土 为 每 分 钟 应 变 0. 1% ～ 0. 5% ”。根据本试验所 选 原 状 土 样 的 实 际 情 况，为 保证试验数据可靠 和 对 比 明 确，本 试 验 中 对 粘 性 土 采用每分钟 0. 125% 的 剪 切 应 变 速 率，试 验 终 止 的 标准为 土 样 破 坏 或 者 应 变 量 进 行 到 土 样 高 度 的 15% 。
度特性是本文关 注 的 焦 点。 为 此，本 文 从 以 下 两 个 方面进行了研究：
（1） 针对 深 基 坑 开 挖 的 实 际 应 力 状 态，分 析 基 坑周围不同位置土体的应力路径。对相同土体进行 各向等压固结轴向加载三轴压缩试验即常规三轴实 验和等应力比固结 侧 向 卸 载 三 轴 试 验，然 后 进 行 对 比分析。研究两种不同应力路径试验方法得到的抗 剪强度指标的不同之处及其变化规律。
［Abstract］ According to the realistic stress path of deep excavation，general triaxial apparatus of strain control was transformed and the triaxial test conforming to deep excavation characteristics was designed． These tests were done with the saturated soil that was located in the same site and in the different depths of zhangjiakou urban district． The results of these triaxial tests were compared with those of the general triaxial tests． The study indicates that the parameters of shear strength of soil are different in the two types of triaxial tests，and that the different stress path will affect the parameters of shear strength of the saturated soil in Tianjin urban district．
试样采取分级施加固结应力的 K0 固结方式，将 总固结压力分级施 加，直 至 加 到 试 验 计 划 设 定 的 该 试样在 K0 线 上 相 应 的 最 终 固 结 点 （ σrc ，σac ） 为 止。 据经验公式，结合天然固结状态等取 k0 = 1 － sinφ'。
针对基坑 外 侧 土 体 的 侧 向 卸 荷 过 程 的 三 轴 试 验，其卸荷等级一般分 为 3 ～ 6 级，每 级 的 卸 荷 量 根 据围压大小而定。侧向分级卸荷方案见表 2。在侧 向卸荷过程 中，使 排 水 阀 保 持 打 开 状 态，卸 荷 结 束 后 ，关 闭 排 水 阀 在 规 定 的 剪 切 速 率 下 ，进 行 剪 切 至 试 样破环，结束试验。 每 级 荷 载 持 续 的 时 间 视 孔 隙 水 压力的消散变化而定。当孔隙水压力不再发生变化 时，即可卸 除 下 一 级 荷 载。 卸 荷 结 束 后，关 闭 排 水 阀。对试样分别施加不同的围压进行不排水剪切试 验。
与变形有很大影响，目前采用传统三轴加载试验得到的 抗 剪 强 度 指 标 计 算 的 稳 定 系 数 偏 大 ，基 坑 坑 壁 水 平 位 移、内 力 值 均 偏
小，处于相对偏于危险状态。因此，如果忽略了卸荷过 程 对 土 体 抗 剪 强 度 指 标 的 影 响 ，必 将 对 基 坑 支 护 设 计 计 算 造 成 不 良 后
60 ，40，20 90，70 ，50，20 120，100，80 ，60，40 ，20
室内试验的比 较 资 料 表 明，由 于 取 土 扰 动 的 影 响，室内测出的不排 水 强 度 指 标 的 离 散 性 要 比 固 结 不排水强度指标的离散性大得多。根据基坑周围土 体的受力 条 件 及 开 挖 过 程 中 的 应 力 状 态 的 变 化 分 析 ，做 基 坑 设 计 计 算 时 ，以 采 用 固 结 不 排 水 剪 切 强 度 指标较为合适。饱和土的固结不排水试验的抗剪强 度 是 一 个 重 要 的 工 程 指 标 ，它 主 要 受 土 的 扰 动 程 度 、
（2）通过算例进一步说明不同应力路径下所得 到的抗剪强度指 标 区 别 较 大。 因 此，如 果 忽 略 了 卸 荷过程对土体强度 指 标 的 影 响，必 将 对 基 坑 支 护 设 计计算造成不良后果。03 ［作者简介］ 崔宏环（1974 -） ，女，硕士，副教授 ［联系方式］ cuilehan0407 @ sina． com
本次试验所用原状土样取自张家口市某小区小 高层住宅建筑基坑 的 工 地，为 张 家 口 市 代 表 性 的 大 清河一级阶地冲积相粉质粘土。表 1 为该场地土体
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的基本物理性质指标。
表 1 该场地土体的基本物理性质指标
层厚 （ m）
岩性 名称
天然含水量 天然重度 液限 塑限
（% ）
本文主要研究 基 坑 周 边 主 动 区 土 体 性 质，在 普 通 三 轴 仪 上 进 行 了 该 应 力 路 径 试 验 ，为 了 进 行 比 较 ， 做了 σ1 保持不变 σ3 逐渐 减 小 （ 即 卸 荷 试 验 组 ） ，和 σ1 增加、σ3 保 持 不 变 （ 即 常 规 试 验 组 ） 两 组 对 比 试 验。
表 2 侧向分级卸荷方案
土样 编号 X1 X2 X3
