周秋娟

(广东水利电力职业技术学院市政工程系，广州 510635)

在岩土工程中，土体的变形和强度特性关系到工程的稳定与安全性问题，是学者的研究重点。目前，针对加荷下土体的变形与强度特性研究颇为成熟［1－3］，而对开挖卸荷下土体的变形与强度特性研究的稍为欠缺［4－5］，尤其是针对软土。随着沿海沿江城市的发展，软土开挖卸荷工程(如深基坑、地铁隧道等)逐渐增多，用常规的土工加荷试验得到的土工参数进行开挖工程的数值模拟已越来越不能满足工程的需要，因此本文根据现有的研究现状与实际工程的需要进行了软土的卸荷变形、强度特性研究，重点探讨了软土的卸荷强度及卸荷模量。

1 土体卸荷强度试验方法探讨

根据文献资料［4－9］，土体的卸荷强度试验大致有3种方法，下面进行简单介绍并分析:

(1)三轴轴向卸载(拉伸)试验［5－7］，得到结论为:轴向卸载时的抗剪强度要比轴向加载时(常规三轴剪切试验)的抗剪强度小，但是卸载下的强度参数c和φ比加载下的c和φ值稍大些，学者的解释是橡皮膜的作用。该试验在轴向卸载时，对土体进行了拉伸，使轴向应力小于侧向应力，这使得土体的大小主应力方向发生了改变，在这种情况下，用常规方法求c和φ值是有不妥之处的;且在实际工程中，土体是不允许承受拉力的，因此在研究卸荷土体的强度上该试验有欠缺之处。

(2)预压卸荷后直接剪切试验［8－9］，得到结论为:在相同的竖向荷载下，土样卸荷后的强度大于常规加荷下的强度。该试验通常是先对土样进行预压，然后逐级卸荷后再进行剪切。显然，由于土样受到的历史最大荷载大于剪切时的荷载，此时土体强度势必会大于常规加荷下同等竖向荷载时的强度。因此，该试验得到的强度不能与常规直剪强度进行比较，但在卸荷后土体的强度特性研究上是比较合理的。

(3)三轴侧向卸荷剪切试验［4］，得到的结论为:三轴侧向卸荷剪切试验得到的强度小于常规三轴剪切试验下的强度，但强度参数大致相同。由于在数值计算中一般采用的是强度参数，实际工程中卸荷后土体的强度将减小，因此该试验获得的强度参数在实际应用中有不合理之处，但在分析侧向卸荷后土体的强度变化上是可取的。

以上土体卸荷强度试验得到的抗剪强度参数与常规加荷下得到强度参数进行比较时均有不足之处，主要原因是2种试验的剪切方法不同或是试验的起点不同。本文综合前人的研究，考虑土体的初始固结状态以及卸荷过程，重新设计了土体卸荷强度试验:先对土体进行k0固结，然后沿固结路径进行卸荷，卸荷完成后再进行常规三轴剪切试验;而与之对比的加荷强度试验则先对土体进行k0固结，然后进行常规三轴剪切试验。

2 基本试验方案

通过对软土卸荷抗剪强度试验方法的探讨，本文采用广东典型原状饱和软土，进行了不同卸荷方法下的卸荷强度试验。土样的物理指标如表1所示，具体的试验方案如表2所示，应力路径如图1所示。

图1 应力路径示意图Fig.1 Schematic of stress paths

3 试验成果分析

3.1 卸荷抗剪强度指标

通过不同卸荷抗剪强度试验得到不同卸荷抗剪强度指标如图2所示，并将强度指标汇总于表3。

图2 不同试验方法得到的摩尔包线Fig.2 Mohr’s envelopes obtained from different tests

从表3可以看出试验方法对抗剪强度指标有较大影响。将 ICU与 DCU，IKCU与 DKCU，IGK与DGK进行比较可知，相同的试验模式下，卸荷下的内摩擦角及有效内摩擦角均小于加荷下的内摩擦角及有效内摩擦角，除ICU与DCU的内摩擦角情况例外。这是由于DCU是侧向卸荷，莫尔圆是往原点方向移动的，因此使得虽然卸荷下的抗剪强度较小，反而得到的强度指标较大;但由于卸荷产生负孔压，这又使得卸荷下的有效抗剪强度指标小于加荷下的有效抗剪强度指标，这与实际工程中卸荷下土体的稳定性较差相一致。因此，在工程实践中，卸荷开挖采用加荷(ICU，IKCU，IGK)下的强度指标进行稳定分析将使得工程偏于不安全。

表1 土样的物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical properties of soil sample

表2 软土卸荷抗剪强度试验方案Table 2 Schemes of test on the unloading shear strength of soft soil

表3 不同试验方法下的抗剪强度指标Table 3 Shear strength parameters in different tests

进一步比较3种不同卸荷(DCU，DKCU，DGK)方式下的强度指标可以发现，φ(DKCU)＜φ(DGK)＜φ(DCU)。实际基坑开挖工程中，DCU的试验方式更符合实际工程，但DCU试验需采用应力控制式三轴仪，对仪器要求较高，且试验过程较为复杂、难度较高，而相同固结压力下DKCU试验得到的峰值强度较大，因此，采用DGK代替DCU得到抗剪强度指标较为合适，且DGK试验也较为简单。

此外，相同的试验模式下，卸荷下的黏聚力小于加荷下的黏聚力，这主要是由于卸荷土体类似于超固结土，因此黏聚力大于正常固结土。

3.2 应力应变曲线

图3为不同试验方法下的应力应变曲线。从图中可以看出，不论是何种试验方法，变形曲线均为加工硬化型。加卸荷下应力应变曲线受试验方法的不同而不同，但是不论试验方式如何改变，土体的应力应变关系曲线均为双曲线形式。从图中还可以看出在相同的围压下，卸荷下的强度比相应加荷下的强度小。

图3 应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves

3.3 初始切线加/卸荷模量

在数值计算中，加/卸荷模量是土体本构模型参数中的重要参数，部分学者对此进行了相关研究［4，10－11］。表4 给出了本文得到的不同加/卸荷强度试验下初始切线加/卸荷模量，将其汇成图4所示。从图4中可以看出，初始加/卸荷模量与平均固结压力成线性关系，图中给出了相应的关系式。

表4 初始切线加/卸荷模量成果表Table 4 Results of initial tangential loading/unloading modulus

图4 初始加/卸荷模量与平均固结压力关系曲线Fig.4 Curves of initial loading/unloading modulus versus average consolidation pressure

从表4中可以看出，Eui(DCU)＜Eui(ICU)，Eui(DKCU)＜Eui(IKCU)，说明在相同的荷载增/减量下，软土卸荷变形将大于加荷变形，使土体在卸荷下强度变小，更容易受到破坏，这与实际工程中软土在不排水情况下进行开挖卸荷时很容易发生滑坡、破坏等现象相符。同时也指出，用加荷下的加荷模量来代替卸荷下的卸荷模量将会使得工程偏于危险。

4 结论

(1)不同试验方式下，土样卸荷后的抗剪强度指标都低于加荷下的抗剪强度指标;对基坑工程而言，采用DCU(侧向卸荷三轴试验)更符合实际情况，鉴于该试验方法较难，可采用DGK(先预压固结后卸荷至不同固结压力再进行快剪试验)得到的指标来代替。

(2)卸荷状态下土体应力应变曲线仍为双曲线形式，且曲线为加工硬化型;在相同的围压下，卸荷强度小于加荷强度。

(3)初始切线卸荷模量小于初始切线加荷模量，即用加荷下的加荷模量来代替卸荷下的卸荷模量将会使得工程偏于危险。

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