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岩土工程界 第11卷 第1期检测与分析 〔 收稿日期 〕 2007 - 8 - 02 粉土的破坏方式浅探 吴保全 1, 2 李天斌 1 1. 成都理工大学环境与土木工程学院 2.河南省诚城岩土工程有限公司 摘 要 保持小主应力和中主应力相等,在大主应力方向加荷是地基工作的普遍应力路径。该路径下分 别对粉土实施几组静载荷试验和观察数十根静压桩工程中粉土的侧向变形现象。针对资料和结 果,对其应力应变关系及反映侧向变形变化规律进行特定条件的研究。研究表明,粉土在特定的 应力路径下排水剪切,大主应力方向首先压缩,中小主应力方向膨胀,之后大主应力方向塑性流 动,是土力学中未曾研究的现象和结果。 关键词 粉土 应力路径 应力应变关系 在人为工程因素作用下,由于工程土体的边界 条件繁杂,土体发生各种复杂的变化,例如压缩、 蠕 变、 沉降、 流变、 破损等,因此,通过室内试验、 原位测 试、 实例观测分析和重现这些变化过程是一个重要 的研究课题。但是,实际工程中的相同力学属性的 土体形状分布空间大,要在实验室中按土体的原型 来模拟和重现其破坏演化过程几乎是不可能的,所 以通常根据土体性质或应力状态或力学机理或它们 的组合,按照一定规则、 按比例缩小制成模型,在设 定的物理和化学环境中,研究模型的破坏演化过程, 研究模型在外荷载作用下的变化过程,多以其外形 尺寸变化来分析土体的应力与应变规律,并以此建 立相应的本构关系。但是,营建模型的边界条件存 在一些问题,如周边装置的材质与原状土不一致、 施 加荷载的方式和时间与实际工程不同、 模型物质组 成的岩性单一、 模型的内部构成与原状土有区别、 未 考虑土体散粒性、 尺寸小、 人为影响因素等,一般很 难观察到土体内部的破坏变化,若要观察其变化整 个过程则更困难。 常规的静载荷试验虽然修正试验室的模型的部 分边界条件,接近土体局部自然状态,原位测试的仪 器尺寸虽比室内试验仪器的尺寸大许多,但观测土 体的破坏深度仅限于仪器尺寸一倍的深度内,且更 深部土体的破坏特性很难获取,土体中破坏面的确 定仍然停留在推测水平上。为了测定土中破坏面和 破坏后地基土的状态,第一,选择适当的场地土体, 实施非传统、 破坏性的静载荷试验,观测地基土的破 坏面分布状况和破坏后地基土应变规律;第二,通过 静压桩基础的基坑开挖,观测到桩周深层粉土破坏 现象和分布状态。 本文综合破坏性静载荷试验和静压桩后对土体 开挖观测资料,尤其是在小、 中主应力不变或相对变 化较小即Δ σ2Δ σ3≈0、 大主应力持续增加,即 Δ σ 1 cc恒定值时,在郑州地区粉土互层状地基土 中,揭示出土体的破坏特性不同于传统土力学理论 之处。 1 试验和实例观察的对象 为观测土的破坏面和破坏后的状态,选定郑州 地区经常出现的两个典型土层剖面作为研究对象。 第一个剖面表1 地基土多为薄层、 新近沉积 的粉土、 粉质粘土、 粉细砂,各个土层的颜色均不相 同,同一土层的力学性质相对均匀,局部存在极薄的 夹层。水位埋深115m,为局部潜水。 第二个剖面表2 土层多为薄层、 互层状的粉 土、 粉细砂,单元土层相对均匀,粉土的粘粒含量相 对较少。地下水位埋深218m,为上部潜水。 2 试验、 观察的方式 211 静载荷试验场地处理、 设备、 观测方式 试验坑的宽度大于承压板宽度的3倍,实际宽 度大于615m。承压板高程与天然地基土表面高程 相等,并保持地基土原状结构和天然湿度。地基土 平整度保证承压板与地基土均匀接触。区别于通常 载荷试验起见,承压板面积为2m 2 的正方形钢板, 钢板的单边尺寸1414mm,厚度60mm,防止挠曲发 生,在其上覆1m 2 圆形、 厚度60mm的钢板。采用 JCQ - 503静力载荷测试仪,具有自动判稳、 定时自 54 检测与分析GEOTECHN I CAL ENGI NEER I NG WORLD VOL. 11 No. 1 表1 鑫子地基土物理力学指标 层号h地层名称颜色w / re l1Ipc直φ直Cuφufka1 - 2E1 - 2 10190粉土黄褐2412201201654019461811301145261511001121217 22110粉质粘土灰黑29131914018180178131616131420410800142416 32103粉土灰黄2419201101677018971615301450331513501111411 41116粉质粘土灰黑26161917017261100101511211110410800125318 51163粉土灰2611201001701018681414321610291011501111312 61123粉质粘土灰黑251419130175501581416271314631512001433149 71156粉土灰2612191601759017791933111430111017001171119 81135粉质粘土灰黑331218180194801771518271519204171000140414 93115粉土灰22192013016380174817212619138101800114816 101211细砂灰黄30001083510 参数单位h 土层厚度m ,rkNm - 3, c直kPa ,φ直 , a1 - 2MPa- 1,E1 - 2MPa ,fk 土承载力标准值, kPa, 表2 土层物理力学参数 层号土名hw / re wlIPc直φ直cuφua1 - 2E1 - 2fk 1粉土1161718201001692113719116191211824110116612126 2粉细纱118191520150167201061701121519135 3粉土2122014191501682119811110201021026100119810130 4粉土21619182015015822198115102710410251001131316200 5粉细纱3162016201401582103310010311801091811240 6粉土1181917201601562115617310311531033100108171025 参数单位h 土层厚度m ,rkNm - 3, c直kPa ,φ直 , a1 - 2MPa- 1,E1 - 2MPa ,fk 土承载力标准值, kPa, 动测读、 记忆、 打印或输出原始数据和曲线等功能。 用以向承压板施加垂直荷载为5000kN液压千斤 顶。灵敏度高、 线性好、 分辨率高、5000kN的轮辐式 测力传感器量测千斤顶施加荷载的大小;为了保证 压板沉降测试精度,使用具有漂移低、 抗干扰能力 强、 大量程的容栅式位移传感器4只,安装在载荷板 上,量测载荷板在荷载作用下的垂直位移。 土力学是一门实践性很强的学科,它的发展与 土工试验测试技术的发展密切相关。为充分揭示粉 土等破坏特性,试验依据 建筑地基基础设计规范 附录的规定实施,并综合参考场地粉土破坏荷载值 的大小估算试验目标粉土等的极限承载力值,确定 总的荷载数值为破坏值的两倍以上。加荷采用分级 稳定的方式。地基土破坏、 承压板下沉一定深度后, 持续分级增加荷载,观察破坏过程中承压板周边一 倍承压板直径周围地基土的具体行为。 实验结束,沿着承压板相互垂直的直径的两个 方向对地基土进行开挖探槽,探槽采用人工开挖,观 测地基土的破坏状况,比较开挖剖面上原状、 压板 下、 压板周边等土的破坏状态。 212 静压桩过程中桩周和桩端土破坏方式 足尺寸的原型实验是土工试验中最高规格的试 验,尤其是地基土纵深方向的破坏结果的观察是现 在土力学试验缺失的内容。但是,由于任何工程均 不可能进行破坏试验,依靠预埋的测试仪器对于纵 深方向测试,也因为测试仪器的局限性,不能够获取 全面资料和数据。现在,众多的基础理论均建立在 这些有局限性的测试资料、 数据、 推测破坏面上,纷 繁复杂的力学模型和本构关系就是如此。 一个偶然机会,即在第一剖面的工程条件下,场 地在第一层粉土面上进行静压桩施工。施工后的楼 号开挖,开挖深度916m。静压桩的根数为671。因 为有46静压桩的承载力不满足设计标准,为探讨 其中的原因,对施工现场进行踏勘,基坑开挖到设计 深度后,桩周平面处地基土中出现颜色迥然有别原 位黑灰色粉质粘土的泥皮环,紧贴桩体的泥皮环为 褐黄色粉土等,分布均匀,而且在等高度的地基土中 平面内,每一根桩的桩周均存在此环。 那么泥皮环在其他土层中是否存在呢为此, 对每个楼号的桩的施工和开挖制定如下观察方式 1静压桩施工入土过程; 2基坑开挖时,分层开挖桩身周边地基土; 3观测泥皮环特性及组成。 3 试验、 观察的结果 图1为6组中的5组静载荷试验开挖观测结 果,探槽垂于承压板,开挖深度3m。图中abcfg范围 为剪切破坏的地基土体, ac为剪切破坏面, cdef面 64 岩土工程界 第11卷 第1期检测与分析 图1 静载荷试验及开挖剖面 左侧为压缩土体,压缩体呈现中间部位中鼓状的梯 形,梯形底部压缩边线为近弧线, e点处深度最大。 另外一组试验由于地基土的不均匀,在荷载未 达350kPa,试验装置侧向倾斜,压板下的地基土在 图1中的c、f范围挤出承压板,挤出点为c和f。 图2为126根桩分层开挖的桩及桩周土的截面 图,开挖深度达916m。桩的每个截面中,围绕桩均 有不同颜色的泥皮环。 图2 桩体分层开挖平面 泥皮环的外侧呈园齿状,其均可拟合为与桩同 心的园,同心圆直径大小与桩周边的土层力学性质 有关而与压桩时的荷载大小无关。 泥皮环的外部分布着原状地基土,原状土中没 有剪切破坏面的分布,即,没有传统理论中假设的破 坏面。泥皮环在垂直方向的分布为宽度不相同,即 不同土层中的环的宽度不相同。 泥皮环中土体的含水量大于周边地基土,为软 塑状。静压桩入土时,土的初始破坏状态与静载荷 试验坑的垂直观测结果相同。 4 试验和观察结果的分析 411 静载荷试验 试验中,荷载p≤100kPa之前,承压板的沉降总 量s很小, s 0145mm,并且能够很快达到稳定,一 般情况是在60min内达到稳定。承压板与原状土间 没有破坏变形的迹象。 p275kPa,压板的s 4160mm,△s 4115mm, 稳定时间同上。承压板的原状土出现微剪切裂缝, 裂缝的倾斜面与承压板平面的夹角为 45 φ / 2 因此这一结果符合Mohr - Columb破坏理论,即最 大主应力和最小主应力方向的夹角。探槽开挖揭 示剪切裂缝的垂向延伸深度不大于f点。 p 300kPa,压 板 的s 35150mm,△s 30190mm,稳定时间90min。承压板边缘极微隆起, 隆起过程中,剪切裂缝开始闭合,g点的局部改变为 微张裂缝。 p 350kPa,压 板 的s 79180mm,△s 44130mm,稳定时间180min。承压板边缘的地基土 隆起,隆起最高点g的高度3010mm,隆起部分的宽 度 f 点外侧 41 10mm, g点的张裂缝宽度加大。 p 400kPa,压 板 的s 131170mm,△s 51190mm,稳定时间240min。承压板边缘的地基土 隆起,隆起最高点g的高度8210mm,隆起部分的宽 度 f 点外侧 45 10mm, g点有张裂缝宽度达到 1510mm。 p 450kPa,压 板 的s 266180mm,△s 133110mm,稳定时间360min。承压板边缘地基土 隆起急骤,隆起最高点g的高度13910mm,隆起部分 的宽度 f 点外侧 48 10mm, g点处张裂缝宽度达到 2010～3010mm,且裂缝条数增加, g点的高度虽然 增加, a与g点间的水平距离增大。 实验坑开挖揭示 b、f两点间的水平距离为2010mm～4110mm。 在粉土层的顶部为4110mm,往下,则为20100～ 30100mm。 破坏土体位于a、b、c点连线上, b、c点连线是 一条随着承压板下沉而变化的曲线,空间分布为一 个曲面;随着承压板的垂直沉降,曲面持续下降。c 和f点在二组实验坑中是相同的一个点,但是,在另 外四组实验坑中c和f点不是相同的一个点,有一 定距离。 压缩体的密实度高于原状土,密实度呈现垂直 向的梯度分布,越接近承压板的压缩土体,其密实度 越高,向下则越接近原状土的密度。压缩体底部近 弧形分布,其中心点距离承压板中心最短。 破坏土体为软 ～ 可塑状的粉土,侧向原状土均 匀时,其对称的分布在承压板周边;侧向原状土不均 匀时,分布不对称,接近c和f点时,破坏土体为软 塑状,离开两点一定距离时,为可塑状。 412 静压桩桩周的泥皮环 静压桩初始压入一定深度的、 第一层黄褐色的 粉土的破坏现象与静载荷试验坑开挖的现象完全相 下转第56页 74 地下工程GEOTECHN I CAL ENGI NEER I NG WORLD VOL. 11 No. 1 于古河道在南京市浅层地下水循环中处于主导地 位,这种影响使区域地下水流场发生改变,降低古河 道“ 流域 ” 地下水的循环代谢,加剧地下水的污染。 根据张宋祜等人的研究结果 [7] ,深层地下水的开采 量中35119的水量来自上层越流补给,浅层地下 水污染的加剧还将对深层地下水产生影响,为城市 未来的发展提出了新的环境问题。 相比而言,地铁工程施工期间对地下水环境产 生的影响是局部范围内的,在一个较长的时间内是 能够得到缓解的,而地铁工程在运营中对地下水环 境的影响则是大范围的,在时间上有明显的“ 滞后 性 ”,并且这种影响具有“ 累积效应 ” 。 4 结论和建议 综上所述,地下水因地铁的修建被打破了原有 的平衡,地铁在施工期和营运期不仅会引起地面不 均匀沉降,影响邻近建筑物的稳定性,而且还会改变 地下水质、 造成一定的污染,使地下水径流系统发生 变化。为了减轻地铁建设对于地下水环境的不良影 响,应查清地下水的现状,寻找地下水的变化规律, 使水文地质勘测深度与渗流分析理论相匹配。在地 铁隧道的初步设计阶段,就要基本查清隧道地下水 的补给、 径流、 排泄条件以及地下水的分布、 运动规 律、 变化趋势,提出数值计算分析所需的水文地质 参数。应加强地下水勘探技术研究和经费投入,提 高勘探和分析精度,达到既经济又安全的目的,减少 隧道病害的发生,保障隧道的长期稳定与安全。 参考文献 [1 ] 高大钊.岩土工程的回顾与前瞻[M ].北京人民交通出版社, 2001. 1 - 1. [2 ] 冯国栋译 . 太沙基为岩土技术创刊1938所写的前言[J ]. 土工基础, 19996 3 - 8. [3 ] 张有天,张武功.隧洞水荷载的静力计算[ J ].水利学报, 1980, 3. [4 ] 梁尧篪.水工隧洞中的渗透动水压力[ J ].岩土工程学报, 1984, 1. [5 ] In - Mo Lee, Seok - Woo Nam. The study of seepage forces acting on the tunnel lining and tunnel face in shallow tunnels[J ].Tun2 nelling and Underground Space Technology, 2001 16 31 - 40. [6 ] 许 劼,王国权,李晓昭.城市地下空间开发对地下水环境 影响的初步研究[J ].工程地质学报, 1999, 1. [7 ] 张宗祜,施德鸿,沈照理,等.人类活动影响下华北平原地下水 环境的演化与发展[J ].地球学报, 1997, 184 337 - 3441. 第一作者通讯地址南京市东南大学成园研究生公寓一舍 605 邮编 210096 上接第47页 同。分层开挖的结果显示泥皮环分布在桩周,灰色 或回黑色的粉质粘土层中分布着黄褐色 ～ 灰黄色的 可塑 ～ 流塑状粉土环,环的宽度视粉质粘土层塑性 状态确定。流塑状的粉质粘土中,环的宽度为可塑 状粉质粘土中的一倍,即宽度46mm,塑性状粉 质粘土中环的宽度为21mm 。环外侧比较光滑, 环外的原状地基土中没有剪切带和破坏面分布。粉 土中分布着粉质粘土的泥皮环,环的宽度同样视粉 土层的密实度而有不同的变化,密实度越大,环的宽 度越小,反之,则异。环的颜色多为灰色 ～ 灰黑色。 环的外侧锯齿状明显。环的宽度17～30mm。环的 外侧原状土中没有剪切带和破坏面出现。桩的端部 下地基土完全被压缩,压缩后的形状与静载荷试验 中承压板下的压缩土体的形状完全相同。也与室内 试验样变形结果完全相同 [1、2 ]。 不同的是压缩土体中没有传统理论假设的破坏 面存在,桩端同样存在一个中鼓、 压密实的梯形土 体。梯形土体随着桩身下沉过程而不断地被挤出桩 周。 5 结论 1传统的极限承载力理论中,地基土土体的 力学属性被人们假设刚性-理想弹性体。在破坏状 态时,一部分地基土沿着一条稳定的滑动面移动破 坏,并且破坏面上的抗剪强度的变化是完全均匀的, 破坏面是双螺旋状,忽略了与实际观测结果的差异。 2传统认为地基土体破坏的标志是双螺旋滑 动面的四个基点同时处于破坏的状态。即为基础底 部的三角体加上相邻的三角体同时失稳。忽略了土 的散粒破坏特性即局部破的特点。 参考文献 [1 ] 施 斌,姜洪涛,等.在外力作用下土体内部裂隙发育过程的 CT研究3[J ].岩土工程学报, 20005 537 - 540. [2 ] 王靖涛,曹红林,丁美英,等.基于数码相机的土三轴式样变形 的数字图像测量[J ].华中科技大学学报城市科学版 , 2004 2 1 - 4. 第一作者通讯地址郑州市经七路15号院3号楼58号 邮 编 450002 65