上海软土小应变刚度的高精度试验研究

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1、160科技研究城市道桥与防洪2012年3月第3期l卜▲海软土小应变刚度的高精度试验研究汪中卫(上海市政工程勘察设计有限公司，上海市200092)摘要：通过对土体小应变研究这一热点问题进行了简要的概述，指出土体小应变特性对岩土工程的重要性。通过高精度的三轴试验装置，完整地测试了上海软粘土在典型应力路径条件下的土体小应变刚度曲线，表明上海软土具有明显的小应变特性。其研究意义在于为上海等软土地区城市地铁基坑、隧道工程和桩基工程的变形分析参数的进一步合理选取提供了一定依据。关键词：小应变；刚度；上海软土中图分类号：TU447文献标识码：A文章

2、编号：1009—7716(2012)03—0160—03为土体应变量在l％以内时其应力应变关系为线0前言弹性，把常规试验得到的物理力学指标应用于对Atkinson(1991)将土体应变范围划分为三个小应变条件下的岩土工程的设计与计算，其取值区域，在非常小应变区域，其刚度不随应变而变存在着明显的不合理性。主要表现为土体在小应化，而保持为常数，其应变控制量级约为0．001％，变情况下的变形计算指标(杨氏模量或剪切模量)在小应变区(0．001％～0．1％)其刚度随应变迅速衰比其实际值低一个数量级，土体的线弹性范围被减，可以在12个数量级左右

3、；在大应变区域，其明显夸大。另外一方面，现有的本构模型不能考虑刚度相对较小，其随应变的衰减程度明显变小。对表达应力路径方向的突然变化对土体的刚度变化土体在小应变条件下刚度规律的研究对岩土工程的影响，在状态边界面里的土体的应力应变行为问题而言是非常重要的，因为在结构周围(如地铁的线弹性假定几乎被应用在所有的岩土工程问题深基坑、盾构隧道、刚性基础、桩基础)的土体应变当中。范围主要位于0．001％～0．5％。因此0．1％量级的应1试验进展变水平符合许多岩土工程的典型应变，不同的岩土工程条件下土体典型的应变范围见图1。在室内试验方面，应力路径

4、三轴仪以及静力和动力刚度测试设备的革命使得精确测量在遭受不同应力历史和应力路径条件下土样的小应变刚度变得可靠。最新室内试验研究发现，无论是正常固结土，还是处于屈服面以内的超固结土，用平均区恩体积应力P归一化后的体积刚度K和剪切刚度G在应力路径方向突然发生变化后在小应变范围内随各自对应的应变表现显著的衰减，室内试验表明土体小应变刚度值主要取决于当前应力状态和期贼㈤土体的应力或应变历史。在原位测试方面，动力的—共振柱’原位测试方法得到的刚度明显要比假定应力应变行为为线性的常规三轴试验结果大，通常认为动常规试验力测试得到的刚度不能代表土在单

5、调加载下的刚}‘___-_____。●卜度，只能用于地震、震动和机器振动问题等与动力图1土体在各种岩土工程条件下的应变值范围荷载相关的设计课题，不能被用于结构周围的地就目前而言，岩土工程分析与设计中所采用层变形计算。但最近大量事实表明，高精度的静态的物理力学指标均通过常规试验得出，常规试验小应变下的岩土刚度值非常接近于由动力方法得的精度有限，只能测出1％以后的应变值。业内认出的值。2上海软粘土的小应变试验收稿日期：2011-l1—28基金项目：上海市科学技术委员会资助课题(11HX1189900)土体具有明显的区域性，国外相关研究基本

6、作者简介：汪中卫(1972一)，男，安徽桐城人，博士，副教授，从事岩土工程勘察设计、咨询及科研工作。上是针对超固结土进行的，而极少有针对软粘土2012年3月第3期城市道桥与防洪科技研究161的小应变试验报道，因此对上海软粘土进行试验通过测定的剪切波速来确定弹性剪切刚度G。，G。以了解其小应变特性是非常必要的。本次上海软与相应的剪切波有如下关系：粘土小应变刚度试验是在香港科技大学土木系专Go=pv(1)门的应力路径三轴仪上进行的，见图2。在这里P是土的密度，。是剪切波速。如图3所示，不同方向的剪切波决定不同的剪切刚度值。活塞为了测量各向

7、异性的剪切刚度，三对benderelements分别被安装在不同位置以测得相应方向加载架的刚度。本次试验的土样为典型的上海淤泥质粉质粘土，LVDT外部加载单元取自地表以下7m左右，其天然容重=17．6kN／m；天然含水率W=42％，液限W-=41％，塑限W，=密封罩围压控制装置25％，试样尺寸约为76mm×150mm。试样准备的内部加载单元试样全部过程全部按照规程BS1377(BSI，1990)进行操作，在所有的准备工作完成以后，在进行正式试验体积应变计高精度轴向应变计前，需要对土样进行饱和。为了尽量减小对土样的扰动，土样在等压固结条

8、件下，通过维持一定的真高精度径向应变计空度让抽除空气后的水从底部流至顶部以排除试样当中残余的空气。在进行抽气和充水进行到约图2应力路径三轴装置示意后，尽管土样当中的气体大部分已经被抽出，但土体当中仍存在一定的气体，需要通