第8期 杜子建等：隧道开挖下黏土地层作用分区 ·1025· 的工程实践应用较少.本文基于以往文献的研究 140 临界鼓坏线g=M. 基础，探讨了不同类型应力路径下土体力学特性， 结合隧道开挖过程中周围土体应力路径的变化规 120 律，将隧道开挖作用下北京地区典型粉质黏土地 100 原位应力线 层划分为六个作用分区，并将试验得到的土体力 学参数重新代入数值模型，得到了较为合理的地 60 表沉降值 40 20 1不同应力路径下三轴试验 D 50 100 150200250300350 应力路径代表着应力空间内应力状态点所移动 的轨迹，隧道开挖后不同土层区域的应力状态轨迹 图1室内三轴试验应力路径示意图 可以用不同的应力路径表示.因为土的应力一应变 Fig.I Sketch map of stress paths for lab triaxial testing 曲线受应力路径影响，在不同作用分区，土的应 1.1试验方案 力一应变路径不同导致应力一应变曲线不同，所以土 选取北京地铁十号线二期工程六里桥站施工段 体工程性质也有所不同.自Lambe在1967年提出 地层处粉质黏土，按照土工试验标准制备规格长度 应力路径概念以来，考虑应力路径的工程土性分析 为80mm,直径为39.1mm的试样，原状土常规物理 从室内试验、理论分析以及数值模拟得到了多方面 性质指标见表1.试件固结应力状态如图1中OP 的研究，对不同应力路径下黏性土体的本构模型进 路径所示，采用偏压固结，根据工程勘察资料，取天 行了成功的探索.基于以往研究基础本文提出 然土体静止侧压力系数为0.625，固结压力终值如 六种不同应力路径下的三轴剪切试验，即增p(p为 表2所示.加卸载过程中，按照如图1所示应力路 平均主应力)路径OPA和OPF下的加载试验、等p 径以及表2中的试验方案，分别进行不同应力路径 路径OPB和OPE下的加卸载试验以及减p路径 固结排水试验，剪切过程采用应变控制方案，加卸载 OPC和OPD下的卸载试验.试验应力路径如图1 速率控制为每分钟0.010%的应变率.试验过程中 所示，图中p为固结黏土应力状态点，M为固结黏土 出现如下情况视为试件破坏：加卸载过程中，应力大 峰值应力比，平均主应力p=(σ1+2σ3)3，偏应力 幅降低；在某级荷载下应变速率急剧增大，超过0.9 9=U1-03. mm/min;试件总应变超过15%o 表1原状士物理性质 Table 1 Physical properties of natural soils 含水率， 干密度， 重度， 孔隙比， 饱和度 液限， 塑限， 塑性指数， 液性指数， ω/% Pal(g*cm-3) G e L/% 0,/% 20.5 1.58 2.71 0.85 0.69 28.9 16.8 12.1 0.306 1.2试验结果与分析 表可知：土样剪应力峰值在增p剪切路径OPA下最 不同应力路径下土体偏应力一应变变化规律如 大，在减p剪切路径OPC下最小，不同应力路径下 图2所示.从图中可以看出，试件在不同应力路径 剪应力峰值差值较大；土样黏聚力在围压σ3增大情 下其应力应变曲线特性不同，剪切破坏时偏应力g 况下较大，在围压σ3减小情况下较小，最大黏聚力 差异较大，减P、等p和增p剪切路径下所获得的剪 出现在等p路径OPE下；土样内摩擦角在不同应力 应力峰值依次增加，并随着固结压力终值的增大而 路径下其变化值不大，在增p、等p和减p路径下依 增大：另外，随着应力增速绝对比？值的增大，增p 次减小，但绝对差值在4°范围内. 路径下得到的剪应力峰值越大，而减p路径下得到 2隧道开挖土层作用分区研究 的剪应力峰值越小 依据试验结果绘制应力莫尔圆，得到不同应力 隧道开挖是一个动态的过程，地层中各点因所 路径下土样力学参数指标值1一，如表3所示.由 在区域不同其应力变化也具有不同趋势如，通过第 8 期 杜子建等: 隧道开挖下黏土地层作用分区 的工程实践应用较少． 本文基于以往文献的研究 基础，探讨了不同类型应力路径下土体力学特性， 结合隧道开挖过程中周围土体应力路径的变化规 律，将隧道开挖作用下北京地区典型粉质黏土地 层划分为六个作用分区，并将试验得到的土体力 学参数重新代入数值模型，得到了较为合理的地 表沉降值． 1 不同应力路径下三轴试验 应力路径代表着应力空间内应力状态点所移动 的轨迹，隧道开挖后不同土层区域的应力状态轨迹 可以用不同的应力路径表示． 因为土的应力--应变 曲线受应力路径影响，在不同作用分区，土 的 应 力--应变路径不同导致应力--应变曲线不同，所以土 体工程性质也有所不同． 自 Lambe 在 1967 年提出 应力路径概念以来，考虑应力路径的工程土性分析 从室内试验、理论分析以及数值模拟得到了多方面 的研究，对不同应力路径下黏性土体的本构模型进 行了成功的探索［8--9］． 基于以往研究基础本文提出 六种不同应力路径下的三轴剪切试验，即增 p( p 为 平均主应力) 路径 OPA 和 OPF 下的加载试验、等 p 路径 OPB 和 OPE 下的加卸载试验以及减 p 路径 OPC 和 OPD 下的卸载试验． 试验应力路径如图 1 所示，图中 p 为固结黏土应力状态点，Mf为固结黏土 峰值应力比，平均主应力 p = ( σ1 + 2σ3 ) /3，偏应力 q = σ1 － σ3 ． 图 1 室内三轴试验应力路径示意图 Fig． 1 Sketch map of stress paths for lab triaxial testing 1. 1 试验方案 选取北京地铁十号线二期工程六里桥站施工段 地层处粉质黏土，按照土工试验标准制备规格长度 为 80 mm，直径为 39. 1 mm 的试样，原状土常规物理 性质指标见表 1． 试件固结应力状态如图 1 中 OP 路径所示，采用偏压固结，根据工程勘察资料，取天 然土体静止侧压力系数为 0. 625，固结压力终值如 表 2 所示． 加卸载过程中，按照如图 1 所示应力路 径以及表 2 中的试验方案，分别进行不同应力路径 固结排水试验，剪切过程采用应变控制方案，加卸载 速率控制为每分钟 0. 010% 的应变率． 试验过程中 出现如下情况视为试件破坏: 加卸载过程中，应力大 幅降低; 在某级荷载下应变速率急剧增大，超过 0. 9 mm /min; 试件总应变超过 15%［10］． 表 1 原状土物理性质 Table 1 Physical properties of natural soils 含水率， ω/% 干密度， ρd /( g·cm － 3 ) 重度， Gs 孔隙比， e 饱和度， Sr 液限， ωL /% 塑限， ωp /% 塑性指数， IP 液性指数， IL 20. 5 1. 58 2. 71 0. 85 0. 69 28. 9 16. 8 12. 1 0. 306 1. 2 试验结果与分析 不同应力路径下土体偏应力--应变变化规律如 图 2 所示． 从图中可以看出，试件在不同应力路径 下其应力应变曲线特性不同，剪切破坏时偏应力 q 差异较大，减 p、等 p 和增 p 剪切路径下所获得的剪 应力峰值依次增加，并随着固结压力终值的增大而 增大; 另外，随着应力增速绝对比 η 值的增大，增 p 路径下得到的剪应力峰值越大，而减 p 路径下得到 的剪应力峰值越小． 依据试验结果绘制应力莫尔圆，得到不同应力 路径下土样力学参数指标值［11--12］，如表 3 所示． 由 表可知: 土样剪应力峰值在增 p 剪切路径 OPA 下最 大，在减 p 剪切路径 OPC 下最小，不同应力路径下 剪应力峰值差值较大; 土样黏聚力在围压 σ3增大情 况下较大，在围压 σ3减小情况下较小，最大黏聚力 出现在等 p 路径 OPE 下; 土样内摩擦角在不同应力 路径下其变化值不大，在增 p、等 p 和减 p 路径下依 次减小，但绝对差值在 4°范围内． 2 隧道开挖土层作用分区研究 隧道开挖是一个动态的过程，地层中各点因所 在区域不同其应力变化也具有不同趋势［11］，通过 ·1025·