潘永堅(jiān)， 李高山， 何 強(qiáng)， 周朱鳳

(浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012)

0 引言

取樣是巖土工程勘察中經(jīng)常性的工作，是定量評(píng)價(jià)巖土工程問(wèn)題必不可少的工作。軟土作為一種特殊性土，具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差等特點(diǎn)[1]。軟土的特殊性狀使得土體在取樣過(guò)程中及取樣后的封樣、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及試樣制備過(guò)程中對(duì)土樣造成擾動(dòng)，引起土樣的應(yīng)力狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及組成成分等方面發(fā)生變化，從而表現(xiàn)出土樣的物理力學(xué)性狀的改變，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的土樣參數(shù)不能正確的反映地基土的真實(shí)性狀[2-5]。

對(duì)于軟土，固定活塞薄壁取土器是目前國(guó)際公認(rèn)的高質(zhì)量取土器，但在實(shí)際的巖土工程勘察實(shí)踐中，原狀土樣的采用較多的是敞口薄壁取土器，目前普遍采用的是D=75、100 mm兩種不同直徑的取土器，對(duì)于兩種不同直徑的薄壁取土器，哪一種獲得的土樣最接近于土體真實(shí)性狀，不同直徑之間得到的軟土指標(biāo)數(shù)值之間的變化規(guī)律及其機(jī)理、擾動(dòng)程度等是巖土工程師始終關(guān)注的問(wèn)題[6-7]，近年來(lái)也很少看到這方面的研究成果發(fā)表。筆者以寧波市軌道交通4號(hào)線巖土工程勘察項(xiàng)目為依托，開(kāi)展了室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地巖土工程條件及取樣方案設(shè)計(jì)

1.1 地形地貌

寧波市軌道交通4號(hào)線取樣場(chǎng)地地形地貌單一類(lèi)型屬于濱海淤積和沖湖積平原，地勢(shì)開(kāi)闊較平坦，沉積類(lèi)型為第四系海相軟土層為主。

1.2 地基土的構(gòu)成及其特征

根據(jù)勘察鉆探采取的巖心、地質(zhì)成因及年代，取樣試驗(yàn)場(chǎng)地第四系地基土可劃分為9個(gè)工程地質(zhì)層組，見(jiàn)表1。

表1 地基土構(gòu)成Table 1 Foundation’s formations

1.3 取樣方案

采用對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)場(chǎng)地上部②、④層淤泥、淤泥質(zhì)土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣，敞口薄壁取土器直徑分別為75、100 mm。

為保證土樣數(shù)量滿足課題分析需要，現(xiàn)場(chǎng)共布置2個(gè)鉆探孔(BY1、BY2)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，同時(shí)為滿足對(duì)比試驗(yàn)分析需要，兩取樣孔取樣深度保持一致，鉆孔間距5 m，取樣間距0.5、1.0 m，取樣方法、數(shù)量及相關(guān)要求見(jiàn)表2。

表2 取樣方法及數(shù)量要求Table 2 Method and required amount of sampling

2 室內(nèi)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)量

對(duì)采用不同直徑薄壁取土器獲得的軟土土樣，分別開(kāi)展常規(guī)(含水量、密度、孔隙比、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié))、剪切(固結(jié)快剪、三軸CU)等室內(nèi)試驗(yàn)[8]，常規(guī)試驗(yàn)21個(gè)，直剪固結(jié)快剪21個(gè)，三軸CU 6個(gè)。

2.2 薄壁開(kāi)樣和試樣制作

薄壁土樣推出方向應(yīng)與鉆孔內(nèi)取土?xí)r土樣進(jìn)入取土管方向一致，且連續(xù)勻速推出，試樣制備選擇土樣中心位置土體。薄壁土樣(75 mm×500 mm)及部分環(huán)刀試樣見(jiàn)圖1。

圖1 薄壁土樣及環(huán)刀試樣Fig.1 Thin wall soil samples and test samples of cutting ring

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 物理性質(zhì)指標(biāo)對(duì)比分析

不同直徑下軟土薄壁土樣含水量、密度、孔隙比試驗(yàn)結(jié)果及其比值見(jiàn)圖2～4及表3。

從圖2及表3可以看出：對(duì)同一深度土體，直徑D=75 mm土樣含水量稍小于直徑D=100 mm土樣含水量，兩者比值范圍73%～107%，均值91%；含水量統(tǒng)計(jì)均值分別為50%(D=75 mm)、54.9%(D=100 mm)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其對(duì)比分析表明：對(duì)于敞口薄壁取土器，小直徑取土器獲得的土樣含水量小于大直徑，其比值均值為91%。

圖2 不同直徑下土樣含水量試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of water content of soil samples at different diameters

圖3 不同直徑下土樣密度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of density of soil samples at different diameters

圖4 不同直徑下土樣孔隙比試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of void ratio of soil samples at different diameters

表3 不同直徑下土樣物理性能Table 3 Physical properties of soil samples at different diameters

從圖3及表3可以看出：采用不同直徑的薄壁取土器獲得的同一深度土樣密度大小及其比值關(guān)系曲線顯示，直徑D=75 mm下測(cè)得的密度稍大于直徑D=100 mm下土樣的密度，兩者的比值范圍97%～106%，均值102%，試驗(yàn)深度內(nèi)兩種直徑下軟土的密度均值分別為1.74、1.71 g/cm3。密度試驗(yàn)分析表明，直徑D=75 mm的土樣密度是直徑D=100 mm的土樣密度1.02倍，即對(duì)于敞口薄壁取土器，取樣直徑對(duì)其影響程度較小。

從圖4及表3可以看出：試驗(yàn)深度范圍內(nèi)，直徑D=100 mm下土樣的孔隙比呈現(xiàn)大于直徑D=75 mm試樣的孔隙比的變化趨勢(shì)，兩者的比值范圍82%～106%，均值92%。兩種土樣直徑下，軟土孔隙比分別為1.374(D=75 mm)、1.499(D=100 mm)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：直徑D=75 mm的土樣孔隙比是直徑D=100 mm的土樣孔隙比的92%，薄壁取樣管直徑對(duì)軟土孔隙比影響較為顯著。

3.2 力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對(duì)比分析

3.2.1 壓縮模量

不同直徑下(D=75 mm、D=100 mm)，采用薄壁取土器取樣測(cè)定的土樣壓縮模量及其對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 不同直徑下土樣壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of compressive modulus of soil samples at different diameters

圖5曲線顯示：對(duì)于同一深度土樣，直徑D=75 mm的壓縮模量大于直徑D=100 mm的壓縮模量，兩者的比值范圍73%～137%，均值112%，壓縮模量統(tǒng)計(jì)均值分別為2.0、1.8 MPa。即直徑D=75 mm的土樣壓縮模量是直徑D=100 mm的土樣壓縮模量的1.12倍，土樣直徑對(duì)壓縮模量的影響較大。數(shù)值對(duì)比分析見(jiàn)表4。

表4 不同直徑下土樣壓縮模量對(duì)比Table 4 Comparison of compressive modulus of soil samples at different diameters

3.2.2 抗剪強(qiáng)度(直剪固結(jié)快剪)

不同直徑下(D=75 mm、D=100 mm)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及其比值關(guān)系見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 不同直徑下土樣粘聚力c試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of cohesion of soil samples at different diameters

圖7 不同直徑下土樣內(nèi)摩擦角φ試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of internal friction angle of soil samples at different diameters

圖6、圖7對(duì)比分析顯示：對(duì)同一深度土樣，測(cè)定的粘聚力比值范圍為62%～150%，均值104%，粘聚力均值分別為7.3、7.1 kPa；內(nèi)摩擦角比值區(qū)間73%～145%，均值113%，取值分別為15.1°、13.6°。但在試驗(yàn)深度范圍內(nèi)，不同直徑取土器獲得的土樣抗剪強(qiáng)度數(shù)值離散性及差異性均較大，指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

不同直徑薄壁器取樣方式下土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系分析表明：取樣器直徑大小對(duì)軟土的粘聚力影響較小，對(duì)內(nèi)摩擦角影響較大。數(shù)據(jù)表明：取土器直徑越小，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值越大。

表5 不同直徑下土樣抗剪強(qiáng)度(直剪固結(jié)快剪)指標(biāo)對(duì)比Table 5 Comparison of shear strength (consolidated quick shear test) of soil samples at different diameters

3.2.3 三軸(CU)抗剪強(qiáng)度

不同直徑下(D=75 mm、D=100 mm)薄壁土樣室內(nèi)三軸(CU)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及其對(duì)比關(guān)系統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

表6 不同直徑下土樣抗剪強(qiáng)度(CU)指標(biāo)對(duì)比Table 6 Comparison of shear strength (CU) of soil samples at different diameters

從表6淤泥土樣室內(nèi)三軸(CU)試驗(yàn)成果可以看出：采用D=75 mm取土器時(shí)，淤泥的粘聚力、內(nèi)摩擦角整體上大于D=100 mm薄壁取土器測(cè)得的數(shù)值。兩種不同直徑下淤泥的粘聚力均值分別為13.0、12.2 kPa，比值1.07；內(nèi)摩擦角均值分別為13.6°、11.5°，比值1.18。數(shù)據(jù)分析表明，對(duì)于薄壁取土器，其直徑越小，土樣室內(nèi)三軸(CU)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越大。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果綜合對(duì)比分析

不同取樣直徑下軟土物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表7。從表7可見(jiàn)，軟土的含水量、密度和孔隙比均受土樣的直徑影響，室內(nèi)試驗(yàn)成果分析表明，取樣管直徑D=75 mm土樣含水量和孔隙比均比直徑D=100 mm的土樣降低了9%，而密度則提高了2%。

表7 不同直徑下軟土物理性質(zhì)指標(biāo)綜合對(duì)比Table 7 Comprehensive comparison of physical indicators of soft soil at different diameters

采用不同直徑取土器下得到的軟土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(壓縮模量、抗剪強(qiáng)度)見(jiàn)表8，對(duì)比顯示：直徑D=75 mm下軟土的力學(xué)性質(zhì)相對(duì)與D=100 mm土樣均有不同程度的提高，提高幅度為3%～21%。

表8 不同直徑下軟土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)綜合對(duì)比Table 8 Comprehensive comparison of mechanical indicators of >soft soil at different diameters

對(duì)兩種不同直徑下薄壁土樣室內(nèi)試樣獲得的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)綜合分析表明：相對(duì)比大直徑薄壁取土器，小直徑敞口薄壁取土器獲得土樣的含水量、孔隙比有所降低；密度、壓縮模量及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有一定程度的提高。

3.4 指標(biāo)差異性機(jī)理分析

飽和軟土為固、液兩相體，土體結(jié)構(gòu)如圖8所示。在室內(nèi)試驗(yàn)中，對(duì)于固定體積的飽和軟土，當(dāng)含水量較低時(shí)，其土顆粒的體積必然會(huì)相應(yīng)增大，由于土顆粒密度比水大，因此含水量小的飽和軟土室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的土樣密度相對(duì)較大；同樣，由于飽和土體內(nèi)孔隙水的排出，孔隙比隨之降低，土顆粒數(shù)量增多，顆粒之間的接觸面增大，最終導(dǎo)致土體力學(xué)性狀提高。

圖8 飽和軟土結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure of saturated soft soil

結(jié)合不同直徑下敞口薄壁取土器獲取的飽和軟土土樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：直徑D=75 mm的薄壁取土器由于土樣直徑較小，在鉆孔內(nèi)取樣及室內(nèi)推土過(guò)程中軟土更易遭受擠壓，產(chǎn)生滲透固結(jié)變形，最終相對(duì)于直徑較大(D=100 mm)的軟土土樣，其含水量、孔隙比均出現(xiàn)不同程度的減小，相應(yīng)的密度及力學(xué)性狀得到改善。

4 擾動(dòng)程度評(píng)價(jià)分析

4.1 附加體積應(yīng)變法

軟土一般是在靜水或緩慢水流的沉積環(huán)境中形成的，故上覆荷載往往增長(zhǎng)緩慢，使顆粒接觸點(diǎn)間產(chǎn)生固化作用，接觸點(diǎn)的強(qiáng)度增加以抵抗荷載的增加，而取樣時(shí)的擾動(dòng)將破壞這種作用，致使室內(nèi)試驗(yàn)再加荷到上覆壓力時(shí)產(chǎn)生附加的體積壓縮，因此根據(jù)土樣在原位壓力下再固結(jié)時(shí)附加體積應(yīng)變就可以評(píng)價(jià)取土質(zhì)量。

在上覆壓力作用下，附加體積應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εv=Δv/v=Δe0/(1+e0)

(1)

式中：e0——土樣的初始孔隙比；Δe0——加荷至自重應(yīng)力時(shí)孔隙比的減量。

評(píng)價(jià)土樣擾動(dòng)程度參考指標(biāo)見(jiàn)表9[9]。

表9 評(píng)價(jià)土試樣擾動(dòng)程度的參考標(biāo)準(zhǔn)Table 9 Reference standard for appraise the disturbance degree of soil sample

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

分別取自重壓力為50、100、150 kPa時(shí)不同取樣方法獲得的土樣，經(jīng)式(1)計(jì)算得到土樣附加體積應(yīng)變見(jiàn)表10。

計(jì)算得到兩種不同取樣直徑下的體積應(yīng)變均值分別為6.4%、6.6%，按表9判斷均為擾動(dòng)程度很大。附加應(yīng)力體積應(yīng)變法分析表明，敞口薄壁取土器對(duì)軟土的取樣效果不太樂(lè)觀。

表10 附加體積應(yīng)變法評(píng)價(jià)土樣質(zhì)量結(jié)果Table 10 Appraised results of soil sample’s quality by the method of added volumetric strain

5 結(jié)論

(1)直徑D=75 mm土樣含水量、孔隙比均比直徑D=100 mm土樣降低9%，而密度則提高了2%。

(2)直徑D=75 mm軟土的力學(xué)性質(zhì)相對(duì)于D=100 mm土樣均有不同程度的提高，提高幅度為3%～21%。

(3)對(duì)于敞口薄壁取土器，小直徑取土器土樣更易受到外界荷載影響而產(chǎn)生滲透固結(jié)，導(dǎo)致含水量及孔隙比降低，力學(xué)性狀得到改善。相對(duì)而言，D=100 mm敞口薄壁取土器得到軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)更接近于土體真實(shí)性狀

(4)兩種不同直徑下土樣的體積應(yīng)變均值分別為6.4%、6.6%，擾動(dòng)程度評(píng)價(jià)均為很大，敞口薄壁取土器對(duì)飽和軟土的取樣效果不太樂(lè)觀。