郭瑤涵，吳能森*，徐青，劉湘鍇，林智雄

福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002

軟土試樣力學指標的擾動損傷評價

郭瑤涵，吳能森*，徐青，劉湘鍇，林智雄

福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002

為研究鉆探取樣、運輸及試樣制備等環(huán)節(jié)對軟土力學指標的擾動影響，開展了以下研究工作：首先，基于土的損傷評價理論，假設(shè)飽和軟土粘聚力與結(jié)構(gòu)強度成正比關(guān)系，提出損傷變量計算公式及其應(yīng)用方法；然后以福州沿海軟土為例，通過一系列固結(jié)試驗及三軸試驗，獲得擾動土樣及重塑土樣的強度指標、壓縮性指標，利用圖解法推求得原位土的壓縮性指標和結(jié)構(gòu)強度，并藉此計算得到擾動土樣損傷變量，進而對軟土試樣的擾動損傷進行量化分析和評價，主要結(jié)論如下：飽和軟土的內(nèi)摩擦角幾乎不受擾動損傷影響，上述理論假設(shè)及依此建立的公式成立；對采用薄壁取土器取樣，運輸搬運環(huán)節(jié)采取了必要的保護措施，且嚴格按規(guī)范操作的試樣，其損傷變量達20%以上，土樣的壓縮性增大約10%，粘聚力、結(jié)構(gòu)強度、地基承載力下降10%左右；土樣的宏觀力學指標弱化不太顯著，由此產(chǎn)生的工程設(shè)計計算結(jié)果偏差尚可接受；倘若取樣、運輸搬運及試驗操作環(huán)節(jié)不夠嚴謹，則試樣的損傷影響必將相應(yīng)放大，值得重視.

結(jié)構(gòu)性軟土；復合體損傷模型；固結(jié)試驗；三軸試驗；損傷變量

0 引言

軟土在我國沿海地區(qū)、內(nèi)河兩岸和湖泊地區(qū)廣泛分布［1］，軟土不僅具有天然含水量大、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度及承載能力低等特點，而且具有顯著的結(jié)構(gòu)性［2－4］.當前對軟土結(jié)構(gòu)性的研究主要針對固結(jié)應(yīng)變過程和施工環(huán)節(jié)，如文獻［3－6］.事實上，軟土在鉆探取樣、運輸及試樣制備等環(huán)節(jié)，即便小心翼翼，也難免因擾動引起其結(jié)構(gòu)性狀的改變，導致試驗土樣（擾動土樣）的力學指標不能完全真實地反映原位土的力學性狀，進而影響工程計算結(jié)果.不妨把軟土的這種結(jié)構(gòu)性狀改變稱為土樣損傷，土樣損傷的程度及其對計算結(jié)果的影響有多大值得研究.

以采用薄壁取土器鉆取的福州沿海軟土為例，通過擾動、重塑土樣的固結(jié)試驗和固結(jié)不排水三軸試驗，在獲得軟土擾動及重塑土樣的強度指標、壓縮性指標及結(jié)構(gòu)強度基礎(chǔ)上，運用土的損傷評價理論對福州軟土的土樣損傷進行量化分析.

1 土的損傷評價理論

根據(jù)沈珠江的復合體損傷理論［7－8］，其簡化后的雙彈簧模型如式（1）［9］：

式（1）中：S為土體的力學指標；Si為原狀土的指標；Sd為損傷土的指標；ω為損傷變量.

復合體損傷理論基本出發(fā)點是將結(jié)構(gòu)性土體視為由原狀土與損傷土組成，二者如同兩個并聯(lián)的彈簧共同分擔荷載，式（1）中的損傷變量ω代表損傷土在復合體中所占比例，為此ω的大小可以反映土體的損傷程度.

施建勇等［5］在研究軟土擾動損傷時，依據(jù)式（1）將擾動土的力學參數(shù)表示為：

式（2）中：Sω為擾動土力學指標；S0為原位土力學指標；Sd為重塑土力學指標.

根據(jù)飽和軟土粘聚力與結(jié)構(gòu)強度相關(guān)性的研究，軟土的內(nèi)摩擦角不受土體結(jié)構(gòu)性變化的影響［10］，故可假設(shè)：

式（3）中：P0為原位土的結(jié)構(gòu)強度（kPa）；Pω為擾動土的結(jié)構(gòu)強度（kPa）；c0為原位土的粘聚力（kPa）；cω為擾動土的粘聚力（kPa）.

綜合式（2）、（3）可得：

利用擾動土樣固結(jié)試驗的e－logP曲線，可確定Pω和P0；通過擾動土樣固結(jié)不排水三軸試驗，可得到cω，從而由式（3）求得c0.通過重塑土樣固結(jié)不排水三軸試驗，可得到重塑土樣的粘聚力cd，則利用公式（4）求得土樣的損傷變量ω，進而評價鉆探取樣、運輸及試樣制備等實驗環(huán)節(jié)對軟土所造成的損傷影響.

2 試驗研究

2.1 試驗土樣及制備

本試驗土樣取自福州市連江縣可門經(jīng)濟區(qū)工業(yè)園ZK8鉆孔，深度為3．2～3．8 m淤泥層內(nèi).該淤泥層所取土樣呈深灰色，流塑，飽和，屬于濱海相淤積成因軟土，成分以粘粒為主，切面光滑，韌性低，搖震反應(yīng)慢，干強度中等.土樣的基本物理性指標為：密度1．603 g／cm3，含水率64．8%，孔隙比1．786，塑限30．31%，液限50．84%.

將由薄壁取土器經(jīng)現(xiàn)場運回的土樣視為“原狀”土樣，在“原狀”土樣上直接制取的試樣稱為擾動試樣；取一定量的“原狀”土樣，風干后取足量均勻搗碎，測定風干土樣含水率.然后按照含水率一致原則計算加水量，將水與風干土樣摻和攪勻制備重塑試樣［11－12］.

分別制備3個擾動試樣和3個重塑試樣進行固結(jié)試驗，試樣直徑61．8 mm，高20 mm；分別制備3組擾動土樣和3組重塑土樣進行固結(jié)不排水三軸試驗，每組3個試樣，共18個試樣，試樣直徑39．1 mm，高80 mm.各試樣編號見表1.

表1 試樣編號Table 1 Sample number

2.2 試驗方法

采用GZQ－1氣壓固結(jié)儀進行固結(jié)試驗，加壓等級分別為50、100、200、400、800 kPa.施加每一級壓力后24 h測定試樣高度變化，當每間隔1 h變形小于0．01 mm時，作為穩(wěn)定讀數(shù)，依此逐級加荷至試驗結(jié)束.其中擾動試樣在加壓至200 kPa時進行一次卸荷回彈后再壓.采用SLB－1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗儀進行固結(jié)不排水三軸試驗，固結(jié)過程中始終開啟排水閥，分別控制在圍壓100、200、300 kPa下進行固結(jié)，直至體積讀數(shù)穩(wěn)定或保持不變時停止；剪切過程中關(guān)閉排水閥并保持圍壓不變，按0．400%/min剪切速率增加軸向壓力，直至軸向應(yīng)變值達到16%時結(jié)束.

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1 試驗曲線擾動土樣和重塑土樣的固結(jié)試驗e－logP曲線分別如圖1、圖2所示，擾動土樣和重塑土樣的固結(jié)不排水三軸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3、圖4所示，擾動土樣和重塑土樣的應(yīng)力圓及抗剪強度線如圖5、圖6所示.

2.3.2 土樣力學指標由上述固結(jié)試驗、三軸試驗可直接求得各試驗土樣的壓縮性和抗剪強度指標.利用擾動土樣的e－logP曲線，可找出各擾動土樣的結(jié)構(gòu)強度；根據(jù)文獻［13］，可在各擾動土樣的e－logP曲線上通過圖解推求得原位土的壓縮曲線和結(jié)構(gòu)強度（圖1）.經(jīng)求平均值后，各試樣及所推求原位土的力學指標見表2，其中原位土粘聚力通過式（3）計算得到.

3 土樣損傷評價

首先從表2得知：擾動土粘聚力cw＝7．0 kPa、內(nèi)摩擦角φw＝1．9o；重塑土粘聚力cd＝4．5 kPa、φd＝2．0o.可見，擾動土和重塑土不同的結(jié)構(gòu)損傷程度主要體現(xiàn)在粘聚力的變化上，而內(nèi)摩擦角變化很小，可忽略不計，因此上述關(guān)于飽和軟土粘聚力與結(jié)構(gòu)強度相關(guān)性的假設(shè)是適宜的，由此假設(shè)推導得到的公式（3）和（4）是適用的.

根據(jù)式（4）計算得到擾動土的損傷變量ω＝0．242，這表明：就取樣區(qū)福州連江可門經(jīng)濟區(qū)（大官坂片東區(qū)）而言，實驗土樣因取樣、運輸及試驗操作等擾動因素引起的結(jié)構(gòu)性損傷而形成的損傷土，占整個土樣24．2%.

據(jù)表2，土樣損傷對土體力學性質(zhì)的影響具體表現(xiàn)為：壓縮系數(shù)增大10%，壓縮指數(shù)增大10．6%，粘聚力降低10．3%，結(jié)構(gòu)強度降低10．7%.

圖1 擾動土樣曲線及強度圖解Fig.1 e－logP curve and intensity diagram of disturbed soil sample［13］

圖2 重塑土樣曲線Fig.2 e－logP curve of remolded soil sample

圖3 擾動土樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 The stress－strain curve of disturbed soil sample

圖4 重塑土樣應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 The stress－strain curve of remolded soil sample

圖5 擾動土樣的應(yīng)力圓及強度線Fig.5 The circle of stress and strength line of disturbed soil sample

圖6 重塑土樣的應(yīng)力圓及強度線Fig.6 The circle of stress and strength line of remolded soil sample

表2 土樣力學指標Table 2 Mechanics indexes of soil samples

土樣損傷對地基承載力的影響如下：地基承載力特征值fa的規(guī)范［14］計算公式為

其中承載力系數(shù)Mb，Md，Mc按內(nèi)摩擦角標準值φk＝2o查表（Mb＝0．03，Md＝1．12，Mc＝3．32），粘聚力標準值ck取表2數(shù)值計算；取b＝6 m，d＝0 m，則由式（5）得到：原位土fa＝26．9 kPa，擾動土fa＝24．2 kPa.地基承載力特征值亦降低10%.

4 結(jié)語

a．福州沿海地區(qū)軟土結(jié)構(gòu)性強，因取樣、運輸及試驗操作等擾動因素會引起土樣發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷，使土性有所弱化.研究表明：根據(jù)復合體損傷理論，上述擾動因素形成的損傷土（重塑土）在復合體中所占比例達20%以上（本例為24．2%），導致土樣的壓縮性增大約10%，粘聚力、結(jié)構(gòu)強度、地基承載力下降10%左右.

b．就擾動形成的損傷土（重塑土）比例而言，還是有些可觀的，但因原狀軟土本身壓縮性指標高而強度指標低，且內(nèi)摩擦角幾乎不受影響，因此視為復合體的擾動土的宏觀力學指標弱化不太顯著，由此產(chǎn)生的工程設(shè)計計算結(jié)果偏于安全，其偏差值（亦10%左右）尚可接受.

c．對結(jié)構(gòu)性軟土，務(wù)必采用薄壁取土器鉆取試樣，運輸搬運環(huán)節(jié)需要采取必要的保護措施，并嚴格按照試驗標準規(guī)范操作，否則上述的損傷變量必加大，土的宏觀力學指標弱化比例及由此引起的計算結(jié)果偏差必大于10%，乃至嚴重偏離實際.

致謝

本研究得到福建農(nóng)林大學、福建省自然科學基金委的資助，中土集團福州勘察設(shè)計研究院有限公司和福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院分別給予取樣、運輸及試驗工作的大力支持，特此表示衷心感謝！

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Disturbance damage evaluation of mechanical parameters of soft soil sample

GUO Yao－h(huán)an，WU Neng－sen，XU Qing，LIU Xiang－kai，LIN Zhi－xiong
College of Transportation and Civil Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China

To study the disturbed effect of the mechanical indexes of soft soil in the course of drilling，transport，sample preparation and other steps，firstly，based on the theory of soil damage assessment，the assumption of cohesive force proportional to the structural strength for saturated soft soil was supposed which derives the damage variable formula and its application method．Secondly，a series of consolidation tests and three triaxle tests were conducted for Fuzhou coastal disturbed and remolded soft soil samples，and their strength and compressibility index were obtained，then the compression index and the structural strength of undisturbed soil were ascertained by using graphic method，thereby the disturbed soil sample's damage variable was calculated．Based on above works，the damage effects of soft soil sample were analyzed and evaluated quantitatively，and the results show that the internal friction angle of saturated soft soil is almost not affected by the influence of disturbance damage，so the above theoretical assumption and accordingly the established formula are valid；the damage variable is more than 20%and the compression of soil samples increases about 10%;the cohesion，structural strength and the foundation bearing capacity decrease about 10%.It is necessary to take protective measures in transport process and operate strictly according to the standards in tests.the weakness macro－mechanics indexes of soft soil sample is not obvious，so the difference between calculation results can be accepted in engineering practice；if the sampling，transport and test operation link is not rigorous，the sample damage effect will be corresponding amplification,which is worthy of attention．

structured soft clay；structure damage；the complex damage model；consolidation test；triaxial test；damage variable．

TU411

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.05.007

1674-2869（2015）05-0035-06

本文編輯：龔曉寧

2015－03－17

福建農(nóng)林大學高水平大學建設(shè)重點項目（113－612014018）；福建農(nóng)林大學創(chuàng)新（培育）團隊建設(shè)項目（Pytd12006）；福建省自然科學基金項目（2007J0357）

郭瑤涵（1989－），女，福建福州人，碩士研究生.研究方向：道路與橋涵．*通信聯(lián)系人