潘永堅， 李高山， 何 強， 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常性的工作，是定量評價巖土工程問題必不可少的工作。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、抗剪強度低、固結系數(shù)小、固結時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差等特點[1]。軟土的特殊性狀使得土體在取樣過程中及取樣后的封樣、運輸、儲存以及試樣制備過程中對土樣造成擾動，引起土樣的應力狀態(tài)、內部結構、化學成分及組成成分等方面發(fā)生變化，從而表現(xiàn)出土樣的物理力學性狀的改變，導致室內試驗測定的土樣參數(shù)不能正確的反映地基土的真實性狀[2-5]。

對于軟土，固定活塞薄壁取土器是目前國際公認的高質量取土器，但在實際的巖土工程勘察實踐中，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性狀，不同直徑之間得到的軟土指標數(shù)值之間的變化規(guī)律及其機理、擾動程度等是巖土工程師始終關注的問題[6-7]，近年來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號線巖土工程勘察項目為依托，開展了室內對比試驗。

1 試驗場地巖土工程條件及取樣方案設計

1.1 地形地貌

寧波市軌道交通4號線取樣場地地形地貌單一類型屬于濱海淤積和沖湖積平原，地勢開闊較平坦，沉積類型為第四系海相軟土層為主。

1.2 地基土的構成及其特征

根據勘察鉆探采取的巖心、地質成因及年代，取樣試驗場地第四系地基土可劃分為9個工程地質層組，見表1。

表1 地基土構成Table 1 Foundation’s formations

1.3 取樣方案

采用對比試驗，對場地上部②、④層淤泥、淤泥質土進行現(xiàn)場鉆探取樣，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)場共布置2個鉆探孔(BY1、BY2)進行現(xiàn)場取樣，同時為滿足對比試驗分析需要，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)量及相關要求見表2。

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

2 室內試驗方案設計

2.1 試驗項目及數(shù)量

對采用不同直徑薄壁取土器獲得的軟土土樣，分別開展常規(guī)(含水量、密度、孔隙比、標準固結)、剪切(固結快剪、三軸CU)等室內試驗[8]，常規(guī)試驗21個，直剪固結快剪21個，三軸CU 6個。

2.2 薄壁開樣和試樣制作

薄壁土樣推出方向應與鉆孔內取土時土樣進入取土管方向一致，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 試驗結果分析

3.1 物理性質指標對比分析

不同直徑下軟土薄壁土樣含水量、密度、孔隙比試驗結果及其比值見圖2～4及表3。

從圖2及表3可以看出：對同一深度土體，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)計均值分別為50%(D=75 mm)、54.9%(D=100 mm)。試驗數(shù)據及其對比分析表明：對于敞口薄壁取土器，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結果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結果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結果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系曲線顯示，直徑D=75 mm下測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%，試驗深度內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，即對于敞口薄壁取土器，取樣直徑對其影響程度較小。

從圖4及表3可以看出：試驗深度范圍內，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，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)。試驗數(shù)據分析表明：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%，薄壁取樣管直徑對軟土孔隙比影響較為顯著。

3.2 力學性質指標對比分析

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定的土樣壓縮模量及其對比關系見圖5。

圖5 不同直徑下土樣壓縮模量試驗結果Fig.5 Test results of compressive modulus of soil samples at different diameters

圖5曲線顯示：對于同一深度土樣，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，土樣直徑對壓縮模量的影響較大。數(shù)值對比分析見表4。

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

3.2.2 抗剪強度(直剪固結快剪)

不同直徑下(D=75 mm、D=100 mm)土樣抗剪強度指標及其比值關系見圖6、圖7。

圖6 不同直徑下土樣粘聚力c試驗結果Fig.6 Test results of cohesion of soil samples at different diameters

圖7 不同直徑下土樣內摩擦角φ試驗結果Fig.7 Test results of internal friction angle of soil samples at different diameters

圖6、圖7對比分析顯示：對同一深度土樣，測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°。但在試驗深度范圍內，不同直徑取土器獲得的土樣抗剪強度數(shù)值離散性及差異性均較大，指標統(tǒng)計見表5。

不同直徑薄壁器取樣方式下土樣抗剪強度指標關系分析表明：取樣器直徑大小對軟土的粘聚力影響較小，對內摩擦角影響較大。數(shù)據表明：取土器直徑越小，其抗剪強度指標取值越大。

表5 不同直徑下土樣抗剪強度(直剪固結快剪)指標對比Table 5 Comparison of shear strength (consolidated quick shear test) of soil samples at different diameters

3.2.3 三軸(CU)抗剪強度

不同直徑下(D=75 mm、D=100 mm)薄壁土樣室內三軸(CU)抗剪強度指標及其對比關系統(tǒng)計見表6。

表6 不同直徑下土樣抗剪強度(CU)指標對比Table 6 Comparison of shear strength (CU) of soil samples at different diameters

從表6淤泥土樣室內三軸(CU)試驗成果可以看出：采用D=75 mm取土器時，淤泥的粘聚力、內摩擦角整體上大于D=100 mm薄壁取土器測得的數(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；內摩擦角均值分別為13.6°、11.5°，比值1.18。數(shù)據分析表明，對于薄壁取土器，其直徑越小，土樣室內三軸(CU)抗剪強度指標越大。

3.3 試驗結果綜合對比分析

不同取樣直徑下軟土物理性質指標見表7。從表7可見，軟土的含水量、密度和孔隙比均受土樣的直徑影響，室內試驗成果分析表明，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指標綜合對比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性質指標(壓縮模量、抗剪強度)見表8，對比顯示：直徑D=75 mm下軟土的力學性質相對與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性質指標綜合對比Table 8 Comprehensive comparison of mechanical indicators of >soft soil at different diameters

對兩種不同直徑下薄壁土樣室內試樣獲得的物理力學性質指標綜合分析表明：相對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、壓縮模量及抗剪強度指標均有一定程度的提高。

3.4 指標差異性機理分析

飽和軟土為固、液兩相體，土體結構如圖8所示。在室內試驗中，對于固定體積的飽和軟土，當含水量較低時，其土顆粒的體積必然會相應增大，由于土顆粒密度比水大，因此含水量小的飽和軟土室內試驗測定的土樣密度相對較大；同樣，由于飽和土體內孔隙水的排出，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，最終導致土體力學性狀提高。

圖8 飽和軟土結構示意Fig.8 Structure of saturated soft soil

結合不同直徑下敞口薄壁取土器獲取的飽和軟土土樣室內試驗結果進行分析：直徑D=75 mm的薄壁取土器由于土樣直徑較小，在鉆孔內取樣及室內推土過程中軟土更易遭受擠壓，產生滲透固結變形，最終相對于直徑較大(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，相應的密度及力學性狀得到改善。

4 擾動程度評價分析

4.1 附加體積應變法

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緩慢，使顆粒接觸點間產生固化作用，接觸點的強度增加以抵抗荷載的增加，而取樣時的擾動將破壞這種作用，致使室內試驗再加荷到上覆壓力時產生附加的體積壓縮，因此根據土樣在原位壓力下再固結時附加體積應變就可以評價取土質量。

在上覆壓力作用下，附加體積應變?yōu)椋?/p>

εv=Δv/v=Δe0/(1+e0)

(1)

式中：e0——土樣的初始孔隙比；Δe0——加荷至自重應力時孔隙比的減量。

評價土樣擾動程度參考指標見表9[9]。

表9 評價土試樣擾動程度的參考標準Table 9 Reference standard for appraise the disturbance degree of soil sample

4.2 評價結果分析

分別取自重壓力為50、100、150 kPa時不同取樣方法獲得的土樣，經式(1)計算得到土樣附加體積應變見表10。

計算得到兩種不同取樣直徑下的體積應變均值分別為6.4%、6.6%，按表9判斷均為擾動程度很大。附加應力體積應變法分析表明，敞口薄壁取土器對軟土的取樣效果不太樂觀。

表10 附加體積應變法評價土樣質量結果Table 10 Appraised results of soil sample’s quality by the method of added volumetric strain

5 結論

(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軟土的力學性質相對于D=100 mm土樣均有不同程度的提高，提高幅度為3%～21%。

(3)對于敞口薄壁取土器，小直徑取土器土樣更易受到外界荷載影響而產生滲透固結，導致含水量及孔隙比降低，力學性狀得到改善。相對而言，D=100 mm敞口薄壁取土器得到軟土物理力學性質指標更接近于土體真實性狀

(4)兩種不同直徑下土樣的體積應變均值分別為6.4%、6.6%，擾動程度評價均為很大，敞口薄壁取土器對飽和軟土的取樣效果不太樂觀。