蘇再非，周艷君，王璐佳，李景富

（1、廣東省有色地質(zhì)環(huán)境中心 廣州 510080；2、廣東有色工程勘察設(shè)計院 廣州 510080；3、廣東巖石科技有限公司 廣州 510018；4、廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510010）

0 引言

巖土樣品采取和測試試件制作過程的方法，對獲取巖土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的真值具有重要影響。獲取巖土物理力學(xué)指標(biāo)的真值，是業(yè)界工程技術(shù)人員和學(xué)者們的共同追求。為解決或減弱測試指標(biāo)偏離真值對工程建設(shè)和災(zāi)害治理產(chǎn)生的不利影響。業(yè)界專家和技術(shù)人員都做了大量的研究和實踐工作。

測試樣品結(jié)構(gòu)被擾動，導(dǎo)致測試的抗剪強度指標(biāo)不能作為設(shè)計依據(jù)。在一些工程建設(shè)活動中利用原位試驗測試的抗剪強度指標(biāo)，或采用大量試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計指標(biāo)作為設(shè)計依據(jù)［1-2］。土的抗剪強度受其組成結(jié)構(gòu)和成分影響較大，保護(hù)測試樣品的結(jié)構(gòu)、含水量不變是采樣工作的重點［3-4］。土的結(jié)構(gòu)和含水量對孔隙比、飽和度等物理指標(biāo)也具有較大的影響［5］。

現(xiàn)場直剪測試的抗剪強度指標(biāo)，比采樣進(jìn)行室內(nèi)直剪測試的抗剪強度指標(biāo)更符合滑坡的變形特征［6］。野外采取大直徑樣品獲取的抗剪強度指標(biāo)，比小直徑樣品的抗剪強度指標(biāo)更接近真值［7］。室內(nèi)測試土的抗剪強度指標(biāo)是否代表土的抗剪強度，受樣品是否具有原狀結(jié)構(gòu)和其組分的影響［8］。

2023年9月鄭建國等人在第九屆全國巖土工程實錄交流大會上表示，采用原位試驗大規(guī)模獲取巖土物理力學(xué)指標(biāo)的方法難以實現(xiàn)。原位試驗成本高，范圍有限。例如原位直剪、壓板荷載等試驗很難在深部開展。

巖土體是非均勻、各向異性的。采樣進(jìn)行室內(nèi)試驗不單要獲得場地范圍內(nèi)同一巖土層的普遍指標(biāo)，也要獲得這些指標(biāo)中某一范圍的力學(xué)指標(biāo)的空間分布，以此判斷地層在物理力學(xué)指標(biāo)層面的均一性與軟弱分布特征。

環(huán)刀樣樣品是《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 87—2012》［9］中要求的最高等級樣品。用直徑61.8 mm，高20 mm 的單個試驗環(huán)刀進(jìn)行采樣有兩個缺點：①只能在表層進(jìn)行采樣；②因缺乏有效的保護(hù)和密封裝置，容易造成樣品擾動脫落和失水。

在廣州市軌道交通工程花崗巖風(fēng)化層及殘積土抗剪強度指標(biāo)取值研究項目中，通過分析原有采樣技術(shù)和流程的操作步驟和效果，設(shè)計并制造了安裝環(huán)刀組的采樣器［10］（原位環(huán)刀采樣器）。這一采樣器能滿足對不同埋深地層的采樣需求，對地層中顆粒粒徑小于5 mm 的各種軟硬土層，均可采取具有原狀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的巖土樣品，并能完好地保存其結(jié)構(gòu)和組分，送至室內(nèi)進(jìn)行各項指標(biāo)的試驗測試。

在本次試驗過程中，對花崗巖風(fēng)化土分別采用原位直剪，原位環(huán)刀采樣器、108厚壁采樣器采樣進(jìn)行室內(nèi)直剪。通過對獲得的巖土抗剪強度、含水量指標(biāo)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)原位環(huán)刀采樣器采樣獲得的抗剪強度指標(biāo)與直剪試驗獲得的抗剪強度指標(biāo)具有良好的線性關(guān)系，偏差小于8.42%。108 厚壁采樣器采樣獲取的抗剪強度指標(biāo)具有中線收縮和大幅偏離原位直剪試驗指標(biāo)的現(xiàn)象。

1 試驗對比及原因分析

為準(zhǔn)確地分析原位環(huán)刀采樣器與108厚壁采樣器采取的巖土樣品所測指標(biāo)值與真值的差異。選取廣東地區(qū)典型的結(jié)構(gòu)性土（花崗巖風(fēng)化殘積土和風(fēng)化層）作為試驗對象。

1.1 對比試驗

試驗場地為分布花崗巖風(fēng)化的殘積、全風(fēng)化、強風(fēng)化土層的邊坡。試驗前邊坡已完成了邊坡勘查、設(shè)計和施工治理工作。后因降雨導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)較大面積的垮塌，為獲得邊坡土的準(zhǔn)確抗剪強度指標(biāo)，現(xiàn)場采用0.1 m2的直剪試驗儀進(jìn)行現(xiàn)場直剪試驗，來測試土的抗剪強度指標(biāo)。試驗點分布及采樣概況如圖1所示。

圖1 邊坡試驗點及現(xiàn)場試驗Fig.1 Slope Test Point and Field Test

在試驗點處和相同深度位置分別采用原位環(huán)刀采樣器、108厚壁采樣器采樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，所獲得的含水量、抗剪強度指標(biāo)與現(xiàn)場測定的含水量、抗剪強度指標(biāo)進(jìn)行對比。

原位環(huán)刀采樣器用錘擊法采樣，108 厚壁采樣器用清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行采樣。室內(nèi)測試按土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。選取了含水量、黏聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)進(jìn)行相互對比。

1.2 對比指標(biāo)分析

⑴含水量指標(biāo)的對比，現(xiàn)場含水量指標(biāo)采用稱重-酒精燒蝕法獲取，含水量指標(biāo)如表1 所示，各組含水量指標(biāo)變化曲線如圖2所示。

表1 含水量指標(biāo)對比Tab.1 Water Content Index Comparison

圖2 含水量指標(biāo)對比曲線Fig.2 Comparison Curve of Water Content Index

通過表1 和圖2 數(shù)據(jù)表明，采用清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，108 采樣器采樣獲得的含水量，與現(xiàn)場試驗測試的含水量指標(biāo)之間沒有線性相關(guān)性。原位環(huán)刀采樣器采樣獲取的含水量指標(biāo)，與現(xiàn)場試驗測試的含水量指標(biāo)之間，具有良好的線性相關(guān)性，最大偏差僅4.5%。其中第一、三、五組為黏性土，第二、六組為砂質(zhì)黏性土，第四組為礫質(zhì)粘性土（土性下同）。

⑵黏聚力指標(biāo)的對比，黏聚力指標(biāo)如表2 所示，各組黏聚力指標(biāo)變化曲線如圖3所示。

表2 黏聚力指標(biāo)對比Tab.2 Comparison of Cohesion Index

圖3 黏聚力指標(biāo)對比曲線Fig.3 Cohesion Index Comparison Curve

通過表2 和圖3 數(shù)據(jù)表明，采用清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，108采樣器采樣獲得的黏聚力指標(biāo)比現(xiàn)場測試結(jié)果偏低，其偏差超過24%，且最大達(dá)68.5%，圖3 所示黏聚力曲線形狀呈現(xiàn)出與現(xiàn)場測試指標(biāo)相背離形態(tài)。原位環(huán)刀采樣器采樣獲取的黏聚力指標(biāo)，與現(xiàn)場直剪試驗獲得的黏聚力指標(biāo)之間，具有良好的線性相關(guān)性，最大偏差僅5.1%。

⑶內(nèi)摩擦角指標(biāo)的對比，內(nèi)摩擦角指標(biāo)如表3所示，各組內(nèi)摩擦角指標(biāo)變化曲線如圖4所示。

表3 內(nèi)摩擦角指標(biāo)對比Tab.3 Internal Friction Angle Index Comparison

圖4 內(nèi)摩擦角指標(biāo)對比曲線Fig.4 Internal Friction Angle Index Comparison Curve

通過表3 和圖4 數(shù)據(jù)表明，采用清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，108采樣器采樣獲得的內(nèi)摩擦角指標(biāo)比現(xiàn)場測試結(jié)果偏差超過13%，且最大高出107.7%，圖4所示108采樣器采樣獲取的內(nèi)摩擦角曲線形狀，波動幅度比現(xiàn)場直剪測試獲得的內(nèi)摩擦角指標(biāo)小很多，呈明顯的收斂形態(tài)。原位環(huán)刀采樣器采樣獲取的內(nèi)摩擦角指標(biāo)，與現(xiàn)場直剪試驗獲得的內(nèi)摩擦角指標(biāo)之間，具有良好的線性相關(guān)性，最大偏差僅8.7%。

1.3 原因分析

通過以上試驗結(jié)果顯示，原位環(huán)刀采樣器采取的試樣，進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，所獲取的抗剪強度指標(biāo)、含水量指標(biāo)與現(xiàn)場試驗值間均具有良好的線性關(guān)系。108厚壁采樣器清水回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，采取的試樣樣，進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗，所獲取的指標(biāo)與現(xiàn)場試驗值間不具備線性關(guān)系，偏離幅度為含水率-18.0%～50.6%，黏聚力指標(biāo)-21.0%～（-68.5%），內(nèi)摩擦角指標(biāo)-13.0%～107.7%。

108 厚壁采樣器采樣流程如圖5 所示。對巖土采樣基本都是需要經(jīng)過野外打樣、拆樣、封裝、保存、運輸以及室內(nèi)制作標(biāo)準(zhǔn)試件（環(huán)刀樣）等多個環(huán)節(jié)。每一個操作步驟都對樣品存在擾動。

圖5 108厚壁采樣器采樣流程Fig.5 108 Sampling Flowchart of Thick Wall Sampler

原位環(huán)刀采樣器采樣如圖6 所示，環(huán)刀放置于樣筒內(nèi)，測試樣品打樣時壓入環(huán)刀內(nèi)，在拆樣、封裝環(huán)節(jié)不對樣品進(jìn)行觸碰。樣品運輸過程中，環(huán)刀、密封蓋緊貼樣品，剛性樣筒保護(hù)樣品不受外力沖擊，環(huán)刀限制了樣品松動以及樣筒積水和應(yīng)力釋放。樣筒兩端擰緊密封蓋完成樣品密封，操作簡單。

圖6 原位環(huán)刀采樣器采樣流程Fig.6 Sampling Flowchart of In-situ Ring Knife Sampler

圖5 所示108 厚壁采樣器，用單縫鋁皮裝于半合管采樣器內(nèi)進(jìn)行采樣，拆樣時樣皮因彈性原因會與樣品松開。封裝時需把單縫鋁皮裹回樣品外周，兩端用樣盒蓋相扣，再采用膠帶裹纏樣盒和口縫處，常因用力不當(dāng)導(dǎo)致樣品受力變形或與樣盒無法完好貼合，樣盒內(nèi)存在松動和積水空間。進(jìn)行浸蠟密封，常因蠟冷卻后與鋁皮間容易出現(xiàn)脫落，造成失水。運輸中因柔性鋁皮抗變形能力差，常出現(xiàn)樣品被擠壓變形，實驗室內(nèi)時常收到“歪頭樣”。樣品失水、應(yīng)力釋放、結(jié)構(gòu)破壞，是導(dǎo)致108厚壁采樣器采取的巖土樣，所測試獲的指標(biāo)，與現(xiàn)場直剪測試指標(biāo)，之間存在較大偏差的原因。

2 工程實例

原位環(huán)刀采樣器在邊坡勘察、地鐵勘察、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等工程實踐中都有應(yīng)用，本次研究選取廣州增城某坡邊坡應(yīng)急搶險治理工程為例。勘察工作中采用原位環(huán)刀采樣器，與108 厚壁采樣器采樣進(jìn)行室內(nèi)試驗分析，以獲取邊坡巖土的物理力學(xué)指標(biāo)，各指標(biāo)統(tǒng)計值如表4所示。

表4某邊坡勘察中原位環(huán)刀采樣器采樣與108護(hù)壁采樣器采樣的指標(biāo)統(tǒng)計值對比Tab.4 Comparison of the Statistical Values of the Indicators Sampled by the Central Ring Cutter Sampler and the 108 Protective Wall Sampler in a Slope Investigation

每組樣品由一個原位環(huán)刀采樣器采的樣，和一個108 厚壁采樣器采的樣組成。采樣時先使用108 厚壁采樣器采樣，隨后用原位環(huán)刀采樣器采樣，同一組的108 樣底與原位環(huán)刀采樣頂深度相距0.2 m。一共采取8組試樣。按土工試驗標(biāo)準(zhǔn)在室內(nèi)進(jìn)行各項指標(biāo)測試。在獲取的主要指標(biāo)中，土的孔隙比指標(biāo)e，飽和度指標(biāo)Sr，黏聚力指標(biāo)c，內(nèi)摩擦角指標(biāo)φ，天然密度指標(biāo)ρ，天然含水率集中度（變異系），壓縮系數(shù)指標(biāo)α，壓縮模量指標(biāo)E等均有較大的差異。

本項目按兩種方法獲取的指標(biāo)，分別進(jìn)行治理方案設(shè)計和造價核算：①方案1，依據(jù)原位環(huán)刀采樣器采樣樣品測試指標(biāo)，設(shè)計的治理方案總造價為389多萬元；②方案2，依據(jù)108 厚壁采樣器采樣樣品測試指標(biāo)，設(shè)計的治理方案總造價為630 多萬元。按方案1 進(jìn)行治理施工，通過1年來的變形監(jiān)測表明，治理工作安全有效。節(jié)省治理費用超過240萬元。

3 討論

⑴ 工程建設(shè)活動經(jīng)濟性與安全性的平衡點問題，為準(zhǔn)確確定巖土層物理力學(xué)指標(biāo)。原位環(huán)刀采樣器采樣的主要價值在于，其能獲取較為接近勘察時土體狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

⑵在原位直剪試驗很難開展時，原位環(huán)刀采樣器采樣進(jìn)行測試的指標(biāo)，比當(dāng)前常規(guī)方法更接近巖土體參數(shù)指標(biāo)真值，用其替代現(xiàn)有常規(guī)方法更有利于工程建設(shè)活動。

⑶土的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性，隨著地下水、振動、荷載作用等環(huán)境變化而變化。對土因環(huán)境變化，引起其物理力學(xué)性質(zhì)變化，依托現(xiàn)有理論體系進(jìn)行變形程度和致災(zāi)結(jié)果預(yù)測，預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性與否，不僅決定于理論體系的適應(yīng)性，也決定于演繹計算時其起始參數(shù)的準(zhǔn)確性，故準(zhǔn)確獲取勘察時土體狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)極為重要。

4 結(jié)論

⑴原位環(huán)刀采樣器采樣獲取的巖土物理力學(xué)指標(biāo)，較108 厚壁采樣器采樣獲取的理力學(xué)指標(biāo)更接近真值。

⑵影響巖土物理力學(xué)指標(biāo)偏離真值的原因，是樣品的采取、封裝、運輸、抗變形、二次制作標(biāo)準(zhǔn)試件等環(huán)節(jié)，對土體結(jié)構(gòu)造成的破壞。這種破壞具有正向和負(fù)向兩方面影響，正向?qū)е鹿こ探ㄔO(shè)按測試指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計和施工時出現(xiàn)不同程度的安全風(fēng)險，負(fù)向?qū)е掳礈y試指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計和施工時工程建設(shè)經(jīng)濟性較差。

⑶原位環(huán)刀采樣器樣品為直徑61.8 mm，高20 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，無需多余的巖土層進(jìn)行試件保護(hù)。不僅使室內(nèi)固體垃圾產(chǎn)量比108 厚壁樣減少了60%以上，還消除了石蠟、膠帶、鋁皮等一次性材料在工程建設(shè)活動中的使用，具有良好的環(huán)境效益。

⑷原位環(huán)刀采樣器在整個采樣和試件制作過程中，降低現(xiàn)場工人參與度，避免對樣品結(jié)構(gòu)的擾動。樣筒采用帶密封墊的蓋子對樣品進(jìn)行密封，降低了樣品密封封裝的操作難度，提高了樣品的密封效果。