取樣方法對(duì)花崗巖殘積土強(qiáng)度影響分析

潘生貴 陳少峰 楊 輝 鄭有強(qiáng) 陳志波

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江杭州 311122；2.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院(福建)有限公司 福建福州 350007；3.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院巖土與地質(zhì)工程系 福建福州 350116)

0 引言

在我國(guó)東南地區(qū)，花崗巖分布廣泛[1]，其風(fēng)化土常見(jiàn)于工程建設(shè)中?；◢弾r殘積土具有崩解性[2]和結(jié)構(gòu)性[3]等特殊工程性質(zhì)。由于花崗巖殘積土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，在取樣過(guò)程中造成的擾動(dòng)會(huì)對(duì)其土樣強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，從而使室內(nèi)試驗(yàn)得出的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)失真。

土體由三相(固、液、氣)體系構(gòu)成，具有一定的結(jié)構(gòu)性，外界的干擾會(huì)使其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)[4]。對(duì)于結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的土體來(lái)說(shuō)，取樣擾動(dòng)對(duì)強(qiáng)度的影響不容小覷，因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)取樣方法進(jìn)行了相關(guān)研究。王年香等[5]對(duì)不同取樣技術(shù)取得的軟粘土試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土樣擾動(dòng)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)所得的力學(xué)指標(biāo)影響極大。張俊杰[6]對(duì)厚壁取土器和薄壁取土器所采取的土樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)薄壁取土器取樣效果較好，得出的物理力學(xué)指標(biāo)更符合實(shí)際情況。高大釗等[7]采用兩種不同直徑的取土器進(jìn)行取樣，研究取土器直徑對(duì)土樣的擾動(dòng)影響，發(fā)現(xiàn)取土器直徑對(duì)試樣的強(qiáng)度指標(biāo)和壓縮系數(shù)都有明顯影響。鄧永鋒等[8-9]對(duì)擾動(dòng)后軟土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)取樣擾動(dòng)是試驗(yàn)成果重要的影響因素。Lim等[10]使用3種取樣方法對(duì)澳大利亞的天然軟粘土進(jìn)行取樣研究，提出了利用有效指標(biāo)進(jìn)行取樣質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法，并用兩個(gè)例子來(lái)強(qiáng)調(diào)取樣擾動(dòng)的不良影響。Karlsson等[11]使用先進(jìn)的本構(gòu)模型進(jìn)行模擬輔助，對(duì)兩種不同取樣方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)取樣和試驗(yàn)水平的提升可以節(jié)省大量成本。

但是，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)取樣擾動(dòng)的研究目前仍較少，且大部分學(xué)者關(guān)注軟土的研究，對(duì)于花崗巖殘積土取樣擾動(dòng)的研究更是少之又少?；诖?，本文使用不同的取樣方法對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行取樣，研究取樣擾動(dòng)對(duì)其強(qiáng)度的影響，為花崗巖殘積土強(qiáng)度指標(biāo)取值提供參考。

1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣的花崗巖殘積土，采集于福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)某海灘，該地區(qū)表面被海積粉細(xì)砂覆蓋，其下為花崗巖殘積土。所取花崗巖殘積土基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，其粒徑分布曲線(xiàn)如圖1所示。

表1 花崗巖殘積土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 花崗巖殘積土粒徑分布曲線(xiàn)

2 不同取樣方法及其效果

分別使用厚壁取土器取樣、植物膠工藝鉆孔取樣和現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣3種方法，對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行取樣。

2.1 厚壁取土器取樣

厚壁取土器是花崗巖殘積土取樣中常用的取土器，其取樣過(guò)程先用巖芯管鉆進(jìn)到取樣位置，在鉆孔中使用重錘少擊法將取土器擊入土層中取樣。本次使用的厚壁取土器規(guī)格如表2所示。

表2 厚壁取土器參數(shù)

厚壁取土器的取樣效果如圖2所示，由于花崗巖殘積土的強(qiáng)度較高，厚壁取土器在取樣時(shí)需要較大的錘擊能，對(duì)花崗巖殘積土影響較大。從圖2中可以看到，左邊的土樣中上部存在裂紋，右邊的土樣中下部有明顯的缺陷，可能是在錘擊取土過(guò)程中造成的破壞。

圖2 厚壁取土器取樣效果

2.2 植物膠工藝鉆孔取樣

植物膠工藝鉆孔取樣成本較高，在工程中應(yīng)用較少，其取樣過(guò)程是在鉆孔中使用單動(dòng)雙管取土器回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取樣，植物膠作為沖洗液。

本次取樣所用的單動(dòng)雙管取土器規(guī)格如表3所示。使用的植物膠為KL型，植物膠沖洗液配制過(guò)程如下：先在100L的水中放入150g的NaOH攪拌1min，再放入25 kg的膨潤(rùn)土攪拌4 min，再將8 kg的植物膠加入其中攪拌8 min，最后邊加水邊攪拌，直至200 L的桶裝滿(mǎn)。

表3 單動(dòng)雙管取土器參數(shù) mm

植物膠工藝鉆孔取樣效果如圖3所示。該方法取樣效果較好，單動(dòng)雙管取土器在取樣時(shí)，外管旋轉(zhuǎn)、內(nèi)管壓入土體中取樣。植物膠液體具有較高的吸附能力及彈性，在循環(huán)過(guò)程中迅速吸附在試樣表面上，避免了沖洗液對(duì)巖芯的直接沖刷，使試樣的原狀結(jié)構(gòu)不易受到機(jī)械破壞。

圖3 植物膠工藝鉆孔取樣效果

2.3 現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣

現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣是在取樣場(chǎng)地上挖槽，在槽內(nèi)對(duì)土樣進(jìn)行人工刻塊。取樣過(guò)程如圖4所示，先開(kāi)挖至取樣深度，整平場(chǎng)地后確定取樣范圍；按確定的取樣范圍對(duì)土樣進(jìn)行切削，切削后的土樣直徑略大于取樣筒內(nèi)徑；將取樣筒套在土樣上，邊削邊套，直至取樣筒裝滿(mǎn)土樣；將底端土樣與取樣筒分離，削平取樣筒兩端土樣后，立即將土樣封裝。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣，因是人工挖槽并采用手動(dòng)切削取土，與機(jī)械取樣相比，最大程度減少對(duì)土樣的擾動(dòng)，取樣效果較好。

3 試驗(yàn)方案及成果分析

為了對(duì)比不同取樣方法對(duì)花崗巖殘積土強(qiáng)度指標(biāo)的影響，對(duì)不同取樣方法的花崗巖殘積土均進(jìn)行了直剪試驗(yàn)和三軸不固結(jié)、不排水剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)制樣過(guò)程按規(guī)范對(duì)土樣小心切削制成所需試樣，確保不擾動(dòng)試樣原狀結(jié)構(gòu)。

3.1 不同取樣方法所得試樣的直剪試驗(yàn)研究

3.1.1試驗(yàn)方案

根據(jù)上述取樣方法，分別使用現(xiàn)場(chǎng)挖槽、厚壁取土器和植物膠工藝鉆孔等三種方法對(duì)花崗巖殘積土進(jìn)行取樣，且3種取樣及其室內(nèi)試驗(yàn)在同一時(shí)間段完成，以保證對(duì)比效果；其中，現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣深度為0.5m～1.0m，厚壁取土器和植物膠工藝鉆孔取樣深度均為6.0m～7.0m。對(duì)這3種取樣方法取得的花崗巖殘積土試驗(yàn)進(jìn)行天然快剪試驗(yàn)，儀器使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式直剪儀，試樣直徑為6.18 cm，高為2 cm，垂直壓力依次施加100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min。

3.1.2試驗(yàn)成果

不同取樣方法的剪切位移和剪應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。

(a)現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣

(b)厚壁取土器取樣

(c)植物膠工藝鉆孔取樣

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，取樣質(zhì)量較好的試樣剪應(yīng)力在前期上升的速度較快，現(xiàn)場(chǎng)挖槽所得的試樣在低垂直壓力時(shí)還出現(xiàn)了明顯的峰值，在高垂直壓力下曲線(xiàn)均呈應(yīng)變硬化型。

3.1.3試驗(yàn)成果分析

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，抗剪強(qiáng)度為剪應(yīng)力峰值，如峰值不存在，抗剪強(qiáng)度應(yīng)取剪切位移為4mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力。不同取樣方法的抗剪強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同取樣方法試樣的直剪抗剪強(qiáng)度對(duì)比 kPa

從表4中可以看出，厚壁取土器所取試樣在各垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度均小于其它兩種取樣方法，主要原因是厚壁取土器在取樣過(guò)程中對(duì)土樣結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低?，F(xiàn)場(chǎng)挖槽所取試樣質(zhì)量最好，雖然取樣深度較淺，但是抗剪強(qiáng)度還略高于植物膠工藝鉆孔取得的試樣。

對(duì)不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合，作出如圖6所示垂直壓力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系擬合直線(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)挖槽試樣的擬合直線(xiàn)與植物膠工藝鉆孔試樣較接近，厚壁取土器試樣擬合直線(xiàn)的截距與其它兩種方法差距較大。

圖6 不同取樣方法的垂直壓力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)擬合直線(xiàn)的截距和斜率，計(jì)算得出如表5所示的強(qiáng)度指標(biāo)。

表5 花崗巖殘積土快剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表5可以發(fā)現(xiàn)，在天然快剪試驗(yàn)中，不同取樣方法的花崗巖殘積土試樣黏聚力差別較大，厚壁取土器取得的試樣黏聚力僅為植物膠工藝鉆孔試樣的55%左右，內(nèi)摩擦角的差距則較小。取樣擾動(dòng)對(duì)花崗巖殘積土直剪試驗(yàn)成果的影響主要體現(xiàn)在黏聚力上[12]。植物膠工藝鉆孔取得的試樣與現(xiàn)場(chǎng)挖槽試樣的快剪強(qiáng)度指標(biāo)較接近，說(shuō)明植物膠工藝鉆孔取樣質(zhì)量較好，對(duì)土體擾動(dòng)小。

3.2 不同取樣方法所得試樣的三軸試驗(yàn)研究

3.2.1試驗(yàn)方案

按前述取樣方法采集三軸試驗(yàn)的試樣，現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣深度為0.5 m～1.0 m，厚壁取土器和植物膠工藝鉆孔取樣深度均為8.0 m～10.0 m。對(duì)這3種取樣方法取得的花崗巖殘積土試驗(yàn)進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)，儀器使用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的應(yīng)變控制式三軸儀，試樣直徑為6.18 cm，高為12.5 cm，試驗(yàn)圍壓依次施加100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。

3.2.2試驗(yàn)成果

不固結(jié)不排水試驗(yàn)?zāi)軌虼_定土樣天然強(qiáng)度，這種試驗(yàn)方法獲得的強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)取樣擾動(dòng)產(chǎn)生的影響相當(dāng)敏感。不同取樣方法下的花崗巖殘積土不固結(jié)、不排水強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖9所示。

(1)厚壁取土器試樣(圖7)

(a)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

(b)強(qiáng)度包線(xiàn)

(2)植物膠工藝鉆孔試樣(圖8)

(a)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

(b)強(qiáng)度包線(xiàn)

(3)現(xiàn)場(chǎng)挖槽試樣(圖9)

(a)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

(b)強(qiáng)度包線(xiàn)

從圖7～圖9中可以看出，取樣效果較好的現(xiàn)場(chǎng)挖槽和植物膠工藝鉆孔試樣應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)速率較快，在應(yīng)變16%以?xún)?nèi)，試樣的主應(yīng)力差值持續(xù)增長(zhǎng)；而厚壁取土器所得的試樣在應(yīng)變達(dá)到8%后，應(yīng)力增長(zhǎng)幅度趨緩，圍壓200 kPa的試樣還出現(xiàn)了應(yīng)力下降現(xiàn)象。厚壁取土器取得的試樣在各圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)均明顯小于植物膠工藝鉆孔取得的試樣，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)受到較大擾動(dòng)，所以不固結(jié)、不排水強(qiáng)度顯著降低?，F(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣的深度雖然較淺，但其與植物膠工藝鉆孔取得的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)較接近，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣效果較好。

3.2.3試驗(yàn)成果分析

取應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)，峰值不存在時(shí)，取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。不同取樣方法在不同圍壓下破壞點(diǎn)主應(yīng)力差值如表6所示。

表6 不同取樣方法試樣的最大主應(yīng)力差值對(duì)比 kPa

由表6可知，由于現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣的深度較淺，其試樣最大主應(yīng)力差值比取樣深度較大的植物膠工藝鉆孔稍小，但是比厚壁取土器取得的試樣大得多。在取樣深度相同的情況下，厚壁取土器試樣的最大主應(yīng)力差值僅為植物膠工藝鉆孔試樣的55%左右，說(shuō)明取樣方法對(duì)花崗巖殘積土的三軸不固結(jié)、不排水強(qiáng)度影響很大。

根據(jù)不同取樣方法得到的強(qiáng)度包線(xiàn)，計(jì)算得出花崗巖殘積土的強(qiáng)度指標(biāo)如表7所示。

表7 花崗巖殘積土不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表7可以發(fā)現(xiàn)，不同取樣方法對(duì)不固結(jié)、不排水試驗(yàn)得出的黏聚力影響很大，厚壁取土器取得的試樣黏聚力，僅為植物膠工藝鉆孔取樣的55%左右，前者的內(nèi)摩擦角是后者的61%左右。與直剪試驗(yàn)有所不同，在三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)中，不同取樣方法對(duì)試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角均產(chǎn)生了較大的影響。現(xiàn)場(chǎng)挖槽取得的試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角，同樣比植物膠工藝鉆孔取得的試樣稍小，原因是由于現(xiàn)場(chǎng)挖槽取樣較困難，取樣深度比植物膠工藝鉆孔取樣的深度淺。

4 結(jié)論

(1)不同取樣方法在花崗巖殘積土中的取樣質(zhì)量差距很大，在工程勘察中應(yīng)選擇較合適的取樣方法。植物膠工藝鉆孔取樣技術(shù)在花崗巖殘積土適用性較好，取樣擾動(dòng)較小。

(2)在直剪試驗(yàn)中，不同取樣方法造成的取樣擾動(dòng)主要體現(xiàn)在黏聚力上，擾動(dòng)大的土樣黏聚力顯著下降，厚壁取土器取樣的粘聚力僅為植物膠工藝鉆孔取樣的55%左右，內(nèi)摩擦角差距較小。

(3)三軸試驗(yàn)不固結(jié)、不排水強(qiáng)度對(duì)土樣擾動(dòng)產(chǎn)生的影響很敏感，厚壁取土器所取試樣的抗剪強(qiáng)度顯著降低，其試樣黏聚力僅為植物膠工藝鉆孔取樣的55%左右，內(nèi)摩擦角是后者的61%左右。