海底強風化花崗巖K0固結三軸試驗尺寸效應

李傳懿，陳志波

(1.福州大學環境與資源學院，福建福州，350116；2.地質工程福建省高校工程研究中心，福建福州，350116；3.自然資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室，福建福州，350116)

花崗巖在我國東南沿海地區廣泛分布，根據風化程度的不同，可分為微風化、中風化、強風化、殘積土等不同風化程度的花崗巖[1]。海底的花崗巖風化土常年受海洋環境的影響，其物理力學性質與陸地上的土體存在一定的差異。隨著沿海地區海洋經濟的快速發展，越來越多的工程從陸地走向海洋，掌握海洋地質條件下土體的工程特性很重要。三軸試驗是研究土體力學性質及確定土體抗剪強度參數的有效方法，在工程實踐及數值模擬中，土體強度參數的可靠度取決于相關三軸試驗結果的準確性。但已有的研究表明，三軸試驗中試樣尺寸不同會對土體力學性質及各項參數產生影響。OMAR等[2]對不同尺寸的松砂試樣進行研究，發現松砂的體應變隨著試樣尺寸增大而減小。HU 等[3]考慮了試樣尺寸對砂土的影響，認為不同尺寸的砂土試樣的應力-應變關系在達到主應力差峰值前是一致的，但在峰值后有所差異。孔憲京等[4]對某堆石料開展了不同試樣尺寸的三軸試驗，發現土體的峰值強度隨試樣尺寸增大而減小。李翀等[5]對砂巖過渡料展開研究，發現在相同圍壓下，試樣尺寸越大，土體初始切線模量越小。梅迎軍等[6]研究了砂礫石混合料的尺寸效應，發現內摩擦角φ隨試樣尺寸增大而減小。朱俊高等[7]探討了試樣尺寸的不同對粗粒料強度的影響規律，發現土料的抗剪強度指標隨試樣尺寸增大而減小。目前，針對試樣尺寸效應開展的研究大多是以砂土及人工配比的土石混合料的試樣為主，而對于天然狀態下未擾動的原狀土的研究較少。大量的工程實踐和試驗結果均表明，天然狀態下的土體具有一定的結構性[8-11]，其力學特性通常與對應的重塑土有明顯差異，因此，針對原狀土體進行試樣尺寸效應的研究顯得尤為必要。本文作者對福建省平潭綜合實驗區的某近海區風電場內海底的原狀強風化花崗巖進行研究，探討試樣尺寸對海洋環境下原狀強風化花崗巖應力-應變特性、臨界狀態線、抗剪強度指標的影響以及土體的顆粒破碎情況。

1 試驗土樣及試驗方案

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自福建省平潭綜合實驗區某近海區風電場的工程區域，該地區分布著大量的燕山晚期花崗巖[12]。現場利用單洞雙管的回轉取土器[1]，并輔以植物膠作為循環液進行鉆探取樣，鉆取同一鉆孔內深度為31～35 m的若干段強風化花崗巖，該取樣方法對土樣擾動小，能夠保證土樣的原狀性。現場鉆取的若干段強風化花崗巖風化強烈，呈褐黃色，巖芯呈砂土狀；礦物除石英外，其余均已風化呈碎屑狀及土狀，手捏易散，遇水易軟化、崩解；每段土樣的直徑為133 mm，高度為400 mm。表1所示為土樣的基本物理性質，表2所示為土樣的粒度分布。

表1 土樣的基本物理性質Table 1 Physical properties of soils

表2 土樣的粒度分布Table 2 Granularity distribution of soils

1.2 試驗方案

根據SL237—1999“土工試驗規程”[13]，將現場取得的土樣制備成小、中、大3種尺寸的三軸試樣，其直徑分別為39.1，61.8和101.0 mm，對應試樣的高度為80，125 和200 mm。本文所研究的對象為飽和試樣，因此，在試樣制備完成后采用真空飽和法對試樣進行抽氣飽和，即將試樣放置在真空飽和缸中抽氣2 h，待抽氣結束后浸泡10 h；再將飽和后的試樣在三軸儀上進行反壓飽和，分級施加圍壓與反壓，待孔系水壓系數達0.95 以上時再對試樣進行K0固結試驗(其中，K0為靜止土壓力系數)。由于天然土層中的土體通常認為處于K0固結狀態[14]，因此，采用K0固結的三軸剪切試驗可以更加準確地反映天然土層的特性。本試驗的K0取0.40。待固結完成后，對試樣進行不排水剪切試驗，并將主應力差(σ1-σ3)的峰點值作為試樣破壞點，若剪切過程中無明顯峰點值，則取軸向應變εa=15%時所對應的主應力差為試樣破壞強度和峰值強度。表3所示為3種尺寸試樣的K0固結三軸不排水剪切試驗的試驗方案。

表3 K0固結三軸不排水剪切試驗方案Table 3 Scheme of K0 consolidated-undrained triaxial tests

2 試驗結果與分析

2.1 試樣尺寸對應力-應變特性的影響

圖1所示為不同圍壓下，不同尺寸試樣的K0固結不排水剪切試驗的應力-應變曲線。由于K0固結不排水剪切試驗固結完成時軸向力不為0 kPa，使其應力-應變曲線的起始點位于零點以上。由圖1可見：在不同圍壓下，小尺寸試樣的應力-應變曲線均位于中尺寸試樣的上方，中尺寸試樣的應力-應變曲線均位于大尺寸試樣的上方；3種不同尺寸試樣的應力-應變曲線在低圍壓下均表現出應變硬化且無明顯主應力差的峰值，但隨著圍壓增加，各試樣均表現出輕微的應變軟化；隨著圍壓的不斷增大，3 種不同尺寸試樣的應力-應變曲線存在較明顯峰值，且主應力差在剪切初期快速上升，達到峰值后開始緩慢下降。在高圍壓下試樣達到破壞時的軸向應變要比低圍壓下試樣的小，這是由于試樣在高圍壓下進行固結，試樣內部的孔隙相較于低圍壓下的孔隙被進一步壓縮，土體趨于密實，壓縮性提高，土體在剪切過程中更快達到峰值強度。

建筑工程測量在建筑施工中發揮著重要的作用，為了提高學生對工程測量知識和技能的掌握，在中職建筑工程測量教學中采用“五環四步”教學模式是很有必要的，在教學過程中，教師要重視以學生為主體，讓中職學生從過去被動的“讓我學”，轉變為主動的“我要學”，成為優秀的工程技術人員。

2.2 試樣尺寸對強度特性的影響

圖2所示為強風化花崗巖的峰值強度與圍壓σ3的關系曲線。由圖2可見：在同一圍壓下，尺寸較小試樣的峰值強度較大，并且隨著圍壓增加，各試樣的峰值強度也逐漸增大，不同試樣之間的峰值強度差值也隨之增大。

為進一步研究試樣尺寸對強風化花崗巖強度特性的影響，計算得到不考慮黏聚力c時土體的峰值內摩擦角φs[15]。

式中：σ1f和σ3f分別為試樣達到峰值強度時的大主應力與小主應力。

圖3 所示為峰值內摩擦角與圍壓的關系曲線。由圖3可見：隨著試樣尺寸增大，土體的峰值內摩擦角φs有一定程度降低，并且隨著圍壓增大，相同尺寸試樣的峰值內摩擦角也隨之降低。通過進一步研究可以發現，各尺寸試樣的峰值內摩擦角φs與圍壓σ3均呈冪函數關系，擬合曲線和擬合方程見圖3。

根據試樣直徑D與最大粒徑dmax之間的關系并結合試驗中得到的一些結果討論尺寸效應產生的原因。

由表4可知：不同尺寸的強風化花崗巖試樣的黏聚力c按從大到小依次為小尺寸試樣、中尺寸試樣、大尺寸試樣；小尺寸試樣與中尺寸試樣之間黏聚力差值為20.32 kPa，中尺寸試樣與大尺寸試樣的黏聚力差值為15.24 kPa，差值分別達到大尺寸試樣黏聚力的20.07%和15.05%。不同尺寸試樣的內摩擦角φ按從大到小依次為小尺寸試樣、中尺寸試樣、大尺寸試樣；小尺寸試樣與中尺寸試樣的內摩擦角差值為0.71°，中尺寸試樣與大尺寸試樣的內摩擦角差值為1.15°，差值分別達到大尺寸試樣內摩擦角的2.62%和4.25%。

由表5可知：與剪切前相比，在不同尺寸的試樣中，粒徑大于0.5 mm的顆粒其質量分數均減小；中尺寸試樣在[0.075,0.500)mm 粒級間的顆粒在低圍壓下表現為顆粒質量分數增加，但隨著圍壓增加，該部分顆粒的質量分數也隨之減小并低于剪切前的顆粒質量分數；對于粒徑小于0.075 mm 的細顆粒，其顆粒質量分數在各個圍壓下均增加。這表明在剪切過程中，首先是粒徑較大的顆粒承擔了剪切荷載，在剪切力的作用下，大量大顆粒破碎為粒徑較小的中等粒徑顆粒和細顆粒；隨著試驗圍壓增大，中等粒徑顆粒進一步被破碎，導致其顆粒質量分數減少，細顆粒質量分數繼續增加，且3種尺寸試樣的破碎情況相同。

圖1 不同圍壓下不同尺寸試樣的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of specimen with different sizes at different confining pressures

圖2 峰值強度與圍壓的關系曲線Fig.2 Relationship between peak strength and confining pressures

圖3 峰值內摩擦角φs與圍壓σ3的關系曲線Fig.3 Relationship between peak internal friction angle and confining pressures

2.3 試樣尺寸對臨界狀態線的影響

為進一步探討試樣尺寸對土體臨界狀態線的影響規律，分別計算3種尺寸試樣的臨界狀態線的斜率M，小尺寸試樣的斜率M=1.264，中尺寸試樣的斜率M=1.349，大尺寸試樣的斜率M=1.350。中尺寸試樣與小尺寸試樣的斜率M的差值為0.085，大尺寸試樣與中尺寸試樣斜率M的差值為0.001，差值分別達到大尺寸試樣斜率M的6.30% 和0.07%，這說明伴隨著試樣尺寸的增大，斜率M也隨之增大，但斜率M的增幅逐漸減小。同一種土體的臨界狀態線在p'-q-v空間中是唯一的[19](其中v為土體體積)，但試樣尺寸不同會給土體臨界狀態線及斜率M的確定帶來影響。

對于本文的強風化花崗巖，實測土顆粒最大粒徑dmax=4.5 mm，3 種尺寸試樣的D/dmax分別為8.7，13.7和22.4。在試樣直徑為39.1 mm的小尺寸三軸試驗中，由于試驗儀器的尺寸較小，導致土顆粒粒徑過大，因此，試驗儀器在很大程度上限制了土體中大顆粒的移動和翻滾，使試驗儀器對土體產生了較大的約束力，此時，測得的抗剪強度除包含土體本身的強度外，還包含了由于約束作用產生的增值[23]，從而使小尺寸試樣的抗剪強度增大。隨著試樣尺寸增大，試驗儀器對大顆粒移動的限制減小，由于約束作用而產生的抗剪強度增值也隨之減小，導致土體的抗剪強度隨著試樣尺寸增大而減小。

表4 強風化花崗巖的抗剪強度指標Table 4 Shear strength parameters of strongly weathered granite

圖4 不同尺寸強風化花崗巖試樣的臨界狀態線Fig.4 Critical state lines of strongly weathered granite under different specimen sizes

利用文獻[16]中的確定臨界狀態的方法，將三軸試驗中出現的剪切破壞點作為土體臨界狀態點[17-18]，在p'-q坐標中分別繪出某一尺寸試樣在不同圍壓下的三軸試驗中得到的破壞點所對應的有效應力p'和偏應力q，即可得到這一尺寸試樣的臨界狀態線。圖4所示為不同尺寸強風化花崗巖試樣的臨界狀態線，圖中的點為三軸試驗中的破壞點，直線為不同尺寸試樣的臨界狀態線。由圖4 可見：尺寸較小的試樣達到臨界狀態時，有效應力p'和偏應力q均較大，且其臨界狀態線位于尺寸較大的試樣上方，這表明試樣尺寸的差異對土體的臨界狀態線有一定影響。

3 顆粒破碎分析

為進一步分析在K0固結三軸不排水剪切試驗中因試樣尺寸不同所造成的差異，將剪切完成后的試樣風干至恒定質量，再進行篩分[13]，并利用MARSAL[20]提出的顆粒破碎指標Bg來定量分析強風化花崗巖的顆粒破碎情況。

式中：Wki為三軸試驗剪切前各粒組的顆粒質量分數；Wkf為三軸試驗剪切后各粒組的顆粒質量分數；ΔWk為每個粒組在試驗前后顆粒質量分數的差值；并且將計算所得出的所有正值ΔWk之和作為顆粒破率Bg。表5所示為不同尺寸試樣的K0固結三軸不排水試驗在剪切試驗前后風干試樣的粒組質量分數和顆粒破碎率。

總體而言，3種不同尺寸的試樣在試驗中均呈現出隨著試樣尺寸增大，抗剪強度降低的規律，這表明用較小尺寸的三軸試樣對原狀強風化花崗巖進行試驗時，測得的抗剪強度指標較大。因此，如果將小尺寸試樣確定的抗剪強度指標用于數值模擬計算時，在一定程度上可能會引起計算變形偏小。

進一步分析表5中的顆粒破碎率Bg可知：隨著試樣尺寸增大，各圍壓下土體顆粒破碎率均明顯增加，并且隨著試驗的圍壓增加，試樣的顆粒破碎率進一步增加[21]。這是由于在圍壓作用下，土體的密實度進一步提高，土顆粒之間的接觸趨于更加緊密，導致在剪切過程中，土顆粒發生了更劇烈的相互摩擦和翻越，致使土顆粒出現更大程度的破碎。

表5 剪切試驗前后風干試樣的粒組質量分數和顆粒破碎率Table 5 Particle mass fractions before and after shear process and particle breakage indexes of dry specimens

4 討論

表4所示為3種尺寸試樣的K0固結不排水剪切試驗的抗剪強度指標，其中，φ為內摩擦角。

使用腹腔鏡檢查,有47例子宮漿膜下肌瘤,10例盆腔粘連,18例輸卵管堵塞,17例卵巢囊腫,14例子宮穿孔和腫塊。有46例輕度疼痛,49例中度疼痛,11例有迷走神經刺激癥狀。患者平均手術花費24.5 min,平均出血31.5 m L。對患者患者了半年的隨訪,有2例失聯,共有40例子宮漿膜下肌瘤患者月經正常,7例改善。10例盆腔粘連患者接受分離手術后,子宮形態恢復,內膜生長良好。有17例卵巢囊腫患者癥狀改善。有12例輸卵管堵塞的患者均成功妊娠,有3例疏通。

常規護理過度依賴醫師醫囑,程序化、單一化,缺乏與患者之間的溝通,從而患者配合度低、依從性差,可能延誤治療時間,影響最終治療效果。本文提出以上述患者自殺原因與心理狀態為依據,在實施常規基礎上增加心理干預。本文研究結果顯示:經相應護理后,觀察組患者置胃管耗時、搶救成功率、再次自殺率均明顯優于對照組;另外,觀察組患者SAS、SDS評分均明顯優于對照組患者。可見,以患者自殺原因、心理狀態為依據,實施心理護理干預,對提高搶救效果、緩解心理情緒作用顯著,值得臨床推廣。

隨著試樣尺寸增大，儀器對土顆粒移動限制也相對減弱，使土體中的大顆粒在剪切過程中可充分滑移和翻越，土顆粒之間的充分接觸和摩擦使土體顆粒破碎率增加。在試驗中表現為大尺寸試樣的顆粒破碎率Bg最大，中尺寸試樣次之，小尺寸試樣最小。已有的研究[24-25]表明，在三軸試驗中，土體的顆粒破碎率越大，土體總的強度指標越小，本試驗的顆粒破碎情況及土體強度指標變化規律也與之相符，即：大尺寸試樣的顆粒破碎率最大，抗剪強度指標最小；小尺寸試樣的顆粒破碎率最小，抗剪強度指標最大；中尺寸試樣的顆粒破碎率和抗剪強度指標介于大尺寸試樣和小尺寸試樣之間。

根據現有的規范[13]，當試樣直徑D小于100 mm 時，試樣直徑D與最大粒徑dmax之比D/dmax宜大于10，但ASTM[22]規定，D/dmax宜大于6，即目前對于D/dmax的取值規定還并不明確，對其適用條件的認定還不夠清晰，然而，D/dmax對試驗結果產生不可忽視的影響。

由本文的試驗結果可知，試樣尺寸效應主要導致強風化花崗巖黏聚力衰減，而內摩擦角的變化并不明顯。黏聚力主要受顆粒間的膠結作用影響，因此，在定性分析黏聚力變化規律時主要考慮由于顆粒之間膠結作用減弱產生的影響。由于土體中大顆粒在破碎的同時，伴隨著細顆粒質量分數增加，細顆粒可與試樣中的水充分接觸；在剪切過程中，表面裹挾著水的細顆粒不斷填充到土體的孔隙之中，使試樣中水的鍥入作用增強，削弱了土顆粒之間不可逆轉的范德華力，顆粒之間的膠結作用減弱，引起土體的黏聚力降低。隨著試樣尺寸增大，土體顆粒破碎程度增加，水的鍥入作用越明顯，從而導致黏聚力大幅度降低。

5 結論

1)強風化花崗巖的應力-應變曲線在低圍壓下呈應變硬化，隨著圍壓增大逐漸向軟化過渡；不同尺寸試樣的應力-應變特性總體上是相似的，但在數值上存在一定差異。

政策二：4月26日，國家市場監督管理總局發布了《餐飲服務明廚亮灶工作指導意見》。意見提出，鼓勵餐飲服務提供者實施明廚亮灶。公開的重點內容包括廚房環境衛生、冷食類食品加工制作、生食類食品加工制作、烹飪和餐飲具清洗消毒（使用洗碗機進行清洗消毒以及提供一次性和集中清洗消毒的餐飲具除外）等。

我國立法應借鑒上述規定，即起訴權不得放棄。其理由是:法律意義上的親子關系在人身上和財產上具有十分重要的意義。

2)強風化花崗巖臨界狀態線的確定受試樣尺寸的影響，表現為尺寸較小試樣的臨界狀態線位于尺寸較大試樣的臨界狀態線的上方，臨界狀態線的斜率M隨試樣尺寸的增大而增大，但增幅逐漸減小。

從制種生產開始到種子收割裝袋入庫的各個生產環節都要嚴格防止生物學混雜和機械混雜，對于田間雜株做到發現一株除掉一株。在母本授粉結束后20 d即可搶晴天收割，先割父本，后收母本，并安排專人、固定專用收獲工具和曬場，避免種子混雜，確保種子質量。

3)不同尺寸試樣的抗剪強度指標按從大到小依次為小尺寸試樣、中尺寸試樣、大尺寸試樣。

音頻信號選用的窗函數為漢明窗,幀長256點,幀移80點。采用高斯混合模型進行分類檢測,高斯混和密度為5,狀態數為5。

4)試樣尺寸增大時，土體的顆粒破碎率隨之增大，峰值強度也隨之降低。