取樣方法對花崗巖殘積土強度影響分析

潘生貴 陳少峰 楊 輝 鄭有強 陳志波

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江杭州 311122；2.華東勘測設計院(福建)有限公司 福建福州 350007；3.福州大學環境與資源學院巖土與地質工程系 福建福州 350116)

0 引言

在我國東南地區，花崗巖分布廣泛[1]，其風化土常見于工程建設中。花崗巖殘積土具有崩解性[2]和結構性[3]等特殊工程性質。由于花崗巖殘積土具有很強的結構性，在取樣過程中造成的擾動會對其土樣強度產生較大影響，從而使室內試驗得出的力學性質指標失真。

土體由三相(固、液、氣)體系構成，具有一定的結構性，外界的干擾會使其結構產生不同程度的擾動[4]。對于結構性強的土體來說，取樣擾動對強度的影響不容小覷，因此，國內外許多學者對取樣方法進行了相關研究。王年香等[5]對不同取樣技術取得的軟粘土試樣進行對比試驗，發現土樣擾動對室內試驗所得的力學指標影響極大。張俊杰[6]對厚壁取土器和薄壁取土器所采取的土樣試驗結果進行分析，發現薄壁取土器取樣效果較好，得出的物理力學指標更符合實際情況。高大釗等[7]采用兩種不同直徑的取土器進行取樣，研究取土器直徑對土樣的擾動影響，發現取土器直徑對試樣的強度指標和壓縮系數都有明顯影響。鄧永鋒等[8-9]對擾動后軟土進行無側限抗壓試驗和固結試驗，發現取樣擾動是試驗成果重要的影響因素。Lim等[10]使用3種取樣方法對澳大利亞的天然軟粘土進行取樣研究，提出了利用有效指標進行取樣質量評價的方法，并用兩個例子來強調取樣擾動的不良影響。Karlsson等[11]使用先進的本構模型進行模擬輔助，對兩種不同取樣方法的試驗結果進行分析，發現取樣和試驗水平的提升可以節省大量成本。

但是，國內外學者對取樣擾動的研究目前仍較少，且大部分學者關注軟土的研究，對于花崗巖殘積土取樣擾動的研究更是少之又少。基于此，本文使用不同的取樣方法對花崗巖殘積土進行取樣，研究取樣擾動對其強度的影響，為花崗巖殘積土強度指標取值提供參考。

1 試驗土樣

試驗土樣的花崗巖殘積土，采集于福建省平潭綜合實驗區某海灘，該地區表面被海積粉細砂覆蓋，其下為花崗巖殘積土。所取花崗巖殘積土基本物理性質指標如表1所示，其粒徑分布曲線如圖1所示。

表1 花崗巖殘積土基本物理性質指標

圖1 花崗巖殘積土粒徑分布曲線

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場挖槽取樣3種方法，對花崗巖殘積土進行取樣。

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，其取樣過程先用巖芯管鉆進到取樣位置，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格如表2所示。

表2 厚壁取土器參數

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度較高，厚壁取土器在取樣時需要較大的錘擊能，對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，在工程中應用較少，其取樣過程是在鉆孔中使用單動雙管取土器回轉鉆進取樣，植物膠作為沖洗液。

本次取樣所用的單動雙管取土器規格如表3所示。使用的植物膠為KL型，植物膠沖洗液配制過程如下：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。

表3 單動雙管取土器參數 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，單動雙管取土器在取樣時，外管旋轉、內管壓入土體中取樣。植物膠液體具有較高的吸附能力及彈性，在循環過程中迅速吸附在試樣表面上，避免了沖洗液對巖芯的直接沖刷，使試樣的原狀結構不易受到機械破壞。

圖3 植物膠工藝鉆孔取樣效果

2.3 現場挖槽取樣

現場挖槽取樣是在取樣場地上挖槽，在槽內對土樣進行人工刻塊。取樣過程如圖4所示，先開挖至取樣深度，整平場地后確定取樣范圍；按確定的取樣范圍對土樣進行切削，切削后的土樣直徑略大于取樣筒內徑；將取樣筒套在土樣上，邊削邊套，直至取樣筒裝滿土樣；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 現場挖槽取樣過程

現場挖槽取樣，因是人工挖槽并采用手動切削取土，與機械取樣相比，最大程度減少對土樣的擾動，取樣效果較好。

3 試驗方案及成果分析

為了對比不同取樣方法對花崗巖殘積土強度指標的影響，對不同取樣方法的花崗巖殘積土均進行了直剪試驗和三軸不固結、不排水剪切試驗。試驗制樣過程按規范對土樣小心切削制成所需試樣，確保不擾動試樣原狀結構。

3.1 不同取樣方法所得試樣的直剪試驗研究

3.1.1試驗方案

根據上述取樣方法，分別使用現場挖槽、厚壁取土器和植物膠工藝鉆孔等三種方法對花崗巖殘積土進行取樣，且3種取樣及其室內試驗在同一時間段完成，以保證對比效果；其中，現場挖槽取樣深度為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。對這3種取樣方法取得的花崗巖殘積土試驗進行天然快剪試驗，儀器使用南京土壤儀器廠生產的應變控制式直剪儀，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試驗成果

不同取樣方法的剪切位移和剪應力關系曲線如圖5所示。

(a)現場挖槽取樣

(b)厚壁取土器取樣

(c)植物膠工藝鉆孔取樣

從圖5中可以發現，取樣質量較好的試樣剪應力在前期上升的速度較快，現場挖槽所得的試樣在低垂直壓力時還出現了明顯的峰值，在高垂直壓力下曲線均呈應變硬化型。

3.1.3試驗成果分析

根據《土工試驗方法標準》的相關規定，抗剪強度為剪應力峰值，如峰值不存在，抗剪強度應取剪切位移為4mm時對應的剪應力。不同取樣方法的抗剪強度如表4所示。

表4 不同取樣方法試樣的直剪抗剪強度對比 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程中對土樣結構破壞較嚴重，導致抗剪強度降低。現場挖槽所取試樣質量最好，雖然取樣深度較淺，但是抗剪強度還略高于植物膠工藝鉆孔取得的試樣。

對不同垂直壓力下的抗剪強度進行擬合，作出如圖6所示垂直壓力與抗剪強度關系擬合直線，現場挖槽試樣的擬合直線與植物膠工藝鉆孔試樣較接近，厚壁取土器試樣擬合直線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度關系曲線

根據擬合直線的截距和斜率，計算得出如表5所示的強度指標。

表5 花崗巖殘積土快剪強度指標

由表5可以發現，在天然快剪試驗中，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，內摩擦角的差距則較小。取樣擾動對花崗巖殘積土直剪試驗成果的影響主要體現在黏聚力上[12]。植物膠工藝鉆孔取得的試樣與現場挖槽試樣的快剪強度指標較接近，說明植物膠工藝鉆孔取樣質量較好，對土體擾動小。

3.2 不同取樣方法所得試樣的三軸試驗研究

3.2.1試驗方案

按前述取樣方法采集三軸試驗的試樣，現場挖槽取樣深度為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。對這3種取樣方法取得的花崗巖殘積土試驗進行不固結不排水試驗，儀器使用南京寧曦土壤儀器有限公司生產的應變控制式三軸儀，試樣直徑為6.18 cm，高為12.5 cm，試驗圍壓依次施加100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。

3.2.2試驗成果

不固結不排水試驗能夠確定土樣天然強度，這種試驗方法獲得的強度指標對取樣擾動產生的影響相當敏感。不同取樣方法下的花崗巖殘積土不固結、不排水強度試驗結果如圖7～圖9所示。

(1)厚壁取土器試樣(圖7)

(a)應力應變曲線

(b)強度包線

(2)植物膠工藝鉆孔試樣(圖8)

(a)應力應變曲線

(b)強度包線

(3)現場挖槽試樣(圖9)

(a)應力應變曲線

(b)強度包線

從圖7～圖9中可以看出，取樣效果較好的現場挖槽和植物膠工藝鉆孔試樣應力隨著應變的增長速率較快，在應變16%以內，試樣的主應力差值持續增長；而厚壁取土器所得的試樣在應變達到8%后，應力增長幅度趨緩，圍壓200 kPa的試樣還出現了應力下降現象。厚壁取土器取得的試樣在各圍壓下的應力應變曲線均明顯小于植物膠工藝鉆孔取得的試樣，因為其結構受到較大擾動，所以不固結、不排水強度顯著降低。現場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力應變曲線較接近，說明現場挖槽取樣效果較好。

3.2.3試驗成果分析

取應力應變曲線上主應力差的峰值作為破壞點，峰值不存在時，取軸向應變為15%時的主應力差值作為破壞點。不同取樣方法在不同圍壓下破壞點主應力差值如表6所示。

表6 不同取樣方法試樣的最大主應力差值對比 kPa

由表6可知，由于現場挖槽取樣的深度較淺，其試樣最大主應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力差值僅為植物膠工藝鉆孔試樣的55%左右，說明取樣方法對花崗巖殘積土的三軸不固結、不排水強度影響很大。

根據不同取樣方法得到的強度包線，計算得出花崗巖殘積土的強度指標如表7所示。

表7 花崗巖殘積土不固結不排水抗剪強度指標

由表7可以發現，不同取樣方法對不固結、不排水試驗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，前者的內摩擦角是后者的61%左右。與直剪試驗有所不同，在三軸不固結不排水試驗中，不同取樣方法對試樣黏聚力和內摩擦角均產生了較大的影響。現場挖槽取得的試樣黏聚力和內摩擦角，同樣比植物膠工藝鉆孔取得的試樣稍小，原因是由于現場挖槽取樣較困難，取樣深度比植物膠工藝鉆孔取樣的深度淺。

4 結論

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

(2)在直剪試驗中，不同取樣方法造成的取樣擾動主要體現在黏聚力上，擾動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，內摩擦角差距較小。

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