某变电站软土取/制样扰动影响分析

刘益平，任亚群，康晨阳

(江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102)

某变电站软土取/制样扰动影响分析

刘益平，任亚群，康晨阳

(江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102)

山某变电站软粘土结构性强、灵敏度高，土工试验结果受取/制样扰动影响大，无侧限抗压强度仅为天然强度的47.3%。试样经过K0预固结处理后，无侧限抗压强度有大幅提高。说明K0预固结处理后试样的结构强度有所恢复，消除了部分取/制样扰动的影响，试验成果更接近天然强度。固结快剪的固结过程恢复了部分取/制样扰动的影响，利用固结快剪指标计算地基承载力与利用静探指标估算结果基本一致。

取/制样扰动；K0预固结；无侧限抗压强度；天然强度；十字板剪切试验。

工程勘察中往往通过钻探取样与室内土工试验来获得土体的力学指标，但在取/制样过程中，对土样的扰动不可避免。魏汝龙研究了软粘土取样扰动的影响,认为取/制样时的扰动作用主要由以下因素引起：(1)将土样从地层中取出时卸除上覆和周围的压力，引起有效应力发生变化；(2)卸去的有效应力部分由土的孔隙水表面张力代替，使得孔隙水承受负压，部分溶解于水中的气体逸出，导致土样中的残余有效应力降低，体积稍有膨胀；(3)取土、运输、贮存和加工土样时引起的附加机械扰动。软弱粘性土，如淤泥、淤泥质土，通常具有高灵敏度的特性，取/制样扰动的影响尤为明显。

通过土样预处理可使土工试验时试样的初始应力状态接近天然土层的原位应力状态，试验结果更接近土的天然强度。土样预处理主要有K0固结预处理和等向固结预处理两种。刘华清通过对比试验，认为K0固结预处理要优于等向固结预处理。但是，土样预处理并不能完全恢复试样的原始应力状态，对于饱和软粘土，用十字板剪切仪测定其不排水抗剪强度是较好的一种方法。

1 灵敏度分析

1.1 地质条件概况

某变电站位于连云港徐圩开发区，距黄海直线距离约5 km。地貌单元为海积平原，属于典型的滨海深厚软土区。地层主要由第四系全新统海相沉积成因的黏土、淤泥、粉质黏土、粉质黏土夹粉土和粉砂等组成。场地20 m以内各土层的物理力学参数见表1。层②淤泥为该地区典型深厚软土，具含水率高、灵敏度高等特性，本次研究主要针对该层土。

表1 土层物理力学参数

1.2 灵敏度分析与评价

为分析与评价层②淤泥层的灵敏度，勘察时布置了室内无侧限抗压强度试验与现场十字板剪切试验，测试结果见表2。

表2 层②淤泥层灵敏度测试结果

从表2可以看出，层②淤泥层属于中～高灵敏度土，结构性较强，取/制样过程中的扰动必然对测试结果有较大的影响。

2 取/制样扰动影响分析

2.1 十字板与三轴UU对比分析

十字板剪切试验是快速测定饱和软粘土层抗剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法。所测定的抗剪强度值cu，相当于试验深度处天然土层的不排水抗剪强度，理论上它相当于三轴UU试验的总强度Su。为分析取/制样的扰动对三轴UU试验的影响，把三轴UU试验结果与十字板测试成果进行对比分析，见表3。

表3 三轴UU与十字板试验数据

从表3可以看出，十字板试验测定的抗剪强度值cu是三轴UU试验总强度Su的1.79倍，说明受取/制样扰动的影响，三轴UU试验的抗剪强度有明显降低，远低于天然土层中的实际值，约为天然强度的56%。

2.2 K0预固结对无侧限影响分析

2.2.1 K0预固结处理

由于取土时应力释放，试样的初始应力状态与天然土层的原始应力状态不同，故要正确测试土的天然强度，应使室内土工试验时的初始应力状态符合天然土层的原位应力条件。

K0预固结时，竖向预固结压力取yh，侧向预固结压力取K0yh。固结阶段采用分级固结，固结时间根据土样固结快慢和固结排水速率确定；在固结结束后，即进行常规不排水剪切试验或无侧限抗压强度试验。

根据本次扁铲测试成果，层②淤泥层的静止侧压力系数K0为0.54。

2.2.2 对无侧限抗压强度试验应力—应变曲线的影响

为分析K0预固结对无侧限试验试样破坏形态的影响，对某深度处同一土样同时进行直接无侧限抗压试验与K0预固结无侧限抗压试验，其应力—应变曲线见图1。从图1中可以看出，经预固结处理试样的应力应变曲线呈峰值型，无侧限抗压强度qu取其峰值为43 kPa；而未经预固结处理试样的应力应变曲线则呈缓变型，无侧限抗压强度qu取应变15%对应的压力值，仅为20 kPa。另外，从图1中可以看出，不管是否预固结处理，重塑试样的应力应变曲线基本一致，均为缓变型，说明预固结处理对重塑试样的无侧限抗压强度影响不大。

图1 无侧限抗压强度试验应力—应变曲线

2.2.3 对无侧限抗压强度的影响

K0预固结处理使试样的初始应力状态接近天然土层的原位应力状态，无侧限抗压强度试验结果更接近天然强度。表4对比了同一深度土样预固结处理前、后的无侧限抗压强度。

表4 预固结处理前后无侧限抗压强度

从表4可以看出，K0预固结处理试样的无侧限抗压强度均有明显提高，说明预固结处理后试样的结构强度有所恢复，消除了部分取/制样扰动的影响。因此，为获取灵敏度较高的软粘土的强度参数，对试样进行必要的预处理，尽可能恢复其原始应力状态，具有重要意义。同时，随土样埋深的加深，影响系数呈增大趋势，说明埋深越大的土样，取样时应力释放效应对其强度试验结果影响越大。

2.3 综合分析评价

十字板剪切试验不需要采取土样，避免土样的扰动及天然应力状态的改变，测试结果接近土层的天然强度。对于软粘土(φ ＝0°)而言，理论上其测试结果为无侧限抗压强度的一半。表5综合对比分析了预固结处理前后无侧限抗压强度与十字板测试结果。

表5 综合对比分析

从表5对比可以看出，未预固结处理时试样强度仅为天然强度的47.3%，预固结处理后试样强度达天然强度的77.8%。说明经预固结处理，试样强度恢复明显，试验成果更接近天然强度，但仍有22.2%未恢复。因此，预固结处理措施虽然能消除部分取/制样扰动的影响，但不能全部恢复，说明了原位测试对获取准确强度参数的重要性。

3 抗剪强度与地基承载力

地基承载力的计算主要有理论公式法与经验公式法等。根据该变电站地区工程经验，软粘土利用静探指标计算地基承载力较为合理。根据扰动影响分析结论，取/制样的扰动对土工试验结果有较大影响，因此，选取何种力学试验指标来计算地基承载力对准确确定地基承载力至关重要。

图2、表6给出了各种抗剪强度指标与静探指标承载力计算结果。

图2 各指标对应地基承载力

表6 各指标地基承载力计算结果

根据计算结果，直接剪切与三轴UU指标地基承载力计算结果接近，但比静探指标计算结果偏低较多，三轴UU指标计算结果仅为静探指标计算结果的64%，接近于三轴UU与十字板对比结果，说明这两种试验结果受取/制样扰动影响较大，比天然强度折减较多。且从图2可以看出，三轴UU试验结果离散性较大；而固结快剪的固结过程恢复了部分取/制样扰动的影响，其地基承载力计算结果与静探指标计算结果基本一致，说明利用固结快剪指标计算地基承载力较合理，且固结快剪操作方便，试验成本较低。

4 结论

本文依据某变电站工程，通过对比软黏土K0预固结前后试样的力学参数及原位测试成果之间的关系，分析了取/制样扰动的影响,得出如下结论：

(1)预固结处理对试样的破坏形态(应力—应变曲线)有明显影响，且随着取样深度的增加，取样时应力释放效应的影响越明显。

(2)经预固结处理，能消除部分取/制样扰动的影响，试样强度大幅提高，更接近其天然强度，但不能完全恢复，原位测试手段是必要的。

(3)理论公式计算地基承载力时，选用固结快剪指标较合理。但鉴于软黏土具高灵敏度特性，岩土设计时需结合实际施工工况，岩土力学参数的取值应充分考虑施工扰动导致强度的降低。

[1] 魏汝龙．软粘土的强度与变形[M]．北京： 人民交通出版社，1987．

[2] 刘华清，等．取样扰动对土天然强度指标的影响和处理方法[J]．岩土工程技术，2002，(3) ．

[3] 胡中雄．土力学与环境土工学[M]．上海： 同济大学出版社，1997．

Analysis of Disturbance Infuence in Taking and Preparing for Samples in a Substation at Soft Clay Area

LIU Yi-ping, REN Ya-qun, KANG Chen-yang
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

As soft clay has properties of strong structure and high sensitivity, disturbance in taking and preparing for samples has great influence on soil test results. According to the results, the unconfined compressive strength accounts for only 47.3% of the natural strength. Under the state of K0pre-consolidation, the unconfned compressive strength has improved signifcantly. The phenomena show that the structural strength has been restored under K0preconsolidation process, eliminating the effect of disturbances in taking and preparing for samples，the results are closer to the natural strength. Consolidation process in consolidated quick direct shear test partly eliminates the effects of the samples disturbance, and the calculated values of the bearing capacity are basically the same by using the index from the quick direct shear test and the CPT indicators.

sample disturbance; K0pre-consolidation; unconfned compressive strength; natural strength; vane shear test.

TU4

：B

：1671-9913(2017)01-0010-04

2016-01-18

刘益平(1982- )，男，江苏如皋人，硕士研究生，高级工程师，主要从事岩土工程勘察与设计工作。