取样方法对花岗岩残积土强度影响分析

潘生贵 陈少峰 杨 辉 郑有强 陈志波

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江杭州 311122；2.华东勘测设计院(福建)有限公司 福建福州 350007；3.福州大学环境与资源学院岩土与地质工程系 福建福州 350116)

0 引言

在我国东南地区，花岗岩分布广泛[1]，其风化土常见于工程建设中。花岗岩残积土具有崩解性[2]和结构性[3]等特殊工程性质。由于花岗岩残积土具有很强的结构性，在取样过程中造成的扰动会对其土样强度产生较大影响，从而使室内试验得出的力学性质指标失真。

土体由三相(固、液、气)体系构成，具有一定的结构性，外界的干扰会使其结构产生不同程度的扰动[4]。对于结构性强的土体来说，取样扰动对强度的影响不容小觑，因此，国内外许多学者对取样方法进行了相关研究。王年香等[5]对不同取样技术取得的软粘土试样进行对比试验，发现土样扰动对室内试验所得的力学指标影响极大。张俊杰[6]对厚壁取土器和薄壁取土器所采取的土样试验结果进行分析，发现薄壁取土器取样效果较好，得出的物理力学指标更符合实际情况。高大钊等[7]采用两种不同直径的取土器进行取样，研究取土器直径对土样的扰动影响，发现取土器直径对试样的强度指标和压缩系数都有明显影响。邓永锋等[8-9]对扰动后软土进行无侧限抗压试验和固结试验，发现取样扰动是试验成果重要的影响因素。Lim等[10]使用3种取样方法对澳大利亚的天然软粘土进行取样研究，提出了利用有效指标进行取样质量评价的方法，并用两个例子来强调取样扰动的不良影响。Karlsson等[11]使用先进的本构模型进行模拟辅助，对两种不同取样方法的试验结果进行分析，发现取样和试验水平的提升可以节省大量成本。

但是，国内外学者对取样扰动的研究目前仍较少，且大部分学者关注软土的研究，对于花岗岩残积土取样扰动的研究更是少之又少。基于此，本文使用不同的取样方法对花岗岩残积土进行取样，研究取样扰动对其强度的影响，为花岗岩残积土强度指标取值提供参考。

1 试验土样

试验土样的花岗岩残积土，采集于福建省平潭综合实验区某海滩，该地区表面被海积粉细砂覆盖，其下为花岗岩残积土。所取花岗岩残积土基本物理性质指标如表1所示，其粒径分布曲线如图1所示。

表1 花岗岩残积土基本物理性质指标

图1 花岗岩残积土粒径分布曲线

2 不同取样方法及其效果

分别使用厚壁取土器取样、植物胶工艺钻孔取样和现场挖槽取样3种方法，对花岗岩残积土进行取样。

2.1 厚壁取土器取样

厚壁取土器是花岗岩残积土取样中常用的取土器，其取样过程先用岩芯管钻进到取样位置，在钻孔中使用重锤少击法将取土器击入土层中取样。本次使用的厚壁取土器规格如表2所示。

表2 厚壁取土器参数

厚壁取土器的取样效果如图2所示，由于花岗岩残积土的强度较高，厚壁取土器在取样时需要较大的锤击能，对花岗岩残积土影响较大。从图2中可以看到，左边的土样中上部存在裂纹，右边的土样中下部有明显的缺陷，可能是在锤击取土过程中造成的破坏。

图2 厚壁取土器取样效果

2.2 植物胶工艺钻孔取样

植物胶工艺钻孔取样成本较高，在工程中应用较少，其取样过程是在钻孔中使用单动双管取土器回转钻进取样，植物胶作为冲洗液。

本次取样所用的单动双管取土器规格如表3所示。使用的植物胶为KL型，植物胶冲洗液配制过程如下：先在100L的水中放入150g的NaOH搅拌1min，再放入25 kg的膨润土搅拌4 min，再将8 kg的植物胶加入其中搅拌8 min，最后边加水边搅拌，直至200 L的桶装满。

表3 单动双管取土器参数 mm

植物胶工艺钻孔取样效果如图3所示。该方法取样效果较好，单动双管取土器在取样时，外管旋转、内管压入土体中取样。植物胶液体具有较高的吸附能力及弹性，在循环过程中迅速吸附在试样表面上，避免了冲洗液对岩芯的直接冲刷，使试样的原状结构不易受到机械破坏。

图3 植物胶工艺钻孔取样效果

2.3 现场挖槽取样

现场挖槽取样是在取样场地上挖槽，在槽内对土样进行人工刻块。取样过程如图4所示，先开挖至取样深度，整平场地后确定取样范围；按确定的取样范围对土样进行切削，切削后的土样直径略大于取样筒内径；将取样筒套在土样上，边削边套，直至取样筒装满土样；将底端土样与取样筒分离，削平取样筒两端土样后，立即将土样封装。

图4 现场挖槽取样过程

现场挖槽取样，因是人工挖槽并采用手动切削取土，与机械取样相比，最大程度减少对土样的扰动，取样效果较好。

3 试验方案及成果分析

为了对比不同取样方法对花岗岩残积土强度指标的影响，对不同取样方法的花岗岩残积土均进行了直剪试验和三轴不固结、不排水剪切试验。试验制样过程按规范对土样小心切削制成所需试样，确保不扰动试样原状结构。

3.1 不同取样方法所得试样的直剪试验研究

3.1.1试验方案

根据上述取样方法，分别使用现场挖槽、厚壁取土器和植物胶工艺钻孔等三种方法对花岗岩残积土进行取样，且3种取样及其室内试验在同一时间段完成，以保证对比效果；其中，现场挖槽取样深度为0.5m～1.0m，厚壁取土器和植物胶工艺钻孔取样深度均为6.0m～7.0m。对这3种取样方法取得的花岗岩残积土试验进行天然快剪试验，仪器使用南京土壤仪器厂生产的应变控制式直剪仪，试样直径为6.18 cm，高为2 cm，垂直压力依次施加100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，剪切速率为0.8 mm/min。

3.1.2试验成果

不同取样方法的剪切位移和剪应力关系曲线如图5所示。

(a)现场挖槽取样

(b)厚壁取土器取样

(c)植物胶工艺钻孔取样

从图5中可以发现，取样质量较好的试样剪应力在前期上升的速度较快，现场挖槽所得的试样在低垂直压力时还出现了明显的峰值，在高垂直压力下曲线均呈应变硬化型。

3.1.3试验成果分析

根据《土工试验方法标准》的相关规定，抗剪强度为剪应力峰值，如峰值不存在，抗剪强度应取剪切位移为4mm时对应的剪应力。不同取样方法的抗剪强度如表4所示。

表4 不同取样方法试样的直剪抗剪强度对比 kPa

从表4中可以看出，厚壁取土器所取试样在各垂直压力下的抗剪强度均小于其它两种取样方法，主要原因是厚壁取土器在取样过程中对土样结构破坏较严重，导致抗剪强度降低。现场挖槽所取试样质量最好，虽然取样深度较浅，但是抗剪强度还略高于植物胶工艺钻孔取得的试样。

对不同垂直压力下的抗剪强度进行拟合，作出如图6所示垂直压力与抗剪强度关系拟合直线，现场挖槽试样的拟合直线与植物胶工艺钻孔试样较接近，厚壁取土器试样拟合直线的截距与其它两种方法差距较大。

图6 不同取样方法的垂直压力与抗剪强度关系曲线

根据拟合直线的截距和斜率，计算得出如表5所示的强度指标。

表5 花岗岩残积土快剪强度指标

由表5可以发现，在天然快剪试验中，不同取样方法的花岗岩残积土试样黏聚力差别较大，厚壁取土器取得的试样黏聚力仅为植物胶工艺钻孔试样的55%左右，内摩擦角的差距则较小。取样扰动对花岗岩残积土直剪试验成果的影响主要体现在黏聚力上[12]。植物胶工艺钻孔取得的试样与现场挖槽试样的快剪强度指标较接近，说明植物胶工艺钻孔取样质量较好，对土体扰动小。

3.2 不同取样方法所得试样的三轴试验研究

3.2.1试验方案

按前述取样方法采集三轴试验的试样，现场挖槽取样深度为0.5 m～1.0 m，厚壁取土器和植物胶工艺钻孔取样深度均为8.0 m～10.0 m。对这3种取样方法取得的花岗岩残积土试验进行不固结不排水试验，仪器使用南京宁曦土壤仪器有限公司生产的应变控制式三轴仪，试样直径为6.18 cm，高为12.5 cm，试验围压依次施加100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。

3.2.2试验成果

不固结不排水试验能够确定土样天然强度，这种试验方法获得的强度指标对取样扰动产生的影响相当敏感。不同取样方法下的花岗岩残积土不固结、不排水强度试验结果如图7～图9所示。

(1)厚壁取土器试样(图7)

(a)应力应变曲线

(b)强度包线

(2)植物胶工艺钻孔试样(图8)

(a)应力应变曲线

(b)强度包线

(3)现场挖槽试样(图9)

(a)应力应变曲线

(b)强度包线

从图7～图9中可以看出，取样效果较好的现场挖槽和植物胶工艺钻孔试样应力随着应变的增长速率较快，在应变16%以内，试样的主应力差值持续增长；而厚壁取土器所得的试样在应变达到8%后，应力增长幅度趋缓，围压200 kPa的试样还出现了应力下降现象。厚壁取土器取得的试样在各围压下的应力应变曲线均明显小于植物胶工艺钻孔取得的试样，因为其结构受到较大扰动，所以不固结、不排水强度显著降低。现场挖槽取样的深度虽然较浅，但其与植物胶工艺钻孔取得的试样应力应变曲线较接近，说明现场挖槽取样效果较好。

3.2.3试验成果分析

取应力应变曲线上主应力差的峰值作为破坏点，峰值不存在时，取轴向应变为15%时的主应力差值作为破坏点。不同取样方法在不同围压下破坏点主应力差值如表6所示。

表6 不同取样方法试样的最大主应力差值对比 kPa

由表6可知，由于现场挖槽取样的深度较浅，其试样最大主应力差值比取样深度较大的植物胶工艺钻孔稍小，但是比厚壁取土器取得的试样大得多。在取样深度相同的情况下，厚壁取土器试样的最大主应力差值仅为植物胶工艺钻孔试样的55%左右，说明取样方法对花岗岩残积土的三轴不固结、不排水强度影响很大。

根据不同取样方法得到的强度包线，计算得出花岗岩残积土的强度指标如表7所示。

表7 花岗岩残积土不固结不排水抗剪强度指标

由表7可以发现，不同取样方法对不固结、不排水试验得出的黏聚力影响很大，厚壁取土器取得的试样黏聚力，仅为植物胶工艺钻孔取样的55%左右，前者的内摩擦角是后者的61%左右。与直剪试验有所不同，在三轴不固结不排水试验中，不同取样方法对试样黏聚力和内摩擦角均产生了较大的影响。现场挖槽取得的试样黏聚力和内摩擦角，同样比植物胶工艺钻孔取得的试样稍小，原因是由于现场挖槽取样较困难，取样深度比植物胶工艺钻孔取样的深度浅。

4 结论

(1)不同取样方法在花岗岩残积土中的取样质量差距很大，在工程勘察中应选择较合适的取样方法。植物胶工艺钻孔取样技术在花岗岩残积土适用性较好，取样扰动较小。

(2)在直剪试验中，不同取样方法造成的取样扰动主要体现在黏聚力上，扰动大的土样黏聚力显著下降，厚壁取土器取样的粘聚力仅为植物胶工艺钻孔取样的55%左右，内摩擦角差距较小。

(3)三轴试验不固结、不排水强度对土样扰动产生的影响很敏感，厚壁取土器所取试样的抗剪强度显著降低，其试样黏聚力仅为植物胶工艺钻孔取样的55%左右，内摩擦角是后者的61%左右。