劉益平，任亞群，康晨陽(yáng)

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

某變電站軟土取/制樣擾動(dòng)影響分析

劉益平，任亞群，康晨陽(yáng)

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

山某變電站軟粘土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、靈敏度高，土工試驗(yàn)結(jié)果受取/制樣擾動(dòng)影響大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為天然強(qiáng)度的47.3%。試樣經(jīng)過(guò)K0預(yù)固結(jié)處理后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有大幅提高。說(shuō)明K0預(yù)固結(jié)處理后試樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所恢復(fù)，消除了部分取/制樣擾動(dòng)的影響，試驗(yàn)成果更接近天然強(qiáng)度。固結(jié)快剪的固結(jié)過(guò)程恢復(fù)了部分取/制樣擾動(dòng)的影響，利用固結(jié)快剪指標(biāo)計(jì)算地基承載力與利用靜探指標(biāo)估算結(jié)果基本一致。

取/制樣擾動(dòng)；K0預(yù)固結(jié)；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；天然強(qiáng)度；十字板剪切試驗(yàn)。

工程勘察中往往通過(guò)鉆探取樣與室內(nèi)土工試驗(yàn)來(lái)獲得土體的力學(xué)指標(biāo)，但在取/制樣過(guò)程中，對(duì)土樣的擾動(dòng)不可避免。魏汝龍研究了軟粘土取樣擾動(dòng)的影響,認(rèn)為取/制樣時(shí)的擾動(dòng)作用主要由以下因素引起：(1)將土樣從地層中取出時(shí)卸除上覆和周圍的壓力，引起有效應(yīng)力發(fā)生變化；(2)卸去的有效應(yīng)力部分由土的孔隙水表面張力代替，使得孔隙水承受負(fù)壓，部分溶解于水中的氣體逸出，導(dǎo)致土樣中的殘余有效應(yīng)力降低，體積稍有膨脹；(3)取土、運(yùn)輸、貯存和加工土樣時(shí)引起的附加機(jī)械擾動(dòng)。軟弱粘性土，如淤泥、淤泥質(zhì)土，通常具有高靈敏度的特性，取/制樣擾動(dòng)的影響尤為明顯。

通過(guò)土樣預(yù)處理可使土工試驗(yàn)時(shí)試樣的初始應(yīng)力狀態(tài)接近天然土層的原位應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果更接近土的天然強(qiáng)度。土樣預(yù)處理主要有K0固結(jié)預(yù)處理和等向固結(jié)預(yù)處理兩種。劉華清通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為K0固結(jié)預(yù)處理要優(yōu)于等向固結(jié)預(yù)處理。但是，土樣預(yù)處理并不能完全恢復(fù)試樣的原始應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于飽和軟粘土，用十字板剪切儀測(cè)定其不排水抗剪強(qiáng)度是較好的一種方法。

1 靈敏度分析

1.1 地質(zhì)條件概況

某變電站位于連云港徐圩開(kāi)發(fā)區(qū)，距黃海直線距離約5 km。地貌單元為海積平原，屬于典型的濱海深厚軟土區(qū)。地層主要由第四系全新統(tǒng)海相沉積成因的黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土和粉砂等組成。場(chǎng)地20 m以內(nèi)各土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。層②淤泥為該地區(qū)典型深厚軟土，具含水率高、靈敏度高等特性，本次研究主要針對(duì)該層土。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 靈敏度分析與評(píng)價(jià)

為分析與評(píng)價(jià)層②淤泥層的靈敏度，勘察時(shí)布置了室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 層②淤泥層靈敏度測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，層②淤泥層屬于中～高靈敏度土，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，取/制樣過(guò)程中的擾動(dòng)必然對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響。

2 取/制樣擾動(dòng)影響分析

2.1 十字板與三軸UU對(duì)比分析

十字板剪切試驗(yàn)是快速測(cè)定飽和軟粘土層抗剪強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)易而可靠的原位測(cè)試方法。所測(cè)定的抗剪強(qiáng)度值cu，相當(dāng)于試驗(yàn)深度處天然土層的不排水抗剪強(qiáng)度，理論上它相當(dāng)于三軸UU試驗(yàn)的總強(qiáng)度Su。為分析取/制樣的擾動(dòng)對(duì)三軸UU試驗(yàn)的影響，把三軸UU試驗(yàn)結(jié)果與十字板測(cè)試成果進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3。

表3 三軸UU與十字板試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可以看出，十字板試驗(yàn)測(cè)定的抗剪強(qiáng)度值cu是三軸UU試驗(yàn)總強(qiáng)度Su的1.79倍，說(shuō)明受取/制樣擾動(dòng)的影響，三軸UU試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度有明顯降低，遠(yuǎn)低于天然土層中的實(shí)際值，約為天然強(qiáng)度的56%。

2.2 K0預(yù)固結(jié)對(duì)無(wú)側(cè)限影響分析

2.2.1 K0預(yù)固結(jié)處理

由于取土?xí)r應(yīng)力釋放，試樣的初始應(yīng)力狀態(tài)與天然土層的原始應(yīng)力狀態(tài)不同，故要正確測(cè)試土的天然強(qiáng)度，應(yīng)使室內(nèi)土工試驗(yàn)時(shí)的初始應(yīng)力狀態(tài)符合天然土層的原位應(yīng)力條件。

K0預(yù)固結(jié)時(shí)，豎向預(yù)固結(jié)壓力取yh，側(cè)向預(yù)固結(jié)壓力取K0yh。固結(jié)階段采用分級(jí)固結(jié)，固結(jié)時(shí)間根據(jù)土樣固結(jié)快慢和固結(jié)排水速率確定；在固結(jié)結(jié)束后，即進(jìn)行常規(guī)不排水剪切試驗(yàn)或無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

根據(jù)本次扁鏟測(cè)試成果，層②淤泥層的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0為0.54。

2.2.2 對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響

為分析K0預(yù)固結(jié)對(duì)無(wú)側(cè)限試驗(yàn)試樣破壞形態(tài)的影響，對(duì)某深度處同一土樣同時(shí)進(jìn)行直接無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)與K0預(yù)固結(jié)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，經(jīng)預(yù)固結(jié)處理試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈峰值型，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu取其峰值為43 kPa；而未經(jīng)預(yù)固結(jié)處理試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線則呈緩變型，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu取應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的壓力值，僅為20 kPa。另外，從圖1中可以看出，不管是否預(yù)固結(jié)處理，重塑試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本一致，均為緩變型，說(shuō)明預(yù)固結(jié)處理對(duì)重塑試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不大。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.2.3 對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

K0預(yù)固結(jié)處理使試樣的初始應(yīng)力狀態(tài)接近天然土層的原位應(yīng)力狀態(tài)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果更接近天然強(qiáng)度。表4對(duì)比了同一深度土樣預(yù)固結(jié)處理前、后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表4 預(yù)固結(jié)處理前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從表4可以看出，K0預(yù)固結(jié)處理試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有明顯提高，說(shuō)明預(yù)固結(jié)處理后試樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所恢復(fù)，消除了部分取/制樣擾動(dòng)的影響。因此，為獲取靈敏度較高的軟粘土的強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)試樣進(jìn)行必要的預(yù)處理，盡可能恢復(fù)其原始應(yīng)力狀態(tài)，具有重要意義。同時(shí)，隨土樣埋深的加深，影響系數(shù)呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明埋深越大的土樣，取樣時(shí)應(yīng)力釋放效應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果影響越大。

2.3 綜合分析評(píng)價(jià)

十字板剪切試驗(yàn)不需要采取土樣，避免土樣的擾動(dòng)及天然應(yīng)力狀態(tài)的改變，測(cè)試結(jié)果接近土層的天然強(qiáng)度。對(duì)于軟粘土(φ ＝0°)而言，理論上其測(cè)試結(jié)果為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的一半。表5綜合對(duì)比分析了預(yù)固結(jié)處理前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與十字板測(cè)試結(jié)果。

表5 綜合對(duì)比分析

從表5對(duì)比可以看出，未預(yù)固結(jié)處理時(shí)試樣強(qiáng)度僅為天然強(qiáng)度的47.3%，預(yù)固結(jié)處理后試樣強(qiáng)度達(dá)天然強(qiáng)度的77.8%。說(shuō)明經(jīng)預(yù)固結(jié)處理，試樣強(qiáng)度恢復(fù)明顯，試驗(yàn)成果更接近天然強(qiáng)度，但仍有22.2%未恢復(fù)。因此，預(yù)固結(jié)處理措施雖然能消除部分取/制樣擾動(dòng)的影響，但不能全部恢復(fù)，說(shuō)明了原位測(cè)試對(duì)獲取準(zhǔn)確強(qiáng)度參數(shù)的重要性。

3 抗剪強(qiáng)度與地基承載力

地基承載力的計(jì)算主要有理論公式法與經(jīng)驗(yàn)公式法等。根據(jù)該變電站地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，軟粘土利用靜探指標(biāo)計(jì)算地基承載力較為合理。根據(jù)擾動(dòng)影響分析結(jié)論，取/制樣的擾動(dòng)對(duì)土工試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，因此，選取何種力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)計(jì)算地基承載力對(duì)準(zhǔn)確確定地基承載力至關(guān)重要。

圖2、表6給出了各種抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與靜探指標(biāo)承載力計(jì)算結(jié)果。

圖2 各指標(biāo)對(duì)應(yīng)地基承載力

表6 各指標(biāo)地基承載力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，直接剪切與三軸UU指標(biāo)地基承載力計(jì)算結(jié)果接近，但比靜探指標(biāo)計(jì)算結(jié)果偏低較多，三軸UU指標(biāo)計(jì)算結(jié)果僅為靜探指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的64%，接近于三軸UU與十字板對(duì)比結(jié)果，說(shuō)明這兩種試驗(yàn)結(jié)果受取/制樣擾動(dòng)影響較大，比天然強(qiáng)度折減較多。且從圖2可以看出，三軸UU試驗(yàn)結(jié)果離散性較大；而固結(jié)快剪的固結(jié)過(guò)程恢復(fù)了部分取/制樣擾動(dòng)的影響，其地基承載力計(jì)算結(jié)果與靜探指標(biāo)計(jì)算結(jié)果基本一致，說(shuō)明利用固結(jié)快剪指標(biāo)計(jì)算地基承載力較合理，且固結(jié)快剪操作方便，試驗(yàn)成本較低。

4 結(jié)論

本文依據(jù)某變電站工程，通過(guò)對(duì)比軟黏土K0預(yù)固結(jié)前后試樣的力學(xué)參數(shù)及原位測(cè)試成果之間的關(guān)系，分析了取/制樣擾動(dòng)的影響,得出如下結(jié)論：

(1)預(yù)固結(jié)處理對(duì)試樣的破壞形態(tài)(應(yīng)力—應(yīng)變曲線)有明顯影響，且隨著取樣深度的增加，取樣時(shí)應(yīng)力釋放效應(yīng)的影響越明顯。

(2)經(jīng)預(yù)固結(jié)處理，能消除部分取/制樣擾動(dòng)的影響，試樣強(qiáng)度大幅提高，更接近其天然強(qiáng)度，但不能完全恢復(fù)，原位測(cè)試手段是必要的。

(3)理論公式計(jì)算地基承載力時(shí)，選用固結(jié)快剪指標(biāo)較合理。但鑒于軟黏土具高靈敏度特性，巖土設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合實(shí)際施工工況，巖土力學(xué)參數(shù)的取值應(yīng)充分考慮施工擾動(dòng)導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。

[1] 魏汝龍．軟粘土的強(qiáng)度與變形[M]．北京： 人民交通出版社，1987．

[2] 劉華清，等．取樣擾動(dòng)對(duì)土天然強(qiáng)度指標(biāo)的影響和處理方法[J]．巖土工程技術(shù)，2002，(3) ．

[3] 胡中雄．土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué)[M]．上海： 同濟(jì)大學(xué)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

劉益平(1982- )，男，江蘇如皋人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)工作。