浅海软土的取样质量分析评价

【摘要】软土是淤泥和淤泥质土的总称，一般在滨海、湖沼、谷地、河滩等富水地区沉积的天然含水量高、孔隙 比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。由于软土土质松软,土样从地下深处取出,直到室内进行土工试验的过程中,受到原位应力释放、取土过程的人工扰动、贮存环境变化等一系列因素的作用,物理力学性质会发生改变。在近期大规模围海造陆工程和码头工程中，正确选取合理的软土指标参数，能够为工程安全、经济设计施工提供保证。

关键词软土取样质量评价指标参数应变法综合分析

1．概述

软土是淤泥和淤泥质土的总称，一般在滨海、湖沼、谷地、河滩等富水地区沉积的天然含水量高、孔隙 比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。具有天然含水量高、天 然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、 灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。

由于软土土质松软,土样从地下深处取出,直到室内进行土工试验的过程中,受到原位应力释放、取土过程的人工扰动、贮存环境变化等一系列因素的作用,物理力学性质会发生改变。在近期大规模围海造陆工程和码头工程中，正确选取合理的软土指标参数，能够为工程安全、经济设计施工提供保证。本文以某浅海区的两种软土取样为例,对这一问题进行分析。

2．取样过程

本次取样在某码头工程南北两港防波堤港池内侧进行,所处区域为浅海区。由于海上取土影响因素多 ,为了保证获得高质量的土样 ,采用抗风浪能力较好的水上工程地质勘察作业平台 ,取土器按规范要求 ,采用薄壁取土器 ,取样管内径为 100 mm、壁厚为 2 mm。海上钻进时由于土层均为软土 ,因此用钻机施加静压使套管跟进 ,清孔后快速静压 ,将取土器连续地压入到预定深度。土样取出后 ,为防止水分散失 ,利用石蜡将其密封 ,迅速送往实验室进行试验。

3．取样质量评价

所取土样的物理性质指标如表 1所示。

表 1南北两港软土物理性质指标

土样 取样深度（m） 重度（kN/m3） 天然含水量（%） 比重 孔隙比 液限（%） 塑限（%）

北港 4.0~7.0 15.7 66 2.74 1.8 65.1 22.5

南港 4.2~7.5 15.3 73.3 2.74 2.01 60.3 25.5

土样受到扰动后 ,其物理力学性质都会发生改变 ,但各种指标对扰动的敏感程度不同 ,这主要与土的种类有关 ,因此必须结合土性选用对扰动敏感的指标来评价土样的质量。根据所选指标的不同 ,取土质量的评价方法可分为 :残余孔隙水压力法、不排水模量对比法、体积压缩法、破坏应变法、压缩曲线特征法等 ,本文采用后三种方法。

3. 1破坏应变法

大量的研究表明 ,软土的无侧限抗压强度试验的破坏形式和应力应变关系有两种类型 : (a)脆性破坏型 :剪切破坏面呈 50°～60°倾斜 ,应力～应变曲线有明显的峰值 ,破坏变形量一般不大于 5 %; (b)塑性破坏型 :受压土样呈中部鼓出的桶形 ,应力～应变曲线不出现明显的峰值 ,破坏变形量很大。对于同一种土 ,如果在取样时严格按照规范操作 ,扰动越小 ,试验的结果就接近 (a)型 ;扰动越大 ,结构被破坏得越严重 ,试验结果就越接近 (b)型。表 2为利用破坏应变判别土样质量的常用标准 ,表 3为根据破坏应变对某工程部分软土取样质量的评价。

表 2破坏应变法评价土样质量的标准

εf ( %) 1～3 3～5 5～6 6～10 > 10

评价 优质 好 中 差 很坏

表 3破坏应变法评价土样质量的结果

孔位 NZK6 NZK7 NZK9 NZK10 SZK1 SZK4 SZK5

εf ( %) 1. 5 1. 1 1. 1 4. 5 2. 0 2. 5 3. 0

评价 优质 优质 优质 好 优质 优质 优质

3. 2附加体积应变法

软土一般是在静水或缓慢水流的沉积环境中形成的 ,故上覆荷载往往增长缓慢 ,使颗粒接触点间产生固化作用 ,接触点的强度增加以抵抗荷载的增加 ,而取样时的扰动将破坏这种作用，致使室内试验再加荷到上覆压力时产生附加的体积压缩，因此，根据土样在原位压力下再固结时的附加体积应变就可以评价取土质量

在上覆压力作用下 ,附加体积应变为 :

εv=ΔV/ V =Δe0/(1+ e0)

式中 : e0为土样的初始孔隙比 ;Δe0为加荷至原位上覆压力时孔隙比的变化。应用附加体积应变法评价土样质量时常根据表4的标准进行。

表 4附加体积应变法评价土样质量的标准

应变量εf（%） 10

评价 优 好 中 差 很坏

图 1为本工程软土的典型侧限压缩曲线

3. 3压缩曲线特征法

该方法是根据室内压缩试验的 e～lg P曲线的特征来衡量土样扰动情况。图 2为压缩曲线特征法的概念 ,理想土样压缩曲线应为 abc线 ,完全扰动的重塑土压缩曲线为 af g线 ,因此部分扰动土的压缩曲线必在 af g与 abc之间 ,扰动程度越大 ,曲线越靠近 af g线。

图 2压缩曲线特征法示意图

Schmert man根据这一原理 ,提出利用扰动指数 ID来评价扰动程度 :

ID=Δe/e0

Δe为在 Pc应力下理想压缩曲线与实际压缩曲线之间的孔隙比差值 ;Δe0为在 Pc应力下理想压缩曲线与完全扰动曲线之间的孔隙比差值 ; Pc为先期固结应力或结构屈服应力。

完全扰动土的压缩曲线最好通过室内试验得出 ,若缺乏资料 ,亦可根据经验方法求得 ,求得土样的扰动指数后 ,就可根据表 5对土样质量进行评价。

表 5扰动指数评价土样质量的标准

扰动指数 ID 0. 70

扰动程度 原状 轻微扰动 中等扰动 很大扰动 重塑

3. 4分析及讨论

多种评价方法表明 ,本次取样方法是成功的 ,取得土样的质量是好的，而从评价的力学指标来看 ,主要是利用了室内常规的无侧限压缩试验和侧限压缩试验的结果。但还应注意到各种方法的评价结果有所不同 ,这一差异可以从软土结构性的角度来解释。

从微观角度来说 ,土的结构是指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及他们之间的连接特征。土体收到外力作用后颗粒和集合体之间相互位置发生变化，宏观上表现为一定的位移或变形。天然软土在长期的演化过程中产生了原生土体强度，当其收到重塑或其他扰动时，相应的土体强度称为次生土体强度，原生土体强度与次生土体强度之差即为天然土的结构强度。可见造成结构性是一个模糊性概念，无法定量计算。由此可见，要正确评价取样质量，需要注意以下两个方面：一是要理解结构性的概念以及结构性破坏后所造成的土体力学性质恶化的本质；二是要通过多种评价方法综合分析，比较权衡后再作决定，尽量避免评价的片面性。

4.结论

通过体积压缩法、破坏应变法和压缩曲线特征法对土样进行质量评价，结果表明取样的质量良好，并从结构性角度对软土取样所受扰动进行了分析，解释了不同评价方法得到的结果存在差异的原因。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。