软土地区取土扰动理论分析及高质量取土试验研究

Undisturbed soil sampling is a basic work in engineering exploration. The quality of soil sample directly influences geology evaluation, engineering design and construction. Disturbance analysis induced by sampling performs very significant function on the characteristic of soil strength, especially for soft soil. However, the disturbance analysis induced by sampling has been rarely investigated so far. The project takes the disturbance analysis induced by sampling as research contents during geotechnical engineering. Theoretical analysis, transparent soil test and model test are accepted as main methods. For the theoretical analysis, additional stress distribution is calculated in the process of soil sampler penetration and disturbance analysis is investigated in the process of sampling. For test analysis, the mechanism of water-air transmission induced by sampling is studied by physics model test. Based on transparent soil model test, equipment and data acquisition system, dynamically measuring disturbed the deformation of transparent soil, are introduced. Through improving existing thin-wall sampler, higher quality of soil sample, better reflecting soil mechanical property, is obtained. The project aims at the technique of high quality sampling. It is significant not only for promoting the distribution question of sampling, but also for developing and perfecting the transparent soil model test.

原状取样是岩土工程勘察中的一项基础工作，取样质量的高低将直接影响地质评价和岩土工程设计、施工。取土过程中土样扰动分析在研究土体强度特性非常重要，尤其在软土地区。以往对取土过程中的扰动研究较少。本项目重点研究目前岩土工程勘察中的原状土取样过程产生的扰动和取土器的改进等内容，将采用理论研究、透明土试验和模型试验等研究方法。在理论研究中，分别将对取土器贯入过程中土体附加应力分布计算及取土过程中的扰动理论进行研究；在试验研究中，将通过结合模型试验，对取土过程中水气运移机理研究，引入透明土试验技术，将研制一种动态扰动变形测量的透明土模型试验装置及数据采集系统，并应用于本项目取土器内部土体扰动变形的研究。通过对现有薄壁取土器进行改进，取得高质量的、更好反映土体力学性质的原状土样。本项目实现高质量取样的目标，不仅会对土体扰动理论的研究有科学意义，而且对我国透明土试验技术的发展和完善也将起到积极推动意义。

原状土取样质量的高低将直接影响地质评价和岩土工程设计、施工，尤其在软土地区的取土扰动分析对研究土体强度特性非常重要。采用理论研究、模型试验和透明土试验等方法，本项目重点研究了原状土取样过程产生的扰动和取土器的改进等内容：1）基于圆孔扩张理论和采用应力函数解修正地表应力的方法，得到了半无限土体中取土贯入引起的位移解和应变解，扰动大小主要与取土器的径厚比、长径比和刃角等参数有关；2）基于粒子图像测速（PIV）技术，分别在干砂、饱和砂和黏土中开展了半模取土器贯入室内模型试验，获得了不同取土器尺寸、密实度等条件下取土贯入引起的土体扰动变形场和剪切应变带分布特性。增大取土器内径能有效减小管内土体压缩变形，增大壁厚只会明显增大管外土体的扰动变形；管内横截面不同部位的土体变形规律基本一致，随着与管壁距离的增大而减小。松砂中的侧壁边缘扰动变形较大，影响范围在1/4-1/2倍取土器半径；由于密砂的密实度较高，不同部位土体变形差异较小，土体剪切变形影响范围较小；3）基于透明土试验技术，自制了一套动态扰动变形测量的透明土模型试验装置及数据采集系统。贯入过程中的刃脚挤土效应显著，土体总体上呈现隆起变形。增大取土贯入速率可以减小土体所受外部扰动的时间，从而有效减小扰动变形；4）利用PIV三维技术获得了取土贯入过程中土体表面的三维变形场，发现周边扰动土体产生对称分布的隆起变形，随着与取土器距离的增大而不断衰减，其影响范围约为0.5倍取土器半径，且主要集中在浅层贯入深度内；5）通过对现有薄壁取土器的结构改进，内外管的双层设计提高了管体刚度，内管壁附着聚脂薄膜减小了管体和土体之间的摩擦力和扰动，多个现场工程的应用表明其能够取得更好反映土体力学性质的高质量原状土样。研究成果不仅对土体扰动理论的研究具有科学意义，而且对我国透明土试验技术的发展和完善也起到了积极的推动意义，实现了通过高质量取样为施工设计提供科学准确的工程参数。