第1章绪论
原状土取样是岩土工程勘察中的一项基础工作，取样的质量直接影响到工程地质评价和岩土工程设计、施工。原状土样质量低劣就不可能正确反映地基土层的真实性状，可能导致对地基的估计过高，使工程设计偏于危险；更多的是导致对土质的评价降低，无形中浪费大量宝贵的建设资金。我国传统土的试样只分为原状土样和扰动土样两类，原状土样可做各种物理力学性质试验，而扰动土样（一般是保湿土）仅做含水量、液塑限、颗粒分析等试验。实际上绝对的原状土样是不存在的，国际上一般将“能满足所有室内试验要求，能用以近似地测定土的原位强度、固结、渗透以及其他物理性质指标的土样”称为“不扰动土样”[z]。李广信教授[3]指出，目前研究土的结构性模型的论文有很多，但是不扰动土样的采取技术方面的工作却非常少，这种情况是不正常的。
在解决实际土工问题时，设计、计算所需土的性质参数的取得方法一般有两种：现场原位测试方法和室内土工试验方法。室内土工试验方法采用在现场取土，将土样带到实验室进行试验，取得相关物理力学参数，然后以这些参数代表原位土的参数进行设计计算。在某种程度上，这些用于试验的土样的性质决定了整个设计的安全性和经济性。因比，判断室内试验测定的参数在何种程度上代表天然土层的性质就显得十分重要。
1932年，Casagrande发现天然黏土具有复杂的颗粒结构，这种结构受到扰动破坏后在实验室内无法恢复，而且用这种结构受到破坏后的土样测出的力学指标与原位力学指标迥然不同。至此，人们才认识到用原状土测定土的力学性质指标的重要性，不扰动取土技术也因此日益发展起来。
正如1949年Hvorslev[51所指出的，要取得完全不扰动的土样是不可能的。因为仅仅由于卸去上覆和周围压力就会不可避免地引起某些扰动。对于附加扰动多数学者研究认为这是引起扰动的最主要的因素，有时可以使不排水强度降低达90Vo)，尽管可以通过精心操作加以减小，但要减小到可以忽略的地步恐怕也是不现实的。特别是砂性土，即使目前可以采用冻结法取到扰动较小的砂样，但由于该方法成本高，操作复杂，很难在工程中普遍推广。因此对砂土力学参数的测定，主要采用与原位密实度相等的重塑土样进行三轴试验，或采用休止角方法测定内摩擦角。可是许多学者通过对比冻结法取得的原位土样和重塑土样的力学性质后，发现两者存在很大差别，这说明取原状砂性土是非常必要的[6]。
正因为取原状土存在上述种种问题，有些学者怀疑室内试验的意义，提出用原位测试代替室内试验[7，8]。但是，由于原位测试本身还存在许多不完善的地方，且除十字板剪切试验外，很多原位测试不能直接得到设计参数，需要利用已有的室内试验将这些原位测试数据与设计所需参数建立关系，即原位测试的使用还是以室内试验为基础，例如，触探试验。实践证明，这的确是一种简易快速的方法，但是该方法还不能直接给出所有设计参数，通常是根据已有室内试验成果利用触探数据提出某些设计参数，即原位测试成果的使用是建立在室内试验的基础上；另外，触探机理问题、不同地区和不同成因土的影响问题以及地基土的承载力深度修正问题等都是非常复杂的问题，有待深入研究[o]。同室内试验相比，原位测试还存在应力、变形等边界条件不明确的缺点，因此，目前完全抛弃室内试验是不可能的。
1.1原状取土研究现状
1.1.1产生扰动的因素
取土引起的扰动会使土样的强度和变形特性发生显著改变[10]。引起土样扰动的因素错综复杂，许多学者对此进行了大量研究。Matsuo和Shogaki[11]，Baligh等[12]，Shogaki等[13]分析总结了很多扰动因素，涉及取士器类型、钻孔方法、取样方法、土样运输、储存时间和环境、室内开土和试验方法等。Hvorslev认为在取土过程中产生扰动的因素有：含水量和孔隙比的变化、卸荷作用、土体结构的破坏和化学变化等。
魏汝龙和王年香[14]认为这些扰动因素可以概括为下述3种：
(1)土样原位应力的释放和重新分布。土样取出后由初始的天然不等向应力状态改变为各向总应力相等，且等于零，土样的平均有效应力大小发生了改变，进而引起土样扰动；仅经历这一扰动作用的土样被称为“理想”土样。
(2)土体中气体的逸出。上面所叙述的解除应力的一部分变为土中孔隙水的表面张力，这样就使得孔隙水承受负压，所以会有一部分溶解于水中的气体逸出，使土样中的残余有效应力变小，体积有所膨胀，土样产生扰动。
(3)附加机械扰动。这是最复杂的扰动因素，也是影响最大的因素。自土样从地基中取出到室内试验的各个环节均会受到不同程度的机械扰动作用。机械扰动主要表现在使土样产生变形，从而破坏其天然结构。其中，取土器是决定土样扰动程度的关键因素，但钻孔方法、取土操作、土样的运输和储藏、试验的切削和安装等均会引起土样机械扰动，但是可以通过选用合适的取土器、正确的钻孔和取士方法、精心细致的操作来大大降低。
胡中雄[15]总结了引起土样扰动的原因和不同的扰动情况，包括原位应力的卸除、人工扰动（包括钻探、取样、运输等）、环境扰动（储藏条件、实验室的介质和环境、湿度与温度等）和生物扰动等。
1.1.2取土器的使用现状
为了尽量减少取样时的扰动对土样的强度和变形特性的影响，在钻探、取土以及土样的运输、储存和制备试验时，必须严格遵守有关规范和操作规程。从表1-1中可以看出在取土器的类型选用方面，国内外仍有较大差异。国内大部分勘察部门在取土时常规采用的是内加衬筒的敞口厚壁取土器，由于该类取土器取得的土样往往扰动很大，因此，目前科研机构也在推广应用较好的取土设备，例如薄壁取土器(也是属于敞口式取土器）和自由活塞取土器等。在我国《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)中列为唯一能在软土中取得1级土样的固定活塞薄壁取土器，因其操作较麻烦，需要用两套钻杆，效率较低，每个钻杆台班的进尺不到10m，因此在国内极少采用。魏汝龙[16]曾将固定活塞薄壁取土器与常规取土器进行对比试验，结果表明，采用固定活塞薄壁取土器可使快剪强度提高40%～60%，固快指标减少10%～15%。
表1-1国内外常用取土器类型
1.1.3取土器贯入扰动理论研究
主要包括应变路径法(strainpathmethod，SPM)和圆孔扩张法(cavityexpan-sionmethod，CEM)。
1．应变路径法理论研究
Baligh[17，181根据对原位测试和取土装置的研究于1985年首先提出“应变路径法(SPM)”，此法是Lambe应力路径法的发展。在Baligh提出SPM后，Houlsby等[20]、Teh[21]和Teh等[22]尝试将SPM应用到浅基础中，采用Mises屈服准则，并考虑平衡方程，用有限差分法分析锥形贯入计贯入问题。Sagaseta[231吸收了SPM贯入过程中土体运动形成无旋的速度场的假设，在点源和流场求解位移场的基础上，提出源汇(source-sink)法，将土体不排水贯入过程，看作一个点源在无限土体中匀速下沉形成柱状孔的过程，贯入过程会在土体的应力自由边界上产生正应力和剪应力。
应变路径法认为在深层贯入的土体变形计算中，在不考虑土体本构模型的条件下仍然能够保证足够的精度。在均质、各向同性的土体中，利用一个点源(source)和一个均匀的竖直方向的流场相结合模拟贯入过程，如图1-1所示。首先估算速度场，接着利用流速沿着流线对时间积分得到位移场，再由几何方程得到应变，最后由本构模型得到应力。
(a)水平面示意图(b)重直面示意图
图1—1应变路径法示意图（图片来源：文献[17]）
如图1-1所示，Baligh[17，181提出的应变路径法假设土体中的圆孔径向扩张具有体积扩张速度y，并用流速势函数o表示为
(1-1)
则可得土体各点的速度为
(1-2)
(1-3)
式中，y为体积扩张速度。
在轴向速度上叠加轴向均匀流速U，叠加后可得最终的流速势函数为
(1-4)
与基于球对称和平面轴对称的CEM相比，SPM由于叠加了竖向的流场，因而对贯入的模拟更符合实际情况。SPM基于流速势函数和流线的分析，可以直接由平衡方程得到土体中的位移分布。
SPM存在一定的不足，主要体现在以下几个方面：
(1)由于采用无限土体的假定，没有考虑地基土的表面，即应力自由面，这与实际情况是不符合的；此外，在贯入过程中还会产生地面的隆起。
(2)由于采用流场来模拟贯入问题，土体颗粒被假设为与流体相似的无黏性的材料；而实际上土体与流体之间在性质上有较大的差异，如黏性、塑性和剪胀性等。此外，SPM法得到的解中，有效应力解有可能不满足土体的本构关系，总应力解可能不满足平衡方程。
(3)土体中竖向速度上叠加竖向均匀流速U，适用于体积不可压缩的流体，但并不完全符合土体，囚此SPM只能近似处理黏土中的不排水贯入问题，而不能考虑接触摩擦的影响。
2．圆孔扩张理论研究
1961年，Giboson和Anderson[241首次将圆柱空腔体扩张法应用于岩土工程。Bishop等[25]建议将圆孔扩张极限压力理论用于沉桩挤土性状研究，随后用来分析桩的承载力、旁压试验、静力触探等土工问题，并在岩土工程领域得到广泛的应用。Butterfield和Banerjee[261首次将平面应变条件下的柱形孔扩张理论用来解决桩体贯入问题；Randolph等[27]用圆孔扩张理论结合有限元分析了黏土中沉桩产生的应力及随后的固结；Cao等[28，29]采用圆孔扩张理论，并结合修正剑桥模型分析了旁压试验、静力触探等土工原位测试问题。传统的圆孔扩张理论是在研究金属压痕问题时提出的，它将孔周金属分为塑性区、弹性区2个区域。而在岩土工程中，由于土的剪胀、软化等特性以及在土孔扩张过程中孔侧土所受到的径向挤压力很大，其附近土体已经达到破坏，故实际应将土体分为3个区域：破坏区、屈服区（塑性区）、弹性区[30]。
圆孔扩张理论的共同假设条件为：①土体是连续、均匀且各向同性材料；②土体内具有均布的初始应力。
现有很多的CEM的模型，总体上可以分为以下3种：①线性或非线性弹性模型；②弹塑性模型包括理想弹塑性模型、应变硬化模型和应变软化模型；③黏弹性模型和黏弹塑性模型。
图1-2为圆孔扩张的力学模型示意图。设空心球壳（球孔扩张）或圆柱筒（柱孔扩张）区域的初始内径和外径分别为ao、60，初始应力为Po，当半径为ao的孔壁上，法向压力由初始压力Po增大到p时，此时研究区域的塑性区半径为c，内径和外径分别变为o、6，则把此过程称为圆孔扩张。
图1—2圆孔扩张的力学模型示意图
当bo一∞时，即表示无限土体中初始半径为ao的小孔扩张问题。
根据力学模型的边界条件，上述3种CEM模型都可以分为：
(1)ao>0，bo<M(M<。。)，适用于非无穷介质中，如茌预钻孔中沉桩；
(2)ao>0，bo-∞。，适用于无穷介质，为部分挤土；
(3)bo-∞，ao=0，适用于无穷介质，一般为挤土桩。
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