土工試驗常見問題探討論文
摘 要：根據(jù)工作經(jīng)驗與國家現(xiàn)行規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，針對土工試驗中存在的問題，從試樣制備、土物理性質(zhì)試驗及力學(xué)性質(zhì)試驗三個方面進(jìn)行了剖析，提出了解決問題的辦法。
關(guān)鍵詞：土工試驗；試樣制備；土的物理性質(zhì)試驗；土的力學(xué)性質(zhì)試驗
土工試驗是巖土工程勘察的重要組成部分，是野外勘察工作的延續(xù)。野外勘探與室內(nèi)土工試驗有機地結(jié)合，將準(zhǔn)確完成土樣的定性、定量分析與評價，為建設(shè)單位提交符合現(xiàn)場實際情況的勘察成果。由于巖土體的不均勻性，取樣、運輸、保管過程中的擾動，試驗儀器及操作方法的差異等使得巖土試驗結(jié)果出現(xiàn)部分失真，在一定程度上影響勘察成果的真實性與準(zhǔn)確性。本文就巖土樣試驗中經(jīng)常出現(xiàn)的部分問題進(jìn)行剖析，以便勘察單位在過程質(zhì)量控制中采取相應(yīng)措施，為設(shè)計部門提交真實、準(zhǔn)確的勘察成果。
1、試樣的制備
巖土工程勘察市場競爭激烈，勘察費用較低，勘察單位的設(shè)備技術(shù)更新改造投入較少，勘察手段的單一，導(dǎo)致采取的原狀巖土樣質(zhì)量較差，土體結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重擾動和破壞(尤其是采用巖芯管巖芯切樣)；部分樣品采集后沒有在現(xiàn)場用蠟封堵，水分蒸發(fā)；冬天沒有防凍措施，使樣品受凍；運輸過程中沒有減震措施，特別是靈敏度較高的粉土和軟塑土。由以上原因造成的土體結(jié)構(gòu)破壞和含水量變化，嚴(yán)重影響到巖土體的原狀，該類樣品根本不能作為力學(xué)試驗樣使用。
采樣不合格的巖土樣，在試樣制備時應(yīng)注意。開啟土樣筒后，先檢查土樣結(jié)構(gòu)，確定土樣是否已受擾動或取土質(zhì)量是否符合規(guī)定，對不符合規(guī)范要求的試樣必須舍棄。
對合格土樣用環(huán)刀切取時，首先應(yīng)做好以下幾點：
①應(yīng)在環(huán)刀內(nèi)壁涂一薄層凡士林，目的是為減少環(huán)刀與土樣間的摩擦，避免土樣壓密擾動。
②將環(huán)刀垂直下壓，環(huán)刀垂直下壓是避免環(huán)刀偏向受壓時環(huán)刀一側(cè)出現(xiàn)相對壓密而另一側(cè)出現(xiàn)樣品與環(huán)刀間的小縫隙，造成土的容重失真及壓縮時壓縮模量偏小。
�、郗h(huán)刀下壓過程中，邊壓邊削，可避免土樣受到環(huán)刀外側(cè)壁與土樣間的過大摩擦而使土樣受到一定程度的壓密。
④壓入環(huán)刀后對土樣的上下端面削平，對于軟土要用鋼絲鋸修復(fù)平整，若用切土刀整平則刀面極易帶起軟土形成二次擾動，對其它土可采用切土刀削平。這四種措施都可有效避免土樣在室內(nèi)試驗時受到擾動。
在制樣過程中要對土樣的顏色、名稱、包含物、礦物成分、軟硬程度、塑性狀態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等進(jìn)行描述，不僅是判定土類別的依據(jù)，也有利于后期數(shù)據(jù)整理時進(jìn)行對比和綜合分析處理，得出符合工程實際的數(shù)據(jù)。
2、土的物理性質(zhì)試驗
2.1 含水率試驗
土層的不均勻、取樣擾動或進(jìn)水、取土器和筒壁的擠壓、原狀樣密封不嚴(yán)、土樣在運輸和存放期間保護(hù)不當(dāng)而失水等均會引起含水率的變化。除此之外在試驗室若操作不當(dāng)對土樣含水率的測試結(jié)果也會造成偏差：
�、偃狱c的位置不同，尤其是對粉質(zhì)含量高的粉質(zhì)粘土、粉土、砂土，樣的上、中、下不同部位含水量會有較大的差別，為克服這種影響可分上中下不同部位同時取等量樣品，加以混合后再取為含水量試驗樣品。
�、阡X盒烘干時應(yīng)開口，以利水的充分蒸發(fā)。鋁盒質(zhì)量應(yīng)定期標(biāo)定：鋁盒在長期使用過程中由于氧化、磨損其質(zhì)量也有一定變化，定期標(biāo)定能有效降低試驗誤差。
③烘干時間及溫度對含水量測試數(shù)據(jù)影響較大，從而影響到地基土承載力基本值。以粉土為例，含水量每提高5%，承載力基本值降低約5%～10%。因而應(yīng)嚴(yán)格掌握烘干時間和溫度。
紅粘土、膨脹土等粘粒含量很高的土類，有較大的比表面積，吸附水能力強，需在105℃～110℃溫度下烘干8h，粉土、粉砂土不得小于6h，但對含有機質(zhì)的土(尤其是有機質(zhì)含量大于5%的土)，應(yīng)在65℃～70℃烘至恒重，溫度過高會造成有機質(zhì)的損失，使含水量偏大。決不能為趕工期而省時省工，更不能不分土類別、不分溫度、不分時間地進(jìn)行烘干。
2.2 土粒比重試驗
從理論上講要得到一個準(zhǔn)確的土粒比重值較為困難，因為國標(biāo)中采用的試驗方法存在下列因素的影響：
�、俳Y(jié)合水的影響。土粒帶負(fù)電荷，與其周圍的水相互作用，形成結(jié)合水，結(jié)合水吸附在粘粒表面，使測出的土粒體積大于實際體積，導(dǎo)致測試結(jié)果偏小。
�、谕亮ｉg膠結(jié)物固化的影響。制備試樣在烘干過程中，不可溶的膠質(zhì)礦物如SiO2、Al2O3、粘土礦物等易固化形成團(tuán)粒，形成的團(tuán)粒較難靠水的作用分散，加熱煮沸對團(tuán)粒不能達(dá)到完全分散的作用，使計算出的土粒相對密度偏小。
土粒比重是土的基本物理指標(biāo)之一，是一個相對穩(wěn)定的值，它決定于土的礦物成分，一般無機物礦物顆粒的比重為2.60～2.80，有機質(zhì)為2.40～2.50，泥炭為1.50～1.80，土粒的比重變化幅度很小，同一地區(qū)同一類型的土相對密度基本接近，通常可按地區(qū)經(jīng)驗數(shù)據(jù)選用。由于土粒比重試驗相對復(fù)雜且費時，但也不能在一個地區(qū)根本就沒有進(jìn)行過土粒比重試驗，而盲目套用其它地區(qū)的經(jīng)驗，這是不科學(xué)的。
2.3 界限含水量試驗
液、塑限聯(lián)合測定法的界限含水量土樣制備方式對比較均勻的土可采用天然含水狀態(tài)的土樣；對不均勻的土樣，采用風(fēng)干土樣。當(dāng)試樣中含有粒徑大于0.5mm的土粒和雜物時，應(yīng)過0.5mm的篩。進(jìn)行界限含水率試驗時應(yīng)將試驗樣品加入不同水量充分調(diào)和均勻，填入試樣杯中，按規(guī)范測定三個不同含水率的點。
在實際試驗時操作人員能夠?qū)[石、巖屑、雜物的土樣過篩后進(jìn)行試驗，但當(dāng)土中含原生的鐵、錳質(zhì)結(jié)核時而往往忽視過篩，直接將土中的鐵、錳質(zhì)結(jié)核壓碎混入土中，這種方法造成土的液、塑限含水量偏小。
土樣加水后應(yīng)充分拌和，拌合后試驗樣品的含水量必須均勻，否則錐體下落試驗點處的含水量難以代表實際樣品的含水量。
試樣調(diào)好后填入盛土杯也是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，填入的樣品要均勻，不能有空洞，杯口土面應(yīng)平整。低含水量的試驗樣易在盛土杯中產(chǎn)生土體密實度差異現(xiàn)象，高含水量試驗樣易出現(xiàn)盛土杯土體空洞現(xiàn)象，操作時應(yīng)注意。杯口土面平整時，不能用調(diào)土刀過分抹平，尤其對易失水的粉土更容易造成杯表面含水量降低，產(chǎn)生試驗誤差。在具體試驗過程中可在一杯土的不同位置測試兩次，以此來檢驗試樣是否均勻。對于搓條法進(jìn)行塑限試驗，雖然規(guī)范允許，試驗時人為影響因素較大，試驗誤差過大。這種方法雖然簡便，但應(yīng)慎重選用。
2.4 土體的定名
土體定名應(yīng)規(guī)范，在土體定名時經(jīng)常出現(xiàn)粉土定名的誤區(qū)。規(guī)范規(guī)定：粉土是粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量不超過總質(zhì)量的50%，且塑性指數(shù)不大于10的土。在實際運用中，由于顆分試驗較繁雜，仍采用按塑性指數(shù)不大于10來劃定粉土的做法。土工試驗時，粉砂有時也具有一定的塑性指數(shù)，若僅按塑性指數(shù)劃分粉土可能會造成誤判。另外，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50021-2001)規(guī)定粉土承載力特征值深寬修正時、按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB5007-2002)進(jìn)行液化判別時，均需根據(jù)粉土粘粒含量數(shù)值來進(jìn)行計算和判別，雖然對地震烈度小于等于6度的地區(qū)，對非持力層粉土一般建筑不需進(jìn)行液化判別和承載力特征值深寬修正，但也不能僅以塑性指數(shù)作為判定粉土的條件。
3、土力學(xué)性質(zhì)試驗
3.1 固結(jié)試驗
土的固結(jié)試驗是測定土體在壓力作用下的壓縮特性，以此計算建筑物的沉降量，是地基設(shè)計的重要參數(shù)之一。在試驗時常有以下因素影響其準(zhǔn)確度。
�、儆捎陬l繁折卸儀器、透水石磨損、濾紙規(guī)格的變化等因素，均會影響測試結(jié)果，因而儀器應(yīng)定期校正。
�、谏贤杆暮坎町悤䦟ν馏w固結(jié)產(chǎn)生一定程度的變化，這種變化對一般的土樣影響比較隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)，但對具膨脹性的土樣會有很大的影響，當(dāng)透水石的含水量較土樣含水量大時會引起土樣吸水膨脹，出現(xiàn)前后級荷載百分表讀數(shù)差別很小的現(xiàn)象，有時甚至出現(xiàn)后級讀數(shù)較前級讀數(shù)小的異常情況。在透水石含水量較土樣含水量小時，會加速土樣的失水呈收縮趨勢，造成壓縮量過大。因而下透水石的含水量未接近土的天然含水量。
�、郯惭b試樣儀器歸零必須嚴(yán)格到位，環(huán)刀上、下土面必須緊密與上、下透水石處的濾紙接觸。由于環(huán)刀使用時外力破壞會出現(xiàn)外徑變化情況，使得環(huán)刀不能有效放入規(guī)定限位，造成透水石不能與環(huán)刀上、下土面有效接觸，使初級壓縮偏大，產(chǎn)生實驗誤差。
④百分表歸零時應(yīng)使百分表量測的活動軸桿有足夠的量程，以避免壓縮變形量較大時，儀器量程小于土樣壓縮變形而造成壓縮試驗的失真。
�、菰囼灧�(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)在《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)中規(guī)定：施加每級壓力后，每小時變形達(dá)0.01mm時，測定試驗高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。
原來的1h快速法由于缺少理論依據(jù)而不再使用，但實際工作中，由于固結(jié)儀器數(shù)量的限制、試驗工期的緊迫仍會沿用，這種違背規(guī)范的現(xiàn)象，應(yīng)禁止。
3.2 抗剪強度試驗
直剪試驗受力條件復(fù)雜(如發(fā)生剪切位移時法向加荷由最初軸心受壓變?yōu)槠氖軌�，剪切破壞面人為限�?，排水條件不易控制，按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999第18條規(guī)定快剪試驗一般適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的細(xì)粒土，粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)一般大于10-5cm/s，粉土K值更大，用直剪試驗已非常勉強，在室內(nèi)試驗對較軟的粉土及粉質(zhì)粘土直剪時，發(fā)現(xiàn)四級荷載下很少存在峰值強度，絕大部分需剪切至位移6mm處，剪切強度指標(biāo)回歸性差(尤其最后一級荷載強度偏低，再現(xiàn)性差)，剪切強度指標(biāo)僅能作為參考。另外較軟弱的土即使?jié)B透系數(shù)滿足要求，當(dāng)后二級荷載加上時會發(fā)生土樣擠入透水石與剪切盒之間縫隙的情況而無法剪切。雖然直剪試驗方便簡單，但其對粉土、粉質(zhì)粘土及較軟弱土強度指標(biāo)可信度較差，三軸試驗可取得較好的效果，在一個勘查項目的土工試驗中可進(jìn)行一定數(shù)量的三軸剪切試驗進(jìn)行對比。
另外在進(jìn)行固結(jié)快剪及快剪試驗時，應(yīng)嚴(yán)格控制剪切速度，對粘性土速度控制在0.8mm/min為宜，嚴(yán)禁提高剪切速度，造成剪切強度偏低，誤導(dǎo)設(shè)計。
4、體會
土工試驗是對野外采取的土樣進(jìn)行試驗，土樣在采取、保管、運輸?shù)母鱾�環(huán)節(jié)稍有不慎都會對“原狀土樣”試驗數(shù)據(jù)的真實性產(chǎn)生重大影響，因此：一是務(wù)必要求野外勘察機臺選用符合國家規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)取樣器靜壓取樣，嚴(yán)禁采用輕錘多擊法取樣或巖芯管回轉(zhuǎn)巖芯切樣；二是在取樣過程中精心操作，特別是要防止壓取長度超過取樣器長度，造成土樣擠壓；三是對取出的土樣立即密封妥善保管，做到防曬、防凍；四是對取出的土樣及時送到試驗室，在運送時裝箱置于減震墊上，防止互相碰撞；五是在試驗過程中應(yīng)盡可能地減少對土樣的再次擾動，采取有效措施保證試驗結(jié)果的可靠性，并對試驗過程中易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)引起高度重視，在試驗結(jié)果分析整理時應(yīng)結(jié)合具體土樣特點進(jìn)行對比，充分考慮試驗過程中可能引起試驗結(jié)果誤差的影響，提交真實、合理的工程試驗數(shù)據(jù)，更好地為工程建設(shè)服務(wù)。
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