張宏亮

(山西交通建設(shè)監(jiān)理咨詢集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

作為巖土工程勘察工作的重要環(huán)節(jié)，土工試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)能夠?qū)罄m(xù)的設(shè)計(jì)及施工提供重要的參考，是一項(xiàng)重要的依據(jù)。但由于人為因素或者試驗(yàn)儀器的影響，試驗(yàn)成果在準(zhǔn)確性及精確性方面均會(huì)受到一定程度的影響，導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)及施工的質(zhì)量會(huì)受到一定的影響。因此，對(duì)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及精確性進(jìn)行判斷，并分析其影響因素是一項(xiàng)重要的工作[1]。

1 土工試驗(yàn)的意義及研究內(nèi)容

1.1 土工試驗(yàn)的意義

土工試驗(yàn)為土木工程的快速發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，它的最大貢獻(xiàn)在于為工程建設(shè)提供非?？煽康臄?shù)據(jù)依據(jù)，可有效的避免在建設(shè)過程中發(fā)生安全事故[2]。作為巖土工程勘察的重要工作內(nèi)容，土工試驗(yàn)主要運(yùn)用物理及力學(xué)原理，對(duì)建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)的巖土體進(jìn)行分析，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。因此，確保土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是一項(xiàng)重要的工作。土工試驗(yàn)是在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)土的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，主要為包括運(yùn)用物理性試驗(yàn)得到的物理指標(biāo)與運(yùn)用力學(xué)性試驗(yàn)得到的力學(xué)指標(biāo)[3]。其中物理指標(biāo)主要包括含水率、液塑限、顆粒分析及CBR值等，主要的作用是對(duì)土樣進(jìn)行定性，并作為對(duì)工程建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)地基土層進(jìn)行劃分的重要依據(jù)。力學(xué)指標(biāo)包括抗剪強(qiáng)度及壓縮性等，是指土對(duì)外力作用所導(dǎo)致的變形的抵抗能力。

1.2 物理指標(biāo)

(1)含水率

含水率作為土的一項(xiàng)重要物理指標(biāo)，會(huì)對(duì)土的強(qiáng)度、壓實(shí)性、彈性模量以及凍脹性與滲透性起著重要的影響。因此，土的含水率測(cè)定是土工試驗(yàn)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。土的含水率是指將土樣在恒溫條件下烘干，計(jì)算蒸發(fā)失水的質(zhì)量與干土質(zhì)量的百分比值。含水率作為一項(xiàng)基本的物理指標(biāo)，是進(jìn)行其他物理指標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)。

(2)液塑限

液塑限是一項(xiàng)對(duì)土進(jìn)行類別劃分與工程性質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)，其中塑限含水率是指土的由半固態(tài)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)，液限含水率則是指土的由可塑狀態(tài)進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)，然后根據(jù)所得到的液塑限數(shù)據(jù)，從而計(jì)算得出塑性指數(shù)、液性指數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)，通過這兩項(xiàng)指標(biāo)從工程的角度對(duì)土進(jìn)行分類，并用作對(duì)地基容許承載力以及單樁承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

(3)顆粒分析

土作為一種特殊的顆粒集合體，它具有不同的工程性質(zhì)，而且它的組成成分與形狀差異都非常明顯，所以需要對(duì)其進(jìn)行粒組分類，以此對(duì)土顆粒的組成進(jìn)行研究。將土按照顆粒大小進(jìn)行粒組分類的過程即顆粒分析，繪制反映顆粒的級(jí)配的單對(duì)數(shù)曲線，可用于測(cè)定有效粒徑，并對(duì)不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc進(jìn)行計(jì)算，上述兩項(xiàng)參數(shù)是對(duì)土顆粒級(jí)配進(jìn)行判定的標(biāo)準(zhǔn)。

(4)CBR值

CBR值即加州承載比，是廣泛應(yīng)用于公路工程行業(yè)中的一項(xiàng)指標(biāo)，主要作用是對(duì)公路路基填土強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，是公路路基填料選擇的重要依據(jù)。CBR值的測(cè)定是將最佳含水率的土樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)成型，飽水浸泡96 h后測(cè)定貫入量為2.5 mm條件下所加載的試驗(yàn)荷載與標(biāo)準(zhǔn)荷載之間的百分比。

(5)密度

作為以一項(xiàng)重要的物理指標(biāo)，土的密度是計(jì)算干密度以及孔隙率等指標(biāo)的基礎(chǔ)[4]。土的密度可用于分析其工程特性，計(jì)算自重應(yīng)力、沉降指數(shù)以及地基的穩(wěn)定性。

(6)最佳含水率

最佳含水率是指土體的壓實(shí)效果達(dá)到了最佳狀態(tài)時(shí)的含水率，這時(shí)土體的干密度即為最大干密度。通過擊實(shí)試驗(yàn)，可得到含水率與干密度的關(guān)系曲線，關(guān)系曲線的拐點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的縱橫坐標(biāo)值即為最佳含水率和最大干密度。

1.3 力學(xué)指標(biāo)

土工試驗(yàn)所測(cè)定的力學(xué)指標(biāo)通常為壓縮性指標(biāo)與抗剪強(qiáng)度，其中壓縮性指標(biāo)通過固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定，抗剪強(qiáng)度則采用剪切試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。壓縮性指標(biāo)一般可以直觀反映出土的壓縮性，它的最大貢獻(xiàn)在于可用作對(duì)地基沉降進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的數(shù)據(jù)為壓縮系數(shù)與壓縮模量?？辜魪?qiáng)度主要是通過分析粘聚力與內(nèi)摩擦角兩項(xiàng)指標(biāo)，也可用來對(duì)地基承載力與側(cè)向土壓力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)土體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 土工試驗(yàn)方法及其影響因素分析

2.1 物理指標(biāo)試驗(yàn)

(1)含水率試驗(yàn)

含水率試驗(yàn)最常用的方法為烘干法，該方法最符合含水率的定義，加之測(cè)定結(jié)果精確性高，是進(jìn)行含水率測(cè)定的首選試驗(yàn)方法，也可用來對(duì)其他試驗(yàn)方法結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[5]。烘干法是將土樣放入提前準(zhǔn)備好且質(zhì)量固定的鋁盒中，然后進(jìn)行稱重，將其放入105 ℃恒溫烤箱中烘干8 h后取出，再將其放置在干燥器內(nèi)，冷卻之后進(jìn)行第二次稱重，然后根據(jù)兩次稱重的差值結(jié)果以此計(jì)算出土樣中水的質(zhì)量，最終進(jìn)一步得出土樣的含水率。烘干法由于耗時(shí)過久，無法滿足在現(xiàn)場(chǎng)快速的對(duì)含水率進(jìn)行測(cè)定的要求，為確保檢測(cè)速度，可采用酒精燃燒法與比重法進(jìn)行含水率的測(cè)定。含水率試驗(yàn)受到環(huán)境因素的影響較大，除了要定期對(duì)鋁盒的質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)定之外，將土樣放入鋁盒之后要及時(shí)稱重，避免因水分蒸發(fā)導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏低。同時(shí)還要注意土樣要有足夠的烘干時(shí)間，在取出之后要及時(shí)放入干燥器中冷卻，防止因吸水導(dǎo)致結(jié)果偏大。對(duì)于土質(zhì)不均勻的試樣，宜多取幾組試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)液塑限試驗(yàn)

由于圓錐儀法、滾搓法對(duì)試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，容易受到人為因素的影響，因此目前不論是工程實(shí)踐還是研究，液塑限試驗(yàn)主要采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀來進(jìn)行，如圖1所示。其中搓條法用來對(duì)塑限進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)的具體操作為將試樣搓為直徑為3 mm的土條并發(fā)生脆性斷裂，測(cè)定此狀態(tài)下的含水率；圓錐儀法是通過對(duì)圓錐儀進(jìn)入特定深度時(shí)土樣的含水率進(jìn)行測(cè)定以此來獲得液塑限值；液塑限聯(lián)合測(cè)定儀的則是所選用三種不同的含水率的土樣樣本，通過測(cè)定圓錐進(jìn)入土樣的深淺程度，從而繪制出含水率與入土深度的雙對(duì)數(shù)曲線，以此來對(duì)液限及塑限進(jìn)行測(cè)定。液塑限試驗(yàn)的影響因素主要有3項(xiàng)：①土樣不均勻；②儀器陳舊存在偏差；③土樣中有大粒徑的顆粒以及雜物。

圖1 液塑限聯(lián)合測(cè)定儀

(3)顆粒分析試驗(yàn)

顆粒分析試驗(yàn)是將土樣顆粒根據(jù)粒徑區(qū)間進(jìn)行分組，并計(jì)算每組土樣占總質(zhì)量的比值，以此來揭示土樣粒徑的分布情況，用來對(duì)土樣進(jìn)行分類，并作為對(duì)土的分類與工程性質(zhì)進(jìn)行判定的依據(jù)。根據(jù)顆粒直徑與級(jí)配的不同，可采用4種試驗(yàn)方法，即篩分法、密度計(jì)法、移液管法以及三種方法的組合。顆粒分析試驗(yàn)的影響因素有以下3種：①長期使用導(dǎo)致篩孔因磨損而變大；②攪拌懸液的時(shí)間存在差異；③人為因素。

(4)CBR試驗(yàn)

進(jìn)行CBR試驗(yàn)時(shí)首先要制作試樣，試樣的含水率為經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)所測(cè)得的最佳含水率，進(jìn)行分層擊實(shí)成樣之后要在水中浸泡96 h之后方可進(jìn)行試驗(yàn)，水面宜高出試樣的頂面不小于2.5 cm。試驗(yàn)過程中貫入桿的速度要控制在1～1.25 mm/min，一般以貫入量為2.5 mm時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行CBR值的計(jì)算，也可以貫入量為5 mm的數(shù)據(jù)進(jìn)行CBR值的計(jì)算。CBR值的測(cè)定會(huì)受到制樣方法以及試驗(yàn)方法的明顯影響，如浸水方式、浸水時(shí)間以及上覆壓力等。

(5)密度試驗(yàn)

根據(jù)土樣類別的不同，密度試驗(yàn)方法多種多樣，而目前大多數(shù)情況下還主要采用環(huán)刀法[6]。它的原理是采用環(huán)刀來切取固定體積的土樣，然后進(jìn)行稱重，從而計(jì)算出土樣的密度。同一土樣要進(jìn)行多組試驗(yàn)，取各組試驗(yàn)的平均值，以此來確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，且差值應(yīng)不大于0.03 g/cm3。土密度試驗(yàn)首先需要注意的是取樣之后應(yīng)立即實(shí)施；其次是確保土樣表面的平整，避免因出現(xiàn)裂紋、缺口及不平整而對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步導(dǎo)致飽和度與孔隙率的計(jì)算出現(xiàn)偏差。

(6)擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)分為輕型與重型兩種，需要對(duì)土樣進(jìn)行分層擊實(shí)，每層擊實(shí)固定次數(shù)，且每層土樣擊實(shí)后頂面應(yīng)拉毛。若采用手工擊實(shí)，應(yīng)確保擊錘垂直自由落下，且錘擊點(diǎn)在土樣頂面應(yīng)均勻分布，避免出現(xiàn)集中現(xiàn)象。擊實(shí)完畢之后從擊實(shí)桶內(nèi)取出土樣，從土樣中心處取兩塊一定質(zhì)量的土樣，輕型擊實(shí)試驗(yàn)取15～30 g的土樣，重型擊實(shí)試驗(yàn)為50～100 g，對(duì)含水率與干密度平行進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)

(1)固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)是將試樣放置于金屬容器內(nèi)，在側(cè)向變形受到限制的條件下對(duì)其施加軸向壓力，測(cè)定不同軸向壓力條件下試樣的壓縮變形，以此來得到壓縮系數(shù)與壓縮模量指標(biāo)。固結(jié)試驗(yàn)過程中下一級(jí)壓力施加之前，在上一級(jí)壓力的作用下試樣的壓縮變形要求達(dá)到穩(wěn)定，根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的不同，可將固結(jié)試驗(yàn)分為穩(wěn)定壓縮與快速壓縮兩種，兩者最大的區(qū)別在于每一級(jí)壓力作用的時(shí)間不同，其中穩(wěn)定壓縮為24 h，而快速壓縮則為1 h。固結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)受到以下因素的影響：儀器精度；透水石發(fā)生磨損、與試樣含水率相差過大；不規(guī)范操作均。

(2)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)有直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等方法，但是目前應(yīng)用最廣泛的為直剪試驗(yàn)，主要原因?yàn)槠湓砗唵?、具有便捷性的?yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛。但同時(shí)也存在著一些明顯的缺陷，主要表現(xiàn)在控制土樣的排水條件不太嚴(yán)格，剪切面為人為固定與實(shí)際有所差距，剪切盒與試樣之間存在摩擦?xí)?dǎo)致結(jié)果偏高。根據(jù)不同的軸向壓力狀態(tài)下所實(shí)測(cè)的剪切應(yīng)力值，以庫倫公式來計(jì)算出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力與內(nèi)摩擦角。剪切試驗(yàn)的影響因素有以下幾方面：所采用的試樣非同一地層，密度值誤差過大；土樣不均勻程度差；人為因素。

2.3 原位測(cè)試

由于目前技術(shù)發(fā)展的限制，鉆探所取得的土樣在取樣與運(yùn)輸環(huán)節(jié)中存在一定弊端，所取得的土樣會(huì)受到外界因素的干擾，導(dǎo)致試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況存在偏差。因此，為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可在土體不受到破壞及擾動(dòng)的狀態(tài)下在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，即原位測(cè)試[7]。原位測(cè)試可對(duì)不易取樣的土體進(jìn)行有關(guān)的物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)定，但在實(shí)際操作中，不容易直觀、精確的對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，通常是將原位測(cè)試的結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比、擬合之后綜合進(jìn)行確定[8]。

(1)十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)十字板探頭插入試驗(yàn)深度的土體中，對(duì)鉆桿施加扭轉(zhuǎn)，量測(cè)土體發(fā)生破壞時(shí)的十字板所受到的抵抗力拒，以此來測(cè)定不排水抗剪強(qiáng)度及殘余抗剪強(qiáng)度，由于可與靜力觸探試驗(yàn)貫入設(shè)備通用，可將兩者聯(lián)合使用。將十字板剪切試驗(yàn)與鉆探取樣成果相結(jié)合，可大幅度的提高勘察工作的效率，并降低成本。

(2)靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探試驗(yàn)是將速率進(jìn)行固定，然后把內(nèi)置有阻力傳感器的探頭壓入土中，其在工作過程中將測(cè)到的阻力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過外接的儀表進(jìn)行測(cè)量，兼具有勘探與測(cè)試兩種功能，可測(cè)定土的變形模量及容許承載力。

(3)荷載試驗(yàn)

荷載試驗(yàn)根據(jù)所采用的荷載板的不同，分為平板荷載試驗(yàn)與螺旋板荷載試驗(yàn)兩種。平板荷載試驗(yàn)的荷載板埋深相對(duì)較淺，且在地下水位線之上，上部堆載直接施加于荷載板之上。其中淺層平板荷載試驗(yàn)適用于對(duì)埋深小于3 m的地基土進(jìn)行承載力及變形特征的檢測(cè)；深層平板荷載試驗(yàn)可用于埋深超過3 m且在地下水位線以上的地基土承載力與變形特征檢測(cè)。螺旋板荷載試驗(yàn)荷載板所受到的力則由傳力桿施加，檢測(cè)深度可達(dá)到10～15 m。

3 結(jié) 語

土工試驗(yàn)作為巖土工程勘察的重要內(nèi)容，旨在為后續(xù)的設(shè)計(jì)及施工提供重要的參考依據(jù)。因此在土工試驗(yàn)成果、技術(shù)資料的科學(xué)性、準(zhǔn)確性以及真實(shí)性方面有著非常高標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文通過對(duì)土工試樣中經(jīng)常測(cè)定幾項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，并針對(duì)性的研究了這些指標(biāo)的試驗(yàn)方法及結(jié)果影響因素，能夠?qū)r土工程勘察工作提供一定的指導(dǎo)及建議。