岩土勘察中土工试验的力学性质研究

2022-09-11

1. 土工试验概述

土工试验分为物理性质试验与力学性质试验。在土的物理性质试验中, 土的含水率、密度及比重是三个最基本物性指标, 用它们可以换算土的孔隙比、饱和度、干密度等指标, 这三项

指标的正确与否, 不仅影响其他指标的变化, 而且还影响土的一系列力学指标。土的力学性质主要指的是土体抗剪强度及压缩指标, 也就是试验中的土的剪切试验、固结试验。

2. 直接剪切试验

工程发展至今, 对于土体抗剪强度指标的测试提出更高要求。在实验室内常用的有直接剪切试验、三轴压缩试验及无侧限抗压强度试验。目前, 工程上多采用直剪试验获得到c和φ值, 这种方法目前来看存在很多问题。

第一, 试验的真实性受到影响。除去各种人为性因素不谈 (事实上人为因素对于在直剪试验中起着重要影响) , 单纯从技术角度来说, 由于仪器的精度以及试验次数使得实验数据离散性大, 对于诸多实验c和φ值的选取难度较大。在这一情况下, 往往采用经验数据作为最终的取值结果, 这也就导致直剪试验形同虚设, 起不到应有的确定c和φ值的作用。

第二, 实验数据在规范采用上口径不统一。比如, 《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中, 要求用内摩擦角标准值和黏聚力标准值;《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012要求有效应力强度指标。这些指标在不同规范文本中的标准不统一, 导致工程师容易出现不知所措的情况, 最终只能通过保守经验值给定c和φ值。

3. 固结试验

固结试验的目的是通过测量各级垂直荷载下土的变形来测定土的压缩特性。针对此性质测试, 固结仪是最常用的实验仪器。固结仪主要用于测定在不同载荷和有侧限的条件下土的压缩性能, 可以进行正常慢固结试验和快速固结试验, 测定前期固结压力和固结系数。下面笔者将对两种常见的固结仪器进行介绍:

3.1 砝码杠杆式固结仪

砝码杠杆式固结仪是最传统的固结仪器。虽然其自动化程度较低, 实验精度存在较大误差, 但是由于其加荷直观稳定且成本相对较低, 因此目前我国大部分勘察单位都有采用这种砝码杠杆式固结仪。当然, 从施加的压力大小角度, 砝码杠杆式固结仪又分为低压固结仪 (对50平方厘米可加压至400k Pa) 、中压固结仪 (对50平方厘米可加压至800k Pa) 、高压固结仪 (对平方厘米可加压至2000k Pa) 。

3.2 气压固结仪

气压固结仪作为一种新式固结仪, 它采用高压气体作为压力源, 具有加荷方便、自动化程度高、实验精度得到有效保障的特点。气压固结仪按照规格分为低压固结仪 (单联、双联)

和高压固结仪 (单联、双联) 。其中, 低压固结仪对50平方厘米可加荷至600k Pa;高压固结仪对50平方厘米可加压至2000k Pa。在具体使用过程中, 一定要实现检测气压固结仪是否漏气, 如果漏气会导致气压不稳定, 测出的实验数据也不可靠。

4. 与力学性质有关的土工试验质量管理

4.1 岩土力学指标的相关性分析

岩土的力学指标之间具有很强的相关性, 物理性质与力学性质也是息息相关的。根据这一特征, 我们在进行岩土勘察过程中可以通过分析指标间的比例关系确定指标区间的合理性并

发现可疑数据。具体来说: (1) 矿物成分在很大程度上决定了土粒的比重 (Gs) 。二

者呈正相关关系, 即矿物含量越多, Gs值越大。此外, 塑性指数 (Ip) 的大小与土中结合水的含量有关。类似的, 粘土矿物与Ip值间也存在正相关关系, 即粘土矿物越多, 可能形成结合水含量越高, Ip值越大。在进行Gs值与Ip值力学分析时, 我们需要从岩土矿物含量入手, 通过仪器对其含量进行精确采样测试。然后由上文理论, 矿物含量较高时, Gs和Ip值也较高。最后根据比例关系判断Gs和Ip值是否在可承受区间。

(2) 岩土含水率 (ω) 与岩土孔隙比 (eo) 也有着正相关关系, 即同一类型的岩土之ω越大, 该岩土的eo也越大。这里需要指出, 在进行相关力学分析时必须在同一类型的岩土之间进行比较, 换言之不同类型岩土的含水率不具有横向可比性。举例来说, 膨胀土由于成分中有较多云母, 故可以比一般岩土吸附更多结合水, 含水率自然也更高。此外, 影响含水率的还有岩土密度 (p) 。在对软土层进行具体力学分析时, 只要饱和度维持在8O~100间, 就基本可以确定该岩土的含水率在合理范围。

4.2 编制质量分析表

土工试验的重要目的是确定工程设计的必要参数, 这些参数是在得出大量实验数据后进一步统计得到的。具体来说就是在土工勘察现场, 需要对土样进行科学分层, 运用数理方法, 统计分析实验结果, 然后据此编制土工试验质量分析表。一般来说, 分层及统计方法是, 首先根据上文论述的岩土力学性质和物理特性分析确定待勘探土层范围、深度、结构、类型和状态等基本信息, 并根据分析结果将土样分层若干层。然后对不同层次土样进行数据统计, 要注意的是, 每层统计的频率最好大于6个。最后综合每层的统计结果编制土工试验质量分析表。

摘要：随着市场经济的发展, 大型施工项目的不断上马, 土工试验已经逐渐成为影响工程质量的重要因素。本文就岩土勘察中土工试验的力学性质进行相关探讨和研究, 希望对我国工程项目质量设计有所帮助。

关键词：岩土勘察,土工试验,质量控制