李曉萍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

Discussion and Suggestion of Several Common Problems in Soil Test

LI Xiao-ping

土工試驗(yàn)中常見(jiàn)問(wèn)題探討

李曉萍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Discussion and Suggestion of Several Common Problems in Soil Test

LI Xiao-ping

摘要土工試驗(yàn)中經(jīng)常遇到一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有較大偏差甚至錯(cuò)誤的情況，分別從試驗(yàn)原理、測(cè)試方法、儀器使用等方面綜合分析產(chǎn)生問(wèn)題的可能性原因，提出在試驗(yàn)操作過(guò)程中減少試驗(yàn)偏差應(yīng)注意的事項(xiàng)和要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞飽和度回彈指數(shù)前期固結(jié)壓力

土工試驗(yàn)是巖土工程勘察的重要組成部分，可以提供土和巖石的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著直接影響?，F(xiàn)場(chǎng)取樣不合理、樣品的不均勻性、樣品運(yùn)輸中的擾動(dòng)、試驗(yàn)方法的缺陷以及試驗(yàn)人員水平的差異都會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。巖土工程土工試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有較大偏差甚至錯(cuò)誤的情況，下面對(duì)這些問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

1飽和度Sr大于100%

飽和度Sr的定義為土在天然狀態(tài)下，土中水的體積占土中孔隙體積的百分比。故孔隙中充滿水時(shí)Sr為100%，孔隙中沒(méi)有水時(shí)，Sr為0。因此，通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得出的飽和度，應(yīng)該都小于100%，但是平時(shí)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)中，偶爾還是會(huì)出現(xiàn)飽和度大于100%的情況。

飽和度的計(jì)算公式為

(1)

影響飽和度的因素主要有含水量、天然密度、顆粒密度這三個(gè)因素。根據(jù)平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，不含有機(jī)質(zhì)的土樣，不同土樣的顆粒密度變化較小，均在2.65～2.74之間，對(duì)飽和度的影響很小。而對(duì)于一般的土樣來(lái)說(shuō)，含水量ω是最容易變化的，不同的土有不同的含水量。樣品不均勻性、土層的埋深不同、取樣不標(biāo)準(zhǔn)不合理、土樣在運(yùn)輸和存放期間的保管等，都會(huì)影響含水量的準(zhǔn)確性。土的天然密度雖然也是一個(gè)變化的量，但對(duì)于某一種土樣來(lái)說(shuō)，它的值較穩(wěn)定且容易測(cè)量準(zhǔn)確；一般來(lái)說(shuō)，平行測(cè)定超過(guò)允許范圍的原因主要是土樣不均造成的，所以含水量的測(cè)定是否準(zhǔn)確對(duì)飽和度值影響最大。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于出現(xiàn)Sr>100%的情況時(shí)，首先要對(duì)含水量的測(cè)取進(jìn)行分析，主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①在制樣開(kāi)始的時(shí)候，要對(duì)巖土名稱、土樣的顏色、礦物組成、軟硬程度、均勻與否進(jìn)行大概的判斷，做到心中有數(shù)，對(duì)于土樣的物理力學(xué)性質(zhì)做出初步估計(jì)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有代表性。

②制樣時(shí)，環(huán)刀直上直下，切除多余的土，試樣與環(huán)刀壁不得留有空隙。平行測(cè)定的差值應(yīng)符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

③對(duì)于結(jié)果中出現(xiàn)飽和度>100%的現(xiàn)象，要從天然含水量、天然密度、顆粒密度方面進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)開(kāi)土記錄，在上述指標(biāo)中選擇能夠反映土樣實(shí)際情況的數(shù)據(jù)。

2回彈指數(shù)Cs為0或負(fù)值

實(shí)際工作中，需要對(duì)地基土進(jìn)行回彈試驗(yàn)，測(cè)定回彈指數(shù)，用于模擬工程的實(shí)際受力狀態(tài)。即先加荷至所取深度的自重壓力，以模擬恢復(fù)原有土試樣的應(yīng)力狀態(tài)，然后開(kāi)始卸荷，使卸荷壓力相當(dāng)于開(kāi)挖土重所減少的附加壓力，再分級(jí)加荷至自重壓力與附加壓力之和段。用取樣深度的自重壓力至基坑開(kāi)挖卸荷土重的壓力段(即圖1中bc段)計(jì)算回彈指數(shù)Cs。

圖1　回彈試驗(yàn)

(2)

土的受荷應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩個(gè)部分，卸荷后彈性應(yīng)變部分能夠恢復(fù)，塑性應(yīng)變部分不能恢復(fù)。因此，在回彈試驗(yàn)中，受壓土樣表現(xiàn)為卸荷后部分回彈，但又不能回彈到加荷前的試樣高度。由于卸荷作用孔隙比相應(yīng)有所增大，其形成的曲線(圖1中的bc段)稱為回彈曲線，卸荷后再加荷的曲線(圖中的bc)稱為再壓縮曲線，回彈曲線與再壓縮曲線所閉合的部分稱為滯回圈。從理論上來(lái)講，滯回圈的軸線應(yīng)該呈“”的趨勢(shì)。但是在實(shí)際工作中，會(huì)發(fā)現(xiàn)相反的情況，也就是出現(xiàn)回彈指數(shù)為0或負(fù)值。由公式(2)可以看出，其原因是孔隙比的增量為0或負(fù)數(shù)。產(chǎn)生這種問(wèn)題的原因是多方面的，除去一部分土樣本身回彈量較小以外，大部分原因還是屬于操作問(wèn)題，主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)開(kāi)、取土樣對(duì)試驗(yàn)的影響

固結(jié)試驗(yàn)就是通過(guò)對(duì)土樣的室內(nèi)試驗(yàn)，為實(shí)際工程中土層的結(jié)構(gòu)分析提供基本參數(shù)。因此，土樣要盡可能與實(shí)際的土層保持一致。在取樣過(guò)程中，應(yīng)盡可能減少或者減輕對(duì)土樣原狀結(jié)構(gòu)的破壞，環(huán)刀要定期檢查校核，卷邊變形有缺口、高度不符合要求時(shí)應(yīng)停止使用。用環(huán)刀取樣時(shí)，要注意均勻用力，垂直下壓。

(2)儀器設(shè)備對(duì)試驗(yàn)的影響

試驗(yàn)所使用的固結(jié)儀必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，定期校核，安排專人進(jìn)行日常維護(hù)、保養(yǎng)。

儀器容易出現(xiàn)問(wèn)題：杠桿式固結(jié)儀的杠桿不夠靈活，出力精度差，刀口鈍滯；銅制導(dǎo)環(huán)、護(hù)環(huán)腐蝕發(fā)綠甚至變形；承壓板頂?shù)匿撝樯P；透水石長(zhǎng)期使用不清洗，孔隙堵塞；百分表或傳感器的表?xiàng)U不靈活；氣壓固結(jié)儀密封件質(zhì)量不過(guò)硬，存在漏氣現(xiàn)象，壓力不穩(wěn)定。

(3)操作過(guò)程的影響

裝樣時(shí)土盒蓋未與試樣充分接觸。

對(duì)于飽和試驗(yàn)，施加第一級(jí)壓力后應(yīng)立即向水槽中注水浸沒(méi)試樣；非飽和試驗(yàn)，須用濕棉紗圍住加壓板周圍，然后按規(guī)定逐級(jí)施加荷載。

采用杠桿式固結(jié)儀時(shí)，加荷及卸荷時(shí)要輕緩，盡量避免增減砝碼時(shí)的振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

3前期固結(jié)壓力測(cè)定

前期固結(jié)壓力Pc是指土層歷史上曾受到過(guò)的最大有效應(yīng)力，是判斷地基土層所處固結(jié)狀態(tài)的重要指標(biāo)。前期固結(jié)壓力通過(guò)高壓固結(jié)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，室內(nèi)試驗(yàn)通常采用卡薩格蘭德(Casagrande)經(jīng)驗(yàn)作圖法求前期固結(jié)壓力(如圖2)，在e-lgP曲線拐彎處找到曲率半徑最小的點(diǎn)A，過(guò)A點(diǎn)作水平線A1和切線A2；作∠1A2的角平分線A3，與e-lgP曲線直線段的延長(zhǎng)線交于B點(diǎn)，B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力即為前期固結(jié)壓力。試驗(yàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)e-lgP曲線沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折段，難以確定Pc，不能完全反映土體實(shí)際所受過(guò)的上覆壓力情況。主要原因有以下幾點(diǎn)。

圖2　固結(jié)壓力測(cè)定

(1)試驗(yàn)條件

土樣的擾動(dòng)程度是影響前期固結(jié)應(yīng)力Pc的主要因素，擾動(dòng)會(huì)模糊土的應(yīng)力歷史。因此，在鉆樣取樣過(guò)程中一定要保持土的原狀性，宜采用大口徑的薄壁取土器，運(yùn)輸過(guò)程中避免擾動(dòng)。開(kāi)土?xí)r要注意環(huán)刀直上直下，均勻受力，選取有代表性的土樣，盡量保持原狀。

要保證固結(jié)儀使用正常，在裝樣、加荷的過(guò)程中避免對(duì)試樣的擾動(dòng)。

(2)加荷率

加荷率即后一級(jí)荷重和前一級(jí)荷重的差數(shù)與前一級(jí)荷重的比值，即(Pi+1-Pi)/Pi。加荷率對(duì)試樣的壓縮量有明顯影響，一般來(lái)說(shuō)，加荷率小，沉降量?。患雍陕蚀?，沉降量大。過(guò)大的加荷率會(huì)引起試樣結(jié)構(gòu)的觸變破壞，產(chǎn)生較大的沉降量，得出偏小的Pc值，這一點(diǎn)對(duì)于高塑性的軟黏土尤為突出。試驗(yàn)過(guò)程中，要根據(jù)工程實(shí)際情況和土質(zhì)條件合理確定加荷率，在土的自重壓力P0前，加荷率要盡量小一些；超過(guò)P0，可適當(dāng)增大；對(duì)軟土，加荷率應(yīng)小一些，在接近P0前后，加荷等級(jí)可適當(dāng)加密，利于e-lgP曲線上找到確切的拐點(diǎn)。

(3)固結(jié)時(shí)間

土體前期固結(jié)壓力Pc值不僅受歷史上最大豎向有效應(yīng)力的影響，還與土體次固結(jié)有關(guān)。黏性土的變形主要包括主固結(jié)和次固結(jié)，試樣的變形穩(wěn)定時(shí)間取決于它的透水性和流變性。黏性越大，固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，次固結(jié)量越大，得到的Pc偏小，采用快速法要比24 h穩(wěn)定測(cè)得的Pc大。因此，高壓固結(jié)試驗(yàn)不適合采用快速法然后進(jìn)行修正，宜采用24 h固結(jié)時(shí)間作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

卡式經(jīng)驗(yàn)作圖法要求開(kāi)土質(zhì)量較高。繪制e-lgP曲線時(shí)還應(yīng)注意選取合適的比例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查資料，經(jīng)綜合分析確定。

4結(jié)束語(yǔ)

土工試驗(yàn)是巖土工程勘察設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性工作，其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響工程質(zhì)量和使用安全。由于土體自身的復(fù)雜性，在取樣和試驗(yàn)過(guò)程中存在測(cè)試方法、儀器設(shè)備、人員素質(zhì)等多種因素的差異。因此，要特別重視可疑數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析，確保土工試驗(yàn)報(bào)告的真實(shí)性和合理性，為工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)01-0078-03

作者簡(jiǎn)介：李曉萍(1974—)，女，1996年畢業(yè)于天津工業(yè)大學(xué)材料工程專業(yè)，高級(jí)工程師，E-mail：lixiaoping@tsdig.com。

收稿日期：2014-11-27