论文部分内容阅读
摘要：岩土工程勘察是建筑物施工过程中的基础也是最重要的环节之一，而作为岩土工程勘察基础部分的室内土工试验更是整个建筑过程中的重中之重。室内土工试验的结果关系到整个工程的地基承载力，基础沉降和其它与建筑设计息息相关的数据内容。
关键词：室内土工实验问题措施
中图分类号：TU74文献标识码：A
土是地壳表层的岩石经风化后产生的松散堆积物，它具有三个特性：(1)土是松散性材料，不是连续的固体；(2)土是三相体，是由土颗粒、土中水和土中气所组成的三相体系；(3)土是自然地质历史产物，非人工制造产物。由于土是自然地质历史产物，各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例不尽相同，而且土粒与其周围的水分又发生了复杂的物理化学作用，因此，造成了土的物理性质的复杂性；土的物理性质又在一定程度上决定了它的力学性质，不同地区的土，又有不同的变化。土的物理性质、力学性质，相对于其它材料来说，是比较复杂的，如土的应力-应变关系是非线性的，土的变形在卸荷后一般不能完全恢复，土的强度也不是一成不变的，土对扰动还特别敏感等等。那么，通过室内实验测出土的性质，就存在一个是否准确的问题。如何确定数据的准确性，以及各个指标存在哪些必然的联系，对于从事土工实验的人员有很大的指导意义。室内土工试验的内容大致可归为物理指标和力学指标两大类。物理指标中又含有天然含水率，界限含水率，比重，密度。而力学指标主要是压缩系数，压缩模量及抗剪强度指标。在这些指标中由于土的土层自身的不均匀性，以及取样、保存和运输过程中对原状土的扰动，实验仪器、操作方法以及试验人员的经验差异，使得室内土工试验中测试的结果出现一些异常现象。因此，要对异常的试验数据进行仔细分析和提出具体的处理方法，为工程勘察和设计提供可靠的、接近实际的土的各种物理力学指标。下面将介绍室内土工试验中的几点问题及处理意见：
1 土的物性试验中存在的主要问题
1．1 土的比重、含水率和密度试验
1.1.1在土的物理试验中，含水量、天然密度及比重是三个基本的物性指标，用这三个指标可以换算土的干密度、空隙比、孔隙率、饱和度等指标。这三个指标的正确与否，不仅影响其他的物理指标，而且还影响土的一系列力学指标。因此，准确测定这三项指标，有着重要的意义。在这三个基本指标中，比重是一个相对稳定的值，它决定于土的矿物成分，一般砂土为2．69，粉土2．70～2．71，粉质粘土为2．72～2．73，粘土为2．74～2．76。同一地区同一类型的比重基本相同。值得注意的是，当土中含有有机质时，土的比重可降到2．4以下，此时应改用中性液体测定。如煤油、汽油甲苯和二甲苯，并采用抽气法排气。
1.1.2含水率分为天然含水率和界限含水率。首先天然含水率是最不稳定的，不同的土有不同的含水率，而且由于各种因素，如土层的不均匀，取样不标准，野外取土不规范，取土不及时，土样在运输和存放期间保护不当等等，都会影响成果的准确度。所以在野外，试验人员取土、保存及运输要规范化，土样要有代表性及均匀性，取土样要及时，避免水分损失，依据试验规程应取两个以上的试样进行平行试验，去除离散值较大的值后取平均值。
界限含水率包括液限和塑限。液限、塑限分别是细粒土处于可塑状态的上限和下限含水量。土的液限与塑限对于工程来说有着比较重要的实用意义。用它可计算塑性指数和液性指数，评价细粒土地基的容许承载力，并可按塑性指数或塑性图进行土质分类。土的塑性指数高，表示土中的胶体粘粒含量大，同时也表示粘土中可能含有蒙脱石或其它高活性的胶体粘粒较多。因此，界限含水量，尤其是液限，能较好的反映出土的某些物理力学特性，如压缩性、胀缩性等。而当前对土的液限、塑限的测定，存在不少问题。其一，液限标准的确定，还处在过渡时期，即圆锥下沉10 mm和17 mm处为液限含水量，势必使人们对土的名称和状态产生不同程度的误解，特别是非专业人员，很难搞明白，为什么原来是一种土，而现在又是另一种土，原来处在一种状态而现在又处在另外一种状态。其二，大多数实验人员，只受过几个月的培训，因此，它们对于土的状态的确定并不是很明确，比如，国标上把粘性土的状态按液性指数的大小分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑，而一旦测出土的状态为坚硬或流塑，就会产生怀疑，所测土并不像想象中那么坚硬或流塑。其实，规范中对土的状态的确定，只是在一定标准下，给土的状态定名而已，并不是人们想象中的坚硬就应该像石头一样，流塑就像水流动似的。其三，对于塑性指数小于10的土，以前叫做轻亚粘土，而新规范称粉土。这种土的存在是否会产生液化的问题，因此，要根据工程要求，进行相关的粘粒（小于0.005 mm颗粒含量）的测定。其四，测定土的液、塑限时取标准样的问题，规范上大多规定土要过0.5 mm的筛，才能进行实验。在实际操作中，有一些土用眼睛观察含有较多砂粒，一旦过0.5 mm篩后做实验，测出的土塑性指数可能很大，不能反映土的实际情况。因此，对于这种土最好能采用筛分法确定砂粒含量，如果砂粒含量已达到确定该土为砂土的标准，那么就不必再做液、塑限试验，反之则可进行相应的液、塑限试验确定土的名称。实际上，有些土是处在杂土状态，无法确定名称，这种情况下，可以根据工程需要，做相应的处理。比如，以土中粘粒为主做试验或以砂粒为主做试验，目的就是反映土的真实情况，为工程建设服务。
1.1.3土的密度取决于土粒的重量、孔隙体积的大小、孔隙中水的重量，其综合反映了土的物理组成和结构特征。该项试验较简单，一般在取样后立刻进行。需要注意的是，开土取样时要用取土刀，将土样取入环刀后，要用专门的刮土刀整平切土刀刮平，这是一种极其错误的操作方法。因为经常这样，切土刀刃口经长期使用会磨损呈凹形，会使测得的密度偏大、孔隙比偏小、饱和度偏大等。因此，试验人员一定要按规范操作，要使用符合质量要求的切土刀和环刀，以确保正确求得土的密度。而对于扰动土应用四分法取代表性土样，尤其注意对于呈流塑状的土样取土过程中应避免把土样外的水分带到土样中，从而影响土样的天然含水率。
2 土的力学试验中存在的主要问题
2．1 固结试验
土的固结试验的目的是，通过测量各级垂直荷载下土体的变形来测定土的压缩特性，可用于判定土的压缩性和天然土层的固结状态，从而计算地基的沉降量。为准确提供这些压缩指标，首先要规范野外的取样、保存和运输工作，在试验过程中试验使用的固结仪要定期进行维护与校正，如采用电子采集模式对链接固结仪的传感器要定期标定，防止出现较大误差。试验人员应严格按照国家规范操作，消除各种不利因素的影响。
2．2 剪切试验
土的抗剪强度试验是测定土体在外力作用下抵抗剪切破坏的极限能力。土的抗剪强度是土的重要力学性质之一，用于计算地基承载力、评价地基、基坑稳定性。因此，正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。抗剪强度的试验方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压试验。
2.2.1三轴压缩试验
对于三轴压缩试验来讲试验过程对土的质量有一定要求，例如松散土或粘性较低的土在土样的切削过程中可能会因为土质本身的粘性较低不能切削成符合规格的试样导致试验无法进行，或在切削中导致试样中间断裂，不能进行试验或导致试验结果错误，甚至C值为负值等结果。
2.2.2直接剪切试验
直接剪切试验虽然受仪器结构的限制，存在不少缺点，但由于直接剪切试验在生产实践中积累了大量的经验，在一般工程中还是在广泛的应用因此对直接剪切试验提出以下几点建议：
直接剪切试验受力条件复杂(如发生剪切位移时法向加荷由最初的轴心受压变为偏心受压，剪切破坏面人为限制)，排水条件不易控制，按SL237—1999土工试验规程，直接剪切试验适用于测定细粒土的抗剪强度参数和土粒径小于2mm的砂土的抗剪强度参数值，而渗透系数k大于10 em／s的土不宜做快剪试验。在室内对粉土及粉质粘土做直接剪切试验时，发现四级荷载下很少存在峰值强度，绝大部分需剪切至位移6mm处，剪切强度指标回归性差，剪切强度指标仅能作为参考。虽然直接剪切试验方便简单，但其对粉土、粉质粘土及较软弱的土的抗剪强度指标可信度不足。因此，对粉土、粉质粘土及较软弱的土用直接剪切试验时，应注意要明确加荷条件，控制剪切的速度，对土质松软的土样，要分次施加垂直压力，以防土样被挤出。在整理资料时，要用最／ix-"乘法或作图法求出抗剪强度参数。土的固结试验成果和抗剪强度之间也有着一定的关系。一般情况下，土的压缩性越高，压缩模量越低，而它的快剪强度则越小。利用这种关系可以直接判断压缩结果和抗剪结果是否准确。如要求做固结快剪，这种结果可能就不成立，需按实际测出的强度情况判断。
3 提高土工试验成果的措施与方法
3．1 建立健全各项土工试验规章制度，规范各项试验的基本操作过程。对试验仪器进行定期保养和检修，并定期检查，对报废的不符合标准的仪器应及时更新。
3．2 提高试验人员的素质。要经常组织试验人员学习试验规范及操作规程，经常与其他试验单位进行交流、学习，以提高试验人员的技术业务水平。聘请较高文化及业务水平、专业实践经验丰富的技术人员对试验人员进行培训，指导试验工作，并进行技术把关，帮助解决工作中的各种问题，审核试验成果报告。
3.3 对试验结果进行相互分析比对，相互验证结果的准确性，可以发现试验是否准确，是否存在矛盾的试验结果。在自检的过程中发现问题，总结经验，从而掌握某一地区土质的物理性质与力学性质为以后试验积累经验。
■
关键词：室内土工实验问题措施
中图分类号：TU74文献标识码：A
土是地壳表层的岩石经风化后产生的松散堆积物，它具有三个特性：(1)土是松散性材料，不是连续的固体；(2)土是三相体，是由土颗粒、土中水和土中气所组成的三相体系；(3)土是自然地质历史产物，非人工制造产物。由于土是自然地质历史产物，各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例不尽相同，而且土粒与其周围的水分又发生了复杂的物理化学作用，因此，造成了土的物理性质的复杂性；土的物理性质又在一定程度上决定了它的力学性质，不同地区的土，又有不同的变化。土的物理性质、力学性质，相对于其它材料来说，是比较复杂的，如土的应力-应变关系是非线性的，土的变形在卸荷后一般不能完全恢复，土的强度也不是一成不变的，土对扰动还特别敏感等等。那么，通过室内实验测出土的性质，就存在一个是否准确的问题。如何确定数据的准确性，以及各个指标存在哪些必然的联系，对于从事土工实验的人员有很大的指导意义。室内土工试验的内容大致可归为物理指标和力学指标两大类。物理指标中又含有天然含水率，界限含水率，比重，密度。而力学指标主要是压缩系数，压缩模量及抗剪强度指标。在这些指标中由于土的土层自身的不均匀性，以及取样、保存和运输过程中对原状土的扰动，实验仪器、操作方法以及试验人员的经验差异，使得室内土工试验中测试的结果出现一些异常现象。因此，要对异常的试验数据进行仔细分析和提出具体的处理方法，为工程勘察和设计提供可靠的、接近实际的土的各种物理力学指标。下面将介绍室内土工试验中的几点问题及处理意见：
1 土的物性试验中存在的主要问题
1．1 土的比重、含水率和密度试验
1.1.1在土的物理试验中，含水量、天然密度及比重是三个基本的物性指标，用这三个指标可以换算土的干密度、空隙比、孔隙率、饱和度等指标。这三个指标的正确与否，不仅影响其他的物理指标，而且还影响土的一系列力学指标。因此，准确测定这三项指标，有着重要的意义。在这三个基本指标中，比重是一个相对稳定的值，它决定于土的矿物成分，一般砂土为2．69，粉土2．70～2．71，粉质粘土为2．72～2．73，粘土为2．74～2．76。同一地区同一类型的比重基本相同。值得注意的是，当土中含有有机质时，土的比重可降到2．4以下，此时应改用中性液体测定。如煤油、汽油甲苯和二甲苯，并采用抽气法排气。
1.1.2含水率分为天然含水率和界限含水率。首先天然含水率是最不稳定的，不同的土有不同的含水率，而且由于各种因素，如土层的不均匀，取样不标准，野外取土不规范，取土不及时，土样在运输和存放期间保护不当等等，都会影响成果的准确度。所以在野外，试验人员取土、保存及运输要规范化，土样要有代表性及均匀性，取土样要及时，避免水分损失，依据试验规程应取两个以上的试样进行平行试验，去除离散值较大的值后取平均值。
界限含水率包括液限和塑限。液限、塑限分别是细粒土处于可塑状态的上限和下限含水量。土的液限与塑限对于工程来说有着比较重要的实用意义。用它可计算塑性指数和液性指数，评价细粒土地基的容许承载力，并可按塑性指数或塑性图进行土质分类。土的塑性指数高，表示土中的胶体粘粒含量大，同时也表示粘土中可能含有蒙脱石或其它高活性的胶体粘粒较多。因此，界限含水量，尤其是液限，能较好的反映出土的某些物理力学特性，如压缩性、胀缩性等。而当前对土的液限、塑限的测定，存在不少问题。其一，液限标准的确定，还处在过渡时期，即圆锥下沉10 mm和17 mm处为液限含水量，势必使人们对土的名称和状态产生不同程度的误解，特别是非专业人员，很难搞明白，为什么原来是一种土，而现在又是另一种土，原来处在一种状态而现在又处在另外一种状态。其二，大多数实验人员，只受过几个月的培训，因此，它们对于土的状态的确定并不是很明确，比如，国标上把粘性土的状态按液性指数的大小分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑，而一旦测出土的状态为坚硬或流塑，就会产生怀疑，所测土并不像想象中那么坚硬或流塑。其实，规范中对土的状态的确定，只是在一定标准下，给土的状态定名而已，并不是人们想象中的坚硬就应该像石头一样，流塑就像水流动似的。其三，对于塑性指数小于10的土，以前叫做轻亚粘土，而新规范称粉土。这种土的存在是否会产生液化的问题，因此，要根据工程要求，进行相关的粘粒（小于0.005 mm颗粒含量）的测定。其四，测定土的液、塑限时取标准样的问题，规范上大多规定土要过0.5 mm的筛，才能进行实验。在实际操作中，有一些土用眼睛观察含有较多砂粒，一旦过0.5 mm篩后做实验，测出的土塑性指数可能很大，不能反映土的实际情况。因此，对于这种土最好能采用筛分法确定砂粒含量，如果砂粒含量已达到确定该土为砂土的标准，那么就不必再做液、塑限试验，反之则可进行相应的液、塑限试验确定土的名称。实际上，有些土是处在杂土状态，无法确定名称，这种情况下，可以根据工程需要，做相应的处理。比如，以土中粘粒为主做试验或以砂粒为主做试验，目的就是反映土的真实情况，为工程建设服务。
1.1.3土的密度取决于土粒的重量、孔隙体积的大小、孔隙中水的重量，其综合反映了土的物理组成和结构特征。该项试验较简单，一般在取样后立刻进行。需要注意的是，开土取样时要用取土刀，将土样取入环刀后，要用专门的刮土刀整平切土刀刮平，这是一种极其错误的操作方法。因为经常这样，切土刀刃口经长期使用会磨损呈凹形，会使测得的密度偏大、孔隙比偏小、饱和度偏大等。因此，试验人员一定要按规范操作，要使用符合质量要求的切土刀和环刀，以确保正确求得土的密度。而对于扰动土应用四分法取代表性土样，尤其注意对于呈流塑状的土样取土过程中应避免把土样外的水分带到土样中，从而影响土样的天然含水率。
2 土的力学试验中存在的主要问题
2．1 固结试验
土的固结试验的目的是，通过测量各级垂直荷载下土体的变形来测定土的压缩特性，可用于判定土的压缩性和天然土层的固结状态，从而计算地基的沉降量。为准确提供这些压缩指标，首先要规范野外的取样、保存和运输工作，在试验过程中试验使用的固结仪要定期进行维护与校正，如采用电子采集模式对链接固结仪的传感器要定期标定，防止出现较大误差。试验人员应严格按照国家规范操作，消除各种不利因素的影响。
2．2 剪切试验
土的抗剪强度试验是测定土体在外力作用下抵抗剪切破坏的极限能力。土的抗剪强度是土的重要力学性质之一，用于计算地基承载力、评价地基、基坑稳定性。因此，正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。抗剪强度的试验方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压试验。
2.2.1三轴压缩试验
对于三轴压缩试验来讲试验过程对土的质量有一定要求，例如松散土或粘性较低的土在土样的切削过程中可能会因为土质本身的粘性较低不能切削成符合规格的试样导致试验无法进行，或在切削中导致试样中间断裂，不能进行试验或导致试验结果错误，甚至C值为负值等结果。
2.2.2直接剪切试验
直接剪切试验虽然受仪器结构的限制，存在不少缺点，但由于直接剪切试验在生产实践中积累了大量的经验，在一般工程中还是在广泛的应用因此对直接剪切试验提出以下几点建议：
直接剪切试验受力条件复杂(如发生剪切位移时法向加荷由最初的轴心受压变为偏心受压，剪切破坏面人为限制)，排水条件不易控制，按SL237—1999土工试验规程，直接剪切试验适用于测定细粒土的抗剪强度参数和土粒径小于2mm的砂土的抗剪强度参数值，而渗透系数k大于10 em／s的土不宜做快剪试验。在室内对粉土及粉质粘土做直接剪切试验时，发现四级荷载下很少存在峰值强度，绝大部分需剪切至位移6mm处，剪切强度指标回归性差，剪切强度指标仅能作为参考。虽然直接剪切试验方便简单，但其对粉土、粉质粘土及较软弱的土的抗剪强度指标可信度不足。因此，对粉土、粉质粘土及较软弱的土用直接剪切试验时，应注意要明确加荷条件，控制剪切的速度，对土质松软的土样，要分次施加垂直压力，以防土样被挤出。在整理资料时，要用最／ix-"乘法或作图法求出抗剪强度参数。土的固结试验成果和抗剪强度之间也有着一定的关系。一般情况下，土的压缩性越高，压缩模量越低，而它的快剪强度则越小。利用这种关系可以直接判断压缩结果和抗剪结果是否准确。如要求做固结快剪，这种结果可能就不成立，需按实际测出的强度情况判断。
3 提高土工试验成果的措施与方法
3．1 建立健全各项土工试验规章制度，规范各项试验的基本操作过程。对试验仪器进行定期保养和检修，并定期检查，对报废的不符合标准的仪器应及时更新。
3．2 提高试验人员的素质。要经常组织试验人员学习试验规范及操作规程，经常与其他试验单位进行交流、学习，以提高试验人员的技术业务水平。聘请较高文化及业务水平、专业实践经验丰富的技术人员对试验人员进行培训，指导试验工作，并进行技术把关，帮助解决工作中的各种问题，审核试验成果报告。
3.3 对试验结果进行相互分析比对，相互验证结果的准确性，可以发现试验是否准确，是否存在矛盾的试验结果。在自检的过程中发现问题，总结经验，从而掌握某一地区土质的物理性质与力学性质为以后试验积累经验。
■