提高土工试验成果准确性的研究与探讨

曹辉亮

摘要:分析土工试验成果在工程地质勘察中的重要意义,寻找从野外取样到室内试验各环节中影响试验最终成果准确性的原因,并提出预防措施,从而为建筑工程设计提供准确、可信的土工试验成果报告。

关键词:野外取样 土工试验 综合分析

0 引言

室内土工试验的过程,就是试验人员按规范现程、试验委托要求,使用仪器设备对土样进行测试,以得到土体的物理、力学性质指标的一组有序的活动。其最终试验成果以供工程设计和计算时使用,是岩土工程勘察的重要工作内容。而在实际情况下,土工试验数据往往受土样自身的不均匀性,取样、运输过程中的扰动,测试人员水平、测试环境、仪器设备精度、采用的方法手段等因素的影响,使土试样的测试结果与土体实际性状之间存在不同程度的差别,且这种差别很难完全通过数据分析来准确检验,其可能的问题有时在后续的施工中才能暴露。因此,分析影响土工试验成果准确性的原因及寻找预防措施有着十分重要的意义。

1 野外取样

1.1 野外钻探取样环节 影响取样质量的因素很多,除取土器结构和取土方法等因素外,钻孔的垂直度、取土时孔底的清洁程度、取样器切入土层的速度等都会影响取样质量。

钻孔倾斜会使土样受挤压扰动。由于倾斜孔取出的土样也是倾斜的,所测试的指标用于计算会产生误差,所以取样时要保持钻孔垂直。如取样时,孔内没清除残余土会造成土样受挤压扰动,并误作原状样取土,这样试验得出的压缩系数a增大,压缩模量Es变小等,得出的结果无法应用。规范要求到达取样深度前1m时,宜采用回转钻进,并清孔。如取土器切入土层的速度较慢,土样的侧向膨胀也会使土样与取土器内摩擦而产生扰动,提高取土器进入土层的速度是获得良好土样,保证采取原状土样质量的关键。另外,规程要求取样采用重锤少击法,并且严格控制取土进尺深度与取样器内取土段相一致,锤击次数过多,取样器里的土样会受力变硬,试验结果会出现a变小,Es变大,孔隙比e0变小等。

1.2 土样的保管与运输 野外取的土样因为诸多因素不能立即送到试验室做试验,这样就必须放在野外好好保管,保存处的温度与湿度要适当,避免风吹、日晒、防冻,要将样盒封严。野外存放天数不宜超过3周,运送途中尽量轻拿轻放,防震,以免土样开裂。存放时间过长,土样变硬,含水率w变小,所确定的承载力比原来要大。土样开裂、振动,就成了扰动样,无法反映土的真实性。

2 室内土工试验

土工试验的主要依据是国家标准GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》,还有国家水利部的SL237-1999《土工试验规程》以及交通部的JTG E40-2007《公路土工试验规程》。作为土工测试人员,国家的标准或规程就是从业的技术规范和守则,是从事各项试验操作的根本依据。不按相关规定进行试验操作,试验成果的准确性将无从谈起,因此坚决杜绝违反国标或规程的操作。

2.1 试样的制备 室内土工试验第一步要做的工作就是土样的制备即开土,也是极为重要的一步。由于在国标及规程中对土样的制备有详细的规定,在此,笔者凭借自己多年工作中的经验和观察仅指出两个在开土过程中重点应予以考虑的环节。首先,打开一筒土样,应取整个土样最有代表性的部分,注意其均匀性,环刀应垂直下压。其次,在开土时除了描述土样的颜色、矿物成分、软硬程度、塑性状态、结构构造等之外,同时还应凭经验对土样的物理、力学指标值做一个估算,并做好记录,这有利于后期数据整理时进行对比和综合分析处理,得出更真实的试验数据,也有助于测试人员经验的积累。

2.2 土的物理试验

2.2.1 在土的物理试验中,比重、密度、含水率是三个最基本物性指标。用它们可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等指标。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。因此准确测定这三项指标有着重要的意义。其中,土的含水率是最不稳定的。所以对进行含水率试验的土样制备也应该选取具有代表性的土,采用四分法原则取高出各个环刀试块的土体15~30g,取土速度要快,及时装入两个铝盒内避免水分的流失,以准确测出这一指标。对于同一个土样来说,土的密度指标比较稳定和易于准确测定。

2.2.2 土的液限与塑限。在实际操作中,有的使用自动液、塑限联合测定仪,有的使用锥式液限仪,塑限用搓条法,这样就难免因为手法不一致,同一指标试验人不同,得出的结果就不尽相同。测定土的液、塑限时取标准样的问题,国标上规定土要过0.5mm的筛,才能进行试验。在实际操作中,有些土用肉眼可见较多砂粒、砾石,则最好能采用筛分法确定砂粒含量,如果砂粒含量已达到砂土的标准,就不必再做液、塑限试验,反之则做液、塑限试验来确定土的名称。

2.2.3 土的物理指标间是相互关联的。因此,在测得这些指标后,应对其进行综合分析,进而对这些指标的准确性进行判别。比如在有些成果中会出现饱和度Sr>100%的现象,这就说明在某些试验数据中,存在误差或者错误,需要根据开土记录进行调整,必要时要重做试验。有时处在坚硬状态的土,测试结果却出现液性指数IL>1,流塑状态,这时要对含水率、液、塑限的测试结果进行复核。通过物性指标间关系的统一分析,可使试验结果的准确度进一步提高。

2.3 土的力学试验 土的力学试验主要有固结试验和抗剪强度试验。其测定的力学性指标如粘聚力、内摩擦角、压缩模量和渗透系数等等,用于计算土体强度、变形、渗透及稳定性,是地基基础设计、深基坑边坡支护等设计中很重要的参数值,直接影响设计的可靠、合理及工程的安全和造价。

2.3.1 土的固结试验是测定土体在压力作用下产生变形的过程。首先要抓好土样的取样、验收和管理工作,注意观察试样是否扰动。在试验过程中,要严格按国标或规程进行操作,消除各种不利因素。一旦出现问题要及时解决。如果在开土记录中写到土质均匀,测出的含水率较低,液性指数IL<0.25的硬塑土,而测出的压缩系数却偏大,压缩模量偏小。这说明试验操作中有错误或误差,要及时查找原因,包括读数记录及仪器设备方面等原因。如果查不出原因,应通知野外技术人员进行补样。土工试验装置(固结仪、三轴剪力仪、天平、百分表、压力表等)要按检定周期进行检定或校准,并经检定或校准合格后予以使用;对土工试验的计算软件在初次使用前也应进行校验,必要时(计算数据发生异常时)再校验,以确认其满足预期用途的能力。

2.3.2 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,粘聚力c 和内摩擦角φ是土的抗剪强度指标。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。室内抗剪试验测出 c 值有时出现异常情况,如c为负值,主要原因在于取标准样时,同一个土样所取的四个试块的性质相差太大所致,故开样时尽量取同一种性质的土进行试验。另外,应减少土样在采取、运输、保管及安装仪器等各环节中的扰动。

2.3.3 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,而它的抗剪强度则越小。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。

3 结语

土工试验是为工程地质勘察提供有效地质参数的手段之一,其测试成果直接影响工程质量。成果报告是否可靠,除需对测试过程参数进行监控外,还需通过数据分析和整理的方法对测试结果加以检验,即根据误差分析或概率的概念,按三倍标准差作为试验数据的舍弃标准,然后重新计算整理。另外,检测人员定期有针对性地进行培训,并经专业知识考试和操作技能考核,持证上岗,也是控制土工试验成果质量不可忽略的一环节。

所以,加强测试人员的职业道德教育,提高专业技术水平,对所测结果综合分析,发现问题及时查找原因,及时采取补救措施,最终提交合理准确的土工试验报告,是我们每个测试工作者必须做到的。

参考文献:

[1]GB/T 50123-1999.土工试验方法标准[S].

[2]GB/T 15406-94.土工仪器的基本参数及通用技术条件[S].

[3]GB/T 50021-2001.岩土工程勘察规范[S].

[4]JGJ 87—1992.建筑工程地质钻探技术标准[S].