土的物理力学与工程特性指标分析

潘天有

(1.福建东辰综合勘察院,福建 三明 365500;2.三明市建筑工程施工图设计文件审查中心,福建 三明 365001)

自然界的土是地壳表层岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒,经过不同的搬运方式,在各种自然环境中生成的沉(堆)积物,风化成土的岩石称为母岩,母岩成分、风化性质、搬运过程和堆积的环境是决定土的组成的主要因素,而土的组成又是决定其工程性质的物质基础。土具有“非均质性、多相性、历史性”的特点:(1)土是散性材料,不是连续的固体,具有非均质性;(2)土的物质组成包括作为土骨架的固态矿物颗粒(固相)、孔隙中的水及其溶解物(液相)以及所含气体(气相),是由颗粒、水和气体所组成的多相体系;(3)土是自然地质的历史产物,具有不同于其它建筑材料的特征。一般建筑材料由设计人员指定品种和型号,品种、型号一旦确定,力学性质参数也随之确定,而土则不同,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,土的三相间质量和体积比例不尽相同,土粒与其周围的水分发生了复杂的物理和化学作用,从而造成了土的物理指标复杂性,土的物理指标在一定程度上决定了它的力学指标,土的物理力学指标具体体现在土的工程特性指标上,相对于其它建筑材料来说,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,土的强度不是一成不变的,土对扰动特别敏感等[1-2]。

通过试验测出土的物理力学指标,分析研究各个指标间的联系和相关性、可靠性,从中找出一些共性的特征,进而分析其工程特性指标,对于推动岩土工程设计从安全度控制向概率控制和岩土工程可靠性研究具有一定的参考意义[1-3]。

1 土的物理指标分析

1.1 比重、密度、含水率

土的物理指标主要为含水率、相对密度(比重)、密度、干密度、孔隙比、孔隙率及饱和度,在土的试验中,土的比重、密度、含水率是三个最基本的试验指标,通过公式可换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等相关指标[4]。这三个基本指标的变化不仅影响其它相关指标,而且将使土的力学性质随之变化。在这三个基本指标中,比重数值是相对稳定的,它取决于土的矿物成分,其数值一般为2.60～2.80,泥炭为1.50～1.80,有机质土为2.40～2.50。同一地区同一类型土的比重基本相同,可按经验值选用;土的含水率则是三个指标中最不稳定的,不同的土含水率可能不一样,由于土层的不均匀、取样不标准、取土器和筒壁的挤压、土样在运输和存放期间保护不当等因素都会影响其结果的准确性。一般饱和软粘土的含水率可达40%,坚硬粘土含水率＜30%,饱和砂土可达40%,而干粗砂接近于零;土的密度虽然是一个变化的值,不同的土样密度值不同,但对于某一个土样来说,它的值较稳定和比较容易测准的[4]。天然含水率、天然密度一般随深度的增加而增大,土粒相对密度一般随塑性指数的增高而有相应增大的趋势,天然孔隙比、孔隙度随天然含水率的增大而增大,随天然密度的增大而减小。

1.2 液限、塑限

土按其颗粒组成分为粘粒、粉粒、砂粒、砾粒、卵石(碎石)粒、漂石(块石)粒[5],细粒土常用塑性指数和液性指数来表示评价其塑性和稠度,粗粒土常用不均匀系数和曲率系数来评价其级配状况。

土的界限含水率和土的机械组成、矿物成分、活动性、吸附水的表面电荷强度、颗粒的比表面积等有关,在工程中,土的液限、塑限、缩限有着比较重要的实用意义。一般颗粒越细,液限和塑限也越高,即液限、塑限随粘粒含量的增加而增大,塑限与液限之比大多在0.55～0.65之间,一般粘性土的液限在19%～38%之间,塑限在11%～25%之间;粘土的液限在40%～65%之间,塑限在23%～35%之间。土的塑性指数高,表示土中的胶体粘粒含量大,即表示该土中可能含有蒙脱石或其它高活性的胶体粘粒较多。液性指数取决于含水率的大小,含水率越高,液性指数相应越大。因此,界限含水率(液限、塑限、缩限),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。但目前对土的液限、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,即不同的规范标准对圆锥的锤重和圆锥入土深度不统一[6-8];其二,试验人员对于土的状态的确定并不是很明确,如,规范中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[5],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;其三,测定土的液、塑限时所取标准样的问题,规程上大多规定土要过0.5mm的筛后才能进行试验[5]。在实际操作中,某些土用眼睛观察含有较多砂粒,一旦过0.5mm筛后再做实验,测得土的塑性指数可能很大,与土的实际情况不符,如花岗岩残积砂质(砾质)粘性土等。这种情况下可根据工程需要作相应的处理,如以粘粒为主做试验或砂粒为主做试验,以反映土的真实情况。

1.3 土的物理指标的对比分析

土的物理指标间是相互关联的,可将这些指标进行综合的分析,对这些指标的准确性进行判别[9-12]。如在有些成果中会出现饱和度超过100%的现象,这就说明,含水率及密度测定存在误差或者错误,就需要根据实际情况进行调整或重做实验;再如本来在开土时发现土是处在硬塑状态,而结果却是土处在流塑状态,这种情况,一则说明含水率测定有问题;二则可能液限、塑限结果存在误差,大多数情况下是天然含水率测不准造成的(在地下水矿化度比较高的地区易发生这种情况)。通过对物理指标的对比分析,可保证试验指标的准确性,提高试验成果的精度。

2 土的力学指标分析

2.1 压缩系数、压缩模量

压缩系数、压缩模量是固结试验的压缩性指标,固结试验是土体在侧向不能膨胀的条件下,在荷载作用下土的孔隙体积的减少、孔隙水的排出从而导致土的体积缩小。压缩系数用于评价土的压缩性,压缩模量用于计算地基的沉降,是常用的土工指标。如在地基基础设计中,除了强度控制外,常需进行变形控制,即控制建筑物的沉降量或其他各部的沉降差在某一允许范围之内,以满足使用上的要求及建筑物的安全条件[13]。除一些特殊工程要在现场做测试外,大多数试验在室内进行的。影响成果准确度的因素很多,有些原因是比较容易找到的,如在试验过程中感到土是较软的,而测出的压缩系数小,这说明实验操作或记录有误。另具体应用时应该力求试验条件与土的天然状态及其在外荷作用下的实际应力条件相适应。

2.2 粘聚力、内摩擦角

粘聚力、内摩擦角属抗剪强度指标,抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力,是土的重要力学性质之一,在计算承载力、评价地基稳定性、计算挡土墙土的压力时,均涉及到土的抗剪强度指标[13],因此正确地测定土的抗剪指标在工程上具有重要意义[14-16]。抗剪指标的试验方法有多种,在室内常用的有直接剪切试验、三轴剪切试验(分不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪)和无侧限抗压强度试验,在现场原位测试的有十字板剪切试验、大型直接剪切试验等[4]。对比而言,室内试验成果的规律性要比现场原位测试好,但有时室内试验的结果与理论上的数据存在很大的差距。如,无粘性土(砂土)的C值应为0,而在大多数试验中,测出的值不一定为0,主要因为所测出的抗剪强度指标中,C值不完全代表土的粘聚力,φ值也不完全代表内摩擦角,而是两者互相包含,都代表土的抗剪强度一部分。有些直接剪切试验结果中,会出现C为负值的现象,是取样时所取试样的性质相差太大所致。砂土的抗剪强度与矿物成分、颗粒形状及粒度成分有关,也与密度和湿度有关,砂的抗剪强度随密度的加大而增加,湿度对砂粒的内摩擦角的影响并不明显,砂在水下的内摩擦角比干砂低1°～2°左右。粘性土随含水率的增高,粘聚力、内摩擦角均相应降低;粘粒含量增高,粘聚力相应增大,内摩擦角相应降低。

2.3 土的压缩指标与抗剪指标之间的对比分析

土的压缩指标与抗剪指标有着一定的互相关性。一般情况下,土的压缩性越高,压缩模量越低,而抗剪强度则越小;土的压缩性越低,压缩模量越高,而抗剪强度则越大。土的物理指标和力学指标是密切相关的[9-12],如,粘性土的压缩系数、压缩模量与孔隙比存有一定经验关系[(a1～2=0.384 e2.7)[1]、(Es=37.7e-1.5620 )[17]],一般情况下,土的物理指标基本上能反映决定其力学指标,如,土的含水量大、孔隙比大,则压缩性高、抗剪强度低,反之亦然。

3 土的工程特性指标分析

3.1 工程特性指标概述

土的工程特性指标包括强度指标、压缩性指标及其他特性指标(如,静力触探探头阻力、标准贯入试验锤击数、载荷试验承载力等)。在岩土工程中,常采用土的工程特性指标代表值作为设计参数或评定土的性状,其代表值可取标准值、平均值及特征值(标准值一般按单侧置信率95%近似修正所得;平均值为数据分布的平均趋势;特征值可以是统计得出,也可以是传统经验值或某一物理量限定的值)。抗剪强度指标应取标准值,压缩性指标应取平均值,载荷试验承载力应取特征值[13]。此外,评价土的性状用的各种物理性指标应取平均值,触探试验、标准贯入试验等用以评价承载力的指标可取标准值。

地基承载力不宜称为土的工程特性指标,因为地基承载力的取值,不仅与土的工程特性有关,还与基础的埋置深度、基础的形状和尺寸、基础和上部结构的刚度、荷载的性质和分布、结构对地基变形的敏感性等因素有关,地基承载力实质上是一个设计问题。用土的抗剪强度指标计算而得的地基承载力特征值,经过深宽修正的地基承载力特征值,都不是土的工程特性指标。用载荷试验方法确定的地基承载力特征值是在特定试验条件下进行的,与工程结构无关,故可认定为土的工程特性指标,利用触探试验、标准贯入试验成果等与载荷试验成果进行回归分析所得的地基承载力特征值,也可认为是土的工程特性指标。

由于土的非均质性、高变异性和实测过程操作的误差,任何工程特性指标的试验成果,都具有一定的离散性,为随机变量,通常采用数理统计方法进行数据处理分析[9-12]。

3.2 工程特性指标的测试方法分析

土的工程特性指标,无论强度指标还是变形指标,都有多种测试方法。不同的测试方法所得到的成果数据是不同的,即工程特性指标与其测试方法有非常密切的联系,正确选择测试方法是非常重要的。下面以变形指标为例进行分析,强度指标与其相似。

室内试验中常规的侧限压缩试验,得到不同应力段的压缩模量和压缩系数;高压固结试验,得到压缩指数、回弹指数,先期固结压力;三轴压缩试验,可根据数学模型要求,测定土的本构关系所需的各种参数。原位测试中,有旁压试验测定的旁压模量,载荷试验测定的变形模量等。由于试验原理不同,试验条件不同,所得结果也各不相同[4,18]。

在实际工作中,试验方法选择上应注意如下几点:

3.2.1 对试验原理深入理解

只有深入理解了试验原理,才能恰当地应用试验成果。室内压缩试验是在侧限条件下进行的,符合一维固结理论,由于试验条件不能产生侧向应变,所测出的压缩模量随压力的增大而增大,压缩系数随压力的增大而减小,这个规律与工程实际不相符。载荷试验测定土的变形模量的理论基础是半无限弹性体表面(或内部)受压的弹性理论解,与室内压缩试验不同,即使在直线变形段,既有竖向变形,又有侧向膨胀,过了直线变形段,则包含了土的塑性变形,不符合弹性理论,无法计算变形模量。旁压试验,则土体的受力条件是轴对称条件下的应力—应变问题,荷载作用方向为水平的,而建筑物荷载通常是竖向的,两者是有区别的。

3.2.2 注意取样和测试技术的可行性

土的工程特性指标中各种测试方法,尤其是原位测试都有一定的适用范围,如表1[3]。

表1 各测试方法与适用岩土层

取样和测试技术时应考虑其限制。如,砂土、碎石土、破碎和极破碎岩石不易取到原状土样,无法在试验室内进行各种力学试验;在容易缩孔的软土中进行预钻式旁压试验,得不到理想的结果;在地下水位以下的土层中进行浅层载荷试验,需要降低地下水位,再恢复水位使土饱和,操作繁琐,技术复杂,易使土体扰动,效果不好。

3.2.3 注重试验条件与实际工程条件的一致性

实际应用时要注重试验条件与实际工程条件一致性,如,由于有效应力法原理在工程应用中有一定困难,故绝大多数工程仍用总应力法。总应力法土的抗剪强度有三套试验指标(UU、CU、CD),同一种土,三套指标在数值上有很大差别,导致应用后所计算的结果将产生显著的变化[16,18-19]。具体用哪一种方法哪一套指标,选择的原则就是确保试验条件与实际工程条件的一致性,要尽可能一致或基本一致。如,对于可能发生快速破坏的正常固结的基坑或软土地基或路堤土体等均认为应用快剪试验指标或不固结不排水剪试验进行整体稳定验算控制;对于渗透性较低的深厚软土而施工速度又较快的工程的施工期和竣工期的稳定验算宜采用不固结不排水剪试验指标,分级加载施工期的稳定验算或土层较薄、渗透性较大和施工速度较慢等的工程的竣工和使用期的验算等一般都可采用固结不排水剪试验指标[17]。为了保证工程的安全,可更多地考虑不利条件,如,加载较快的工程,地基土中的孔隙水会有排出,但达不到固结排水,可选用不固结不排水剪,尤其在厚层软土中。

3.3 工程特性指标的综合分析

岩土的工程特性指标是岩土设计计算的基础,具有极其重要性。工程经验表明,岩土计算与实际结果的符合程度,主要决定于计算模式、计算参数和安全度三大因素,其中最关键、最不易把握的是计算参数。这一特点与结构设计计算有十分显著的差别。岩土工程特性参数的不易把握有如下原因:

(1)岩土工程勘察不可能完全查明岩土的空间分布特征,存有地下水位的变动、土的含水量变化等不确定因素;

(2)土的工程特性指标是离散的,有岩土空间位置差异自然形成的离散,也有取样测试过程中人为操作造成的随机性离散;

(3)有些测试方法在理论上似乎是完备的,如,三轴剪切试验、固结试验,但由于取样测试技术上的原因,测试结果与实际情况可能有很大出入。测试参数取值标准存有不确定性,有的取峰值,有的取残余值。有些测试方法只有统计关系,如静力触探、动力触探、标准贯入试验,成果指标与计算参数之间没有理论关系,经验是否充分成了关键。

因此,在进行岩土设计时,决不能盲目相信计算,应注意理论与实践相结合,计算分析与工程经验相结合,要注重对岩土工程指标的综合分析,慎重选用计算参数。在进行综合分析评价时,可用多种方法测试,互相对比印证;借鉴类似工程的经验;利用原型工程实测数据反演岩土参数。

4 结 论

由于岩土材料的独特性,在结合岩土工程实践工作和参考相关文献资料的基础上,对土的物理力学指标和工程特性指标分析认为,土的物理、力学和工程特性指标间存在联系和相关性,在具体应用时应注重工程实际条件与试验原理条件保持一致性,可应用多种测试方法和手段进行综合分析评价。

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