土工试验技术在工程地质勘查中的应用

李 星

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

1 引 言

工程地质勘查作为工程设计和施工规划的重要前提，其重要性不言而喻[1]。土工试验是工程地质勘查中的一个关键环节，因此必须严格规范试验操作，分析试验方法，才能提升土工试验的质量，进而将室内土工试验和野外勘测有机结合起来，准确完成土样的分析与评价，为工程建设单位提供可信的试验数据。

目前，土工试验依然是国内进行地质勘查获取地质土样参数的重要手段之一，应根据国家标准《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)、《岩土工程勘察规范(2009年版)》(GB 50021-2001)及相关试验技术要求[1-3]进行。土工试验在大量工程实践中广泛应用，为煤矿、建筑、路基、水利等设计施工提供了重要的数据参数。

由于自然界中土层本身的不均匀性，加上外界不确定因素干扰，会使得土工试验中的数据结果存在各种问题[4]。因此，综合考虑土工试验中的各种影响因素，对于最终的数据结果具有重要意义。鉴于此，本文通过总结梳理土工试验的主要内容、仪器设备和试验方法等，并将其应用到某露天煤矿边坡地质勘查工程中，为该工程地质勘查提供了参数依据。

2 土工试验技术

土工试验技术的本质就是通过测定土的物理和力学性质，为工程勘查和设计提供准确可信的计算数据。土工试验技术从试验内容上看，包含土的物理性质试验、土的力学性质试验和土的化学性质试验，其中以前两类试验技术为主，而且往往需要综合分析[5，6]。

2.1 试验内容

土属于自然地质产物，不同类型土的颗粒大小和矿物组成差异很大，三相间的数量比例也不尽相同，加上其与周围水分之间复杂的物理化学作用，使得土的物理性质具有复杂性，这又导致其力学性质变得复杂。因此，为了保证室内土工试验结果的准确性，需要针对土工试验内容，综合分析土工试验结果，这对于专业的土工试验人员具有重要的意义[5]。在土工试验过程中，主要的常规试验内容包括物理性质试验和力学性质试验。

(1)物理性质试验

含水率、密度和比重试验：密度试验采用环刀法，含水率试验采用烘干法，比重试验采用比重瓶法。另外，土的比重、密度、含水量可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等指标。

液限与塑限试验：通常采用液、塑限联合测定法，利用液、塑限联合测定仪，根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水量在双对数坐标上具有线性关系这一特性来进行，用以计算塑性指数和液性指数，是估算地基土承载力的一个重要依据。

颗粒分析试验：测定土样各粒径的颗粒组成百分比、不均匀系数、曲率系数，采用分析筛和振筛机，通过筛析法进行试验。

(2)力学性质试验

固结试验：测定天然状态土样的压缩系数、压缩模量，采用固结仪，按加荷方式及加荷时间的不同，分为标准固结试验、快速固结试验和应变控制连续加荷固结试验。

抗剪强度试验：测定土在外力作用下在剪切面单位面积上所能承受的最大剪应力。按照试验仪器分为直接剪切试验和三轴剪切试验，分别采用应变控制式直剪仪及应变控制式三轴仪进行试验。

2.2 试验技术相关理论方法

土工试验中，每一项试验指标的获取都是基于专业技术理论和试验操作方法的紧密结合。限于篇幅原因，在此只介绍常用的压缩性能和抗剪强度指标的技术理论。

2.2.1 压缩性能

土的压缩性能，一般通过压缩系数和压缩模量进行表征。压缩系数表示土在单位压力作用下孔隙比的变化，通常用压缩系数表示土的压缩性能，采用土的e-p曲线中的某一压力区段的割线斜率表示压缩系数，可通过式(1)计算：

(1)

其中，av为土的压缩系数(MPa-1),1000为单位换算系数；Pi为某级压力值(kPa)，ei为相对应Pi的孔隙比。一般而言，压缩系数越大，土的压缩性越大。土的压缩系数不是常数，会随着压力Pi的变化而变化。

此外，工程上常用室内试验求压缩模量，可通过公式(2)计算：

(2)

其中，Es为土的压缩模量(MPa)，e0为天然孔隙比，av为土的压缩系数(MPa-1)。由此可知，压缩模量与压缩系数成反比变化，压缩模量越大，土的压缩系数小；反之，压缩模量越小，土的压缩系数越大。

2.2.2 抗剪强度

土的抗剪强度是土的重要力学性质，表示土在外力作用下在剪切面单位面积上所能承受的最大剪应力，由土的颗粒间的内摩擦力及由胶结物与水膜的分子引力产生的黏聚力共同组成。其中，摩擦力内角和黏聚力是土抗剪强度试验的两个重要指标。抗剪强度可基于摩尔-库伦强度理论，采用公式(3)计算：

τ=c+σtanφ

(3)

其中，φ为内摩擦角(°)，c为土的黏聚力(kPa)，无黏性土时c=0；σ为破坏面上的有效法向应力(kPa)。

3 工程应用

随着国内露天矿开采的规模与深度愈来愈大，边坡失稳或潜在失稳问题越来越严重，露天矿滑坡问题尤为突出。因此，需要在施工前期对其边坡地质进行勘查，通过土工试验为其提供评价依据。以下按照土工试验内容及方法规范，针对白石湖露天煤矿边坡工程地质勘查与稳定性评价项目的砂样进行土工试验。

3.1 露天矿边坡概况

白石湖露天煤矿位于阿尔泰地槽褶皱带诺末褶皱东南缘，伊吾县的淖毛湖煤田西段，矿区总体为一南倾的单斜构造(倾角为6°～25°)。矿区属强烈的风蚀残丘地貌，地势呈南北高、中部低、西高东低的总体态势。

3.2 试验内容

白石湖露天煤矿边坡土样皆为砂土，数量为5组，试样皆为重塑样。根据项目要求，主要进行砂样的含水率、密度和比重试验，砂样的颗粒分析试验，砂样的压缩试验，砂样的直接剪切试验和砂样的三轴剪切试验。

3.3 试验依据规范

所有砂样的物理性质试验和力学性质试验的操作均按GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》进行。

3.4 试验方法及结果

3.4.1 砂样的含水率、密度和比重试验

密度试验采用环刀法，含水率试验采用烘干法，比重试验采用比重瓶法。测定出原状砂样的湿密度、含水率及比重值，推算出土的干密度、孔隙比和饱和度。试验结果见表1。

表1 砂样的含水率、密度和比重试验结果

由于土的物理性质指标间相互关联，因此可综合分析判别这些指标的准确性。如饱和度超过100%，说明原始3个指标的测定有问题。一般情况下，问题出在含水率和密度的测定上。因此，需要对这两个指标进一步确定，确保这两项指标试验值的准确，从而提高其它指标的准确度[7]。

3.4.2 砂样的颗粒分析试验

颗粒分析试验采用筛析法。标准筛的孔径为2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。根据各级筛上及底盘内试样的质量，计算出小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比，绘制颗粒大小分布曲线，进而测定出砂样的颗粒大小组成百分比、不均匀系数、曲率系数及平均粒径，见表2。依据颗粒大小组成百分比对砂样进行分类定名，土样均为中砂类。

表2 砂样颗粒分析试验结果

3.4.3 砂样的压缩试验

压缩试验仪器为全自动固结仪。试样的面积为50cm2，高度为2cm。该试验中采用压样法制备试样，按6%含水率及干密度计算出试样所需砂土质量，用特制的压样模一次压制成型，再用风干法使试样的含水率降低到天然含水率。压缩试验的加压等级为50kPa、100kPa、200kPa，并以试样变形每小时变化不大于0.005mm作为压缩稳定标准。

根据砂样的压缩曲线(如图1所示)和前述的计算理论，可得出砂样的压缩系数和压缩模量。在式(1)中，工程上一般采用压力由Pi=100kPa增加到Pi+1=200kPa时所得的压缩系数a1-2来判定土的压缩性：

(1)当a1-2<0.1MPa-1时，为低压缩性土；

(2)当0.1MPa-1

(3)当a1-2>0.5MPa-1时，为高压缩性土。

同理，利用式(2)，可以得出对应的压缩模量Es1-2，具体结果见表3，可以判断该砂样属于中压缩性土。

图1 砂样的压缩曲线

3.4.4 砂样的直接剪切抗剪强度试验

直接剪切试验仪器为应变控制式直接剪切仪。试样的面积为30cm2，高度为2cm，每组4个试样。为了便于制样，按6%天然含水率及干密度计算试样所需砂土质量，用特制的压样模一次压制成型，再用风干法使试样的含水率降低到天然含水率。施加的垂直压力为100kPa、 200kPa、300kPa和400kPa。进行快剪试验时，将制备好的试样装入直接剪切仪，施加垂直压力，拔去固定插销，立即以0.8mm/min的速率进行剪切试验。

如果砂样的剪应力与剪切位移关系曲线有峰值点，则以峰值点作为破坏点；如果无峰值点，取剪切位移等于4mm对应的剪应力为破坏点。按此破坏标准，确定砂样在不同试验条件(垂直压力)下的抗剪强度值。如图2所示，根据其中一砂样的抗剪强度和垂直压力曲线关系及前述的计算理论，可以获取该砂样的直接剪切试验抗剪强度指标。其他砂样的抗剪强度指标计算类似，具体结果见表3。

图2 砂样的抗剪强度和垂直压力的关系曲线

3.4.5 砂样的三轴剪切抗剪强度试验

对天然含水率试样进行固结不排水三轴剪切试验，试验所用仪器为应变控制式三轴剪切仪。采用压样法制备静三轴试验的试样，试样尺寸为直径3.91cm，高8cm。为了便于制样，按6%含水率及干密度计算出试样所需砂土质量，五等分后用特制的压样模分层压实。每层压实后，将土面刨毛，再装下一层并压实，以便层间接触良好，保证试样的均匀性。试验前，用风干法使试样的含水率降低到天然含水率。所制备试样间的干密度差不超过0.03g/cm3，所施加的周围压力为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率为0.36m/min。以试样的体变及轴向变形稳定作为固结稳定的标准。

根据砂样的抗剪强度和垂直压力曲线关系及前述的计算理论，可以获取砂样的三轴剪切总应力抗剪强度指标，见表3。

表3 砂样力学性质试验结果

通过分析可以总结出一般规律：土的压缩性越高，压缩模量越低，其抗剪强度则越小；土的压缩性越低，压缩模量越高，其抗剪强度则越大。当然，由于土的结构的复杂性，经常存在一些特殊情况，因此需要专业技术人员本着科学的态度，确保测试结果的准确性。

4 结束语

土工试验在工程勘查应用中效果显著，尤其对于地质情况复杂的工程，需要通过多次试验获取大量的试验指标参数。本文通过以上试验方法，获取土的物理性质和力学性质指标，从而总结出一般性规律，为煤矿边坡地址勘查和后期的稳定性评价提供参考依据。但实际试验操作过程受限于主观因素和客观不确定因素的干扰，往往会存在一定的误差，这需要专业技术人员经常性地对工程进行分析总结，紧

密结合土的物理和力学性质，进行科学合理的综合分析，从而确保土工试验的准确性和科学性。