土工试验技术在工程地质勘查中的应用

张淼

（中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院，黑龙江 哈尔滨 150006）

0 引言

行业经验表明，工程地质勘查工作是实施工程设计与施工规划的核心前提，其对工程质量以及建设过程中的安全性影响深远。因此，对于从业工作者而言，需要将土工试验看作是工程地质勘查的关键环节，严格依照规范试验操作条例以及具体的应用手段要求，合理掌控试验方法，只有这样才能从根本上保证最终分析试验结果的准确性，积极推动土工试验环节的良性发展[1]。自然界中的土层存在明显的不均匀性，而各种外界因素的干扰，也很容易让最终的试验结果不够准确，因此，工程人员需要认真梳理土工试验的主要内容、仪器设备与试验方法，并将这些内容与实际工程的各类影响要素相结合，全面推动工程地质勘查工作的良性发展。

1 工程地质勘查中土工试验内容

土在自然界的分布极为广泛，而不同区域的土质，在颗粒大小以及矿物组成层面存在巨大差异，且这种差异还会带有明显的不均匀性，此外，土质三相间的数量比例各不相同，加之自然土质也很容易受到周边环境要素影响而出现成分变化，如含水量与抗剪强度等等，而这些物理与化学层面的性质变化，更显其测量过程的复杂性。对此，为确保土工试验结果的准确性，工程人员需要对土工试验内容进行综合分析，结合土工试验工作自身特点以及各类影响要素的作用方向，加强对土质物理性质与力学性质的有效分析，进而为后续工程的施工建设创造良好的前提条件[2]。

1.1 土工试验中的物理性质试验分析

（1）含水量、密度与比重测量。对于土工试验工作而言，分析土质的物理性质，其关键指标在于土质的含水量、密度与比重，而这三项数据指标的获取，也有着各自独特的办法与手段。土质含水量测量可使用烘干法进行，而土质比重试验工作需要采用比重瓶法获取最终结果，土质密度测量工作可使用环刀法进行。

（2）液限与塑限试验测量。对于土质液限与塑限测量工作，工作人员可采用液、塑限联合测定模式，利用液、塑限联合测定仪器，在使用中，工作人员需要将圆锥仪的圆锥结构入土深度以及对应位置的含水量建立统一的坐标关系，并依照其现行关系特性，实施塑性指数与液性指数测量。此外，液限与塑限实现工作是对地基土承载力进行分析的关键指标，试验工作者应予以足够的重视，并严格遵照具体的操作规范实施相应试验。

（3）颗粒直径分析试验工作。土质颗粒直径对于土质特征的影响极为明显，而在试验工作中，工作人员需要测定土样内部不同直径颗粒的百分比，土质颗粒的不均匀系数与曲率系数。此外，为保证测量结果的准确性，其过程可使用分析筛与振筛机，进而利用筛析法提高整体测量结果的可靠性与可用性[3]。

（4）土质力学性质试验。土质力学性质试验工作与前几种试验数据存在很大的关联性，力学性质主要涵盖土质的固结试验与抗剪强度试验。土质固结试验中，工作人员需要对土样在天然状态下的压缩系数、压缩模量进行测定，其对应设备为固结仪，操作过程应采用不同的载荷施加方式与施加时间。土质固结试验通常可分为标准固结试验、快速固结试验与应变控制连续加荷固结试验，这些不同的操作模式所对应的工程场景也各不相同。土质抗剪强度试验中，工作人员需要测定土质在外力作用下自身可承受的最大剪应力。抗剪强度试验需使用应变控制式直剪仪与应变控制式三轴仪，这些仪器的操作也要保持在规定范畴。

1.2 土质测量试验技术相关的理论方法

土质试验测量工作中，每一项数据指标所对应的专业技术理论存在一定的差异，且这些数据获取中所采用试验操作方法也存在必然的内在关联。土质测量试验技术中，其压缩性能测量技术与抗剪强度指标测量技术是最为关键的两点。

（1）压缩性能。土质的压缩性能是指在特定外界压力下，土质结构所表现出的压缩模量与具体的压缩系数。压缩系数需要根据土质在单位作用力下孔隙比的变化进行测定，而这一变化也通常被直接应用于土质压缩性能的判定活动之中。

（2）抗剪强度。土质的抗剪强度是一项十分关键的物理指标，其可体现土质的力学性质，且这一指标对于后续工程建设以及施工工艺手段的选择十分关键。技术人员需测定土质在外力作用下，其剪切面单位面积可承受的最大剪应力。抗剪强度是由土质颗粒摩擦力以及胶结物与水膜分子引力产生的粘聚力共同构成，所以，行业工作者在进行抗剪强度测量时，通常采用摩尔－库伦强度理论。

2 工程应用

近些年，伴随着我国社会经济体系的快速发展，资源开采量也在连年攀升，在此背景下，国内露天矿开采规模与深度正在不断加大，开采环节存在的边坡失稳等潜在的安全问题愈发严重，由此所引发的露天矿滑坡问题，更是严重影响行业的正常发展秩序。为解决这一问题，相关单位应在矿区施工作业前，对开采区域边坡地质进行具体勘查，对所获取到的样品进行科学的土工试验，为后续开采与作业施工提供可靠的数据支持[4]。

2.1 工程基本概况

我国新疆某露天煤矿地处阿尔泰地槽褶皱带的东南边缘，而矿区内部总体呈现向南倾斜，其倾斜角度处于6°至25°之间。此外，矿区内部岩石地貌为风蚀残丘地貌，且南低北高、中间低、西高东低。依照项目保障的具体要求，技术人员需要同步完成砂土山水率、密度与比重试验、颗粒分析试验、压缩试验、直接剪切试验与三轴剪切试验。

2.2 试验基础规范

工程技术人员在对砂土物理性质与力学性质进行测量时，应严格参照我国相关部门最新出台的《土工试验方法标准》进行，并注重试验过程中不同测量数据项所要关注的要点及注意事项，加强对数据结果精度控制以及试验操作行为控制。

2.3 试验所采用的方法以及对应的结果分析

（1）砂土含水率、密度与比重试验。针对煤矿作业区域土质特征，在对砂土进行密度试验时，工作人员采用环刀法，而在对砂土含水率进行试验测量时则采用烘干法，实施比重测量时，则采用比重瓶法。工程人员在获取到砂土湿密度、含水率与比重值后，可依照相关理论计算模式，得到砂土的干密度、孔隙比与饱和度。土的物理性质指标之间存在相互关联的关系，因此，工作人员可通过分析不同数据结果，综合分析判断这些指标是否准确。例如，测量过程中得到的饱和度数值超过100%，那么测量时得到的含水率、密度与比重值则必然存在问题。因此通常情况下，工作人员可利用实际对比结果，调整试验测量过程，对三项基本指标进一步确定，提高指标实验值的准确度。

（2）砂土样本的颗粒分析试验过程。样本颗粒试验过程主要采用筛析法进行，而操作过程中需采用标准筛，其孔径应依照需求设置为五种，从上至下分别为2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。颗粒分析试验开始后，工程人员应依照标准筛各级上与底盘内的式样重量，计算出小于某直径标准线试样的重量与试样总重量之间的百分比，依照这一百分比，绘制出颗粒大小的分布曲线。

（3）砂土样本的压缩试验。砂土样本在进行压缩试验阶段，工作人员所使用的压缩试验仪器为全自动固结仪，试样表面积为50平方厘米，高度为2厘米，试验过程中采用压样法完成试样的制备工作。此外，根据含水率测量以及干密度测量过程得到的数值，计算出试样制作过程所需要的砂土质量，而固结过程则要一次压制成型，并同步采用风干法，让样本内部的含水量降至与天然含水量一致。样本压缩固结过程中，全自动固结仪，采用的加压等级分别为50kPa，100kPa，200kPa，此外，样本每小时变形速率应控制在0.005mm范围。

（4）砂土样本直接剪切抗剪强度试验。试验过程采用直接剪切仪，且样本的表面积为30平方厘米，高度为2厘米，每组试验过程需同时测量四个样本。样本制作过程中，需依照之前测量过程得到的含水率与干密度，计算得出试验样本的砂土重量，并使用固结仪一次压缩完成，垂直压力则需要分别采用100kPa，200kPa，300kPa，400kPa。样本制作完成后，需要将其放置在直接剪切仪内部，并依照特定的速率进行剪切试验过程。

（5）砂土样本三轴剪切抗剪强度试验。三轴剪切试验需保证样本固结且不排水，使用工作所采用的仪器为应变控制式三轴剪切仪，样本的整体尺寸应保持在直径为3.91厘米，高度为8厘米，为提高样本制作效率，可使用前期测量工作得到的样本，在等分后进行压实。压实后的样本应进行刨毛作业，其周围压力施加数值分别为100kPa、200kPa，300kPa、400kPa，而剪切速率则控制在0.36m/min，并实时观测样本的结构变化以及轴向变形稳定[5]。

3 结语

综上所述，土工试验在工程勘查中的应用广泛，尤其是在地质复杂区域作业的各类岩土工程，而试验测量得到相关指标数据结果，亦可经过对应的分析对比，减少意外因素干扰，提高数据的准确性。土工试验中，试验操作很容易受到主观因素与客观不确定因素的干扰，进而导致最终结果存在误差，因此，从业工作人员应加强对试验过程的控制，注重对工程总体的分析总结，不断提高试验工作对工程勘查环节的正向影响，促进我国各类工程建设领域可持续健康发展。