室內(nèi)土工參數(shù)測試過程技術(shù)對策

張艷山

長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430000

0 引言

涉及關(guān)于室內(nèi)常見土工參數(shù)的大量實踐性活動一再表明，為一定工程地質(zhì)勘察報告目的服務(wù)的試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)理概率統(tǒng)計后作變異系數(shù)分析時，發(fā)現(xiàn)存在著程度不一的數(shù)據(jù)離散性問題。其中，有的單元地層內(nèi)參數(shù)的離散性在置信度區(qū)間，有的則因各種外加作用影響造成離散較大而失真，最后只能加以舍棄，或采取補救措施加以修正與改正。

究其土工常數(shù)產(chǎn)生離散性較大而失真的原因，是多方面影響因素促成的。筆者認為主要表現(xiàn)在兩個方面。

其一，作為客體研究對象的土，在天然沉積環(huán)境的長期各種地質(zhì)營力的作用下，其宏觀特征表現(xiàn)為土的三相體系特征[1]，微觀結(jié)構(gòu)存在著不均勻性和非均質(zhì)的各向異性，即取樣土體在單元地層的意義上，其物理結(jié)構(gòu)與性狀不盡一致。存在著不同成因條件與環(huán)境下的沉積差異性規(guī)律，從而表現(xiàn)出單元地層的意義上的非均質(zhì)性。這是作為客體土的自然屬性，非人力可以克服和控制，而只能通過場地整體宏觀的把握。

其二，對于土工參數(shù)的實測數(shù)據(jù)而言，它是由于人—機試驗行為的結(jié)果，方法的選擇和人員操作的熟練程度非常重要。只有符合實際情況的試驗方法選擇才是適宜、合理的。

工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件的調(diào)查、分析與評價，又在工程地質(zhì)勘察報告中成為工程建筑物設(shè)計，或者是建議方案提出的客觀依據(jù)之一。

1 場地取樣與樣品原型

1.1 鉆孔取樣器的選擇

鉆孔取樣器的選擇，僅針對場地母體樣品原型，即原狀土，而不涉及擾動土的代表性。原狀土是依托于場地母體的具有天然結(jié)構(gòu)與物理性狀的土。不同土的巖性，其含水濕度與密實程度的軟硬特征是不一樣的。因此，在通過取樣器鉆取試驗用原狀土?xí)r，必須合理選擇相宜的鉆取器具[2]。而鉆取器具的技術(shù)參數(shù)，將對不同巖性的土層產(chǎn)生質(zhì)量影響。比如，厚壁貫入式取土器，適用于均勻粘性土和部分砂土和粉土的取樣；而薄壁貫入式取土器，則適用于可塑～流塑狀粘性土，部分為粉土和粉砂土。在軟土或砂土取樣中，必須采用泥漿護壁技術(shù)措施。此外，相關(guān)的鉆取方法與技巧，以及注意事項的嚴(yán)格遵守，對試驗用土的質(zhì)量也將起重要影響作用。為了保持樣品原型在取樣時不致較大擾動（實際上，鉆孔取樣無論何種先進技術(shù)或多或少都會產(chǎn)生擾動因素），合理選用適合一定場地巖性的鉆孔取樣器，是保證試驗用土（原狀土）質(zhì)量的最初的關(guān)鍵性因素。

1.2 鉆孔取樣的包裝與加工處理

通過鉆孔取樣器取出來的原狀土試驗用土在包裝與加工處理時，應(yīng)格外小心。注意其試樣在具體土層深度的巖性特征，且仔細甄別，并加以適當(dāng)切削多余的土，然后再用鐵皮筒加固，在開口處用密封膠帶纏繞，或用臘封，最后放入木箱內(nèi)置于陰涼處，隨即應(yīng)立即送至試驗室。鉆孔取樣倘若放置在露天下暴曬或冰凍，將會對試樣的含水率及密度結(jié)構(gòu)性指標(biāo)等帶來致命硬傷，因此必須嚴(yán)格禁止。

2 室內(nèi)試樣制備與物性實測

2.1 室內(nèi)試樣開封與切土工具的選擇

送回試驗室的原狀土，一般不宜超過一周時間，即應(yīng)及時開封并試驗[2]。開封時，應(yīng)事先對樣品進行室內(nèi)編號，以免野外試樣編號過多造成混淆。開封工具應(yīng)首先用長柄手術(shù)剪或平口起子小心剝離開密封膠或臘封物質(zhì)，不可用猛烈方式開啟密封鐵皮樣筒取出試樣。樣品打開后，應(yīng)按樣品的上、下方向正確放置于瓷盤內(nèi)，待試樣制備。在使用切土工具制備原狀環(huán)刀試件時，要根據(jù)試樣的軟硬程度和顆粒的粗細情況，分別采用切土刀、刮土刀、鋼鋸和鋼絲鋸。軟土、砂性土、粉土在制備試件時，尤須注意不宜用切土刀，而應(yīng)采用鋼絲鋸小心切割成型；對于硬塑-堅硬狀的粘土或含礫粘性土，切削制備中應(yīng)注意避免用力過猛，避免礫石成分的干擾造成試件結(jié)構(gòu)損傷，有少量礫石時可剔除、并修整填平試件土面。

2.2 密度和含水率的及時測定

試樣在制備完原狀試件后，應(yīng)立即在天平上稱量，求取其密度值，并對其余土的代表性試樣，測定其天然含水率，不宜久放不測，使其改變性狀。物理性參數(shù)，一般規(guī)程均規(guī)定需作兩次或兩次以上的平行測定，取其精度允許范圍內(nèi)的算術(shù)平均值。對于誤差范圍較大的試件，應(yīng)視其具體試樣的巖性特征作相宜技術(shù)處理。一般可結(jié)合野外標(biāo)貫試驗所獲取的土工參數(shù)，加以比較與鑒別，最終選擇合理的數(shù)據(jù)，作為物理土工參數(shù)值。

3 試驗方法選擇與飽和抽氣問題

不同試驗?zāi)康暮褪┕l件，應(yīng)采用不同的試驗方法。一些力學(xué)性參數(shù)測定進行試樣制備后需進行飽和與抽氣，比如三軸剪切試件、滲透系數(shù)試件等。就直剪試驗而言，有3種剪切方法（總應(yīng)力法），分別為快剪、固結(jié)快剪和慢剪。3種不同方法所獲取的抗剪強度指數(shù)大小順序為慢剪＞固結(jié)快剪＞快剪。這與土的固結(jié)與是否排水及剪切速率關(guān)系密切。采用何種直剪試驗方法，需視場地的實際土層負荷、施工期長短和土層的厚薄程度情形而定?？蓞⒄铡兑?guī)程》的實驗具體操作條件及適用范圍。而三軸試件宜在飽和度達到95%時方可實施試驗。對于一般粘性土可分別采用真空飽和法和毛細飽和法。粘性愈強的土，不宜采用毛細飽和，而應(yīng)采用真空飽和，有條件的地方，可以采用二氧化碳飽和或反壓飽和。對于重塑土試件，應(yīng)嚴(yán)格控制其土的密度和含水率，并保證土的顆粒級配滿足試驗用土的技術(shù)要求。一般情形下，宜直接采用擾動土作為制備用土，盡量避免因風(fēng)干和過篩帶來的顆粒級配成分改變。滲透系數(shù)測定時，在制備與安裝試件、飽和試件的試驗過程中，需注意按操作程序分步驟實施，做到每一步驟不存在疏忽遺漏的細節(jié)。比如，砂質(zhì)土、軟粘土在制備試件時需采用鋼絲鋸切割以保持其密度；安裝時，環(huán)刀外壁應(yīng)涂抹醫(yī)用凡士林，防止間壁滲水；試驗用水需采用脫氣水，而不是一般蒸餾水；平行測定的次數(shù)宜控制在盡可能少的次數(shù)內(nèi)，而不宜反復(fù)多次測定。反復(fù)多次測定，對某些土性來說往往參數(shù)失真；其原因是試樣內(nèi)的細小土顆粒在微小孔隙通道中會產(chǎn)生堵塞情形，從而造成水流速度降低。

4 固結(jié)試驗穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的選擇與實際應(yīng)用性

固結(jié)試驗參數(shù)為地基變形計算設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供很重要的依據(jù)。其試驗的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)各異。常見為24h穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、＜0.005mm標(biāo)準(zhǔn)和快速壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。通常生產(chǎn)性試驗時一般采用快速壓縮法，即1 h讀數(shù)，最后一級荷載，讀二次：1 h讀數(shù)和24 h讀數(shù)，即以24h讀數(shù)和1 h讀數(shù)的比值(K)，作為試驗校正系數(shù)，分別校正各級荷載下的1 h讀數(shù)，即認為是該級荷載下的最終穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)值。但這種方法，對不均質(zhì)各向特征明顯的土質(zhì)來說，有時會存在一定的偏差。因為K值校正并不具有等效同比例關(guān)系。所以，在試驗周期和工期允許的情況下，仍應(yīng)以采用24 h標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定或＜0.005 mm標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定作為正確的科學(xué)方法。這對試驗參數(shù)的正確無誤十重要。固結(jié)試驗中，應(yīng)對所用的固結(jié)儀定期校驗其儀器變形量值和杠桿輸出力值，砝碼的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一般不作硬性規(guī)定時間限制，但需有原始的校驗精度與誤差保證作為前提。人工值守讀數(shù)的方式應(yīng)在有條件的地方適時改變，以傳感器接入儀器，并作土工原始數(shù)據(jù)的計算機處理，以避免人為的視覺誤判，降低人工體力消耗，提高土工測試技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

5 試驗人員的專業(yè)知識與技能水平

提供高質(zhì)量的土工參數(shù)，很重要的一個方面是依賴于試驗人員的專業(yè)知識與技能水平。良好的專業(yè)知識掌握、熟練的土工試驗操作技能及對不同試驗儀器能較好運用和操作，將對土工參數(shù)的測試帶來積極有效的作用。在一定范圍內(nèi)，實際上有相當(dāng)一部分試驗人員，尚缺乏較系統(tǒng)的專業(yè)化知識，往往停留在感性認識和一般性處理日常試驗工作的水準(zhǔn)上，對試驗中需了解和注意的問題沒有較清醒的認識，或根本不具備這方面的知識儲備，不知道如何辨別作為客體土的研究對象在復(fù)雜特殊情形中出現(xiàn)的各種試驗現(xiàn)象與客觀事實之間，那些是屬于自然屬性產(chǎn)生的，那些是不屬于土性原因的人為因素造成的，即不能正確判斷出所測數(shù)據(jù)的真?zhèn)涡?，因而，給土工參數(shù)的高質(zhì)量提供帶來瓶頸。鑒于此種情形，應(yīng)大力倡導(dǎo)在試驗人員中努力鉆研專業(yè)理論，熟練并精通各種儀器方法使用技術(shù)，為創(chuàng)造優(yōu)化的人—機試驗行為模式提供技術(shù)保證。

6 擾動樣品的代表性與常見土工參數(shù)測定

擾動樣品的代表性，關(guān)系到試驗用土在實測土工參數(shù)時的最終正確提供。

對一般不含礫石成分的粘性土來說，在做界限含水率、土粒的密度和顆粒級配等時，可按相應(yīng)規(guī)程規(guī)定經(jīng)過一定篩孔徑過篩制備，調(diào)試或烘干即可實施。但對于含礫石成分的粘性土，需注意對于礫石成分的粒組百分含量的考量（＞2mm 是否＞10%）。尤其是含礫石較多的復(fù)雜土性，在處理時應(yīng)格外謹慎。比如界限含水率與顆粒級配參數(shù)，應(yīng)相互對照比較分析，較為合理，而不宜簡單化單一定名或分類處理，即土性不宜僅限細粒土部分，而舍棄較多含量的礫石成分作為土的最終分類和定名。對于粗粒土或細粒土的礦物成分，在本質(zhì)上存在不同。前者主要為原生礦物（石英、長石和云母類），后者主要為次生礦物（粘土礦物及鐵、鈣、鋁、鎂等）。在做擊實試驗時，對一般粘性土可按一般擊實加工處理即可。但對含一定礫石成分的粘性土，必須進行風(fēng)干、過篩求?。?mm顆粒的粒組累積百分含量。在試驗計算中，必須進行修正計算，以得到修正后的最優(yōu)含水率和最大干密度，其修正值，客觀表現(xiàn)為最優(yōu)含水率減小，最大干密度增大。對于擾動重塑土力學(xué)試件，原則上應(yīng)視具體工程應(yīng)用與研究目的，采取不同的擊實方法（三層法或五層法：即輕型擊實法與重型擊實法）[3]，同時嚴(yán)格控制其土體原型的密度與含水率，并盡量避免顆粒級配的成分改變。

7 結(jié)論

影響室內(nèi)常見土工參數(shù)的因素情況復(fù)雜，經(jīng)上述考量分析，主要表現(xiàn)為：野外取樣器具與方法的技術(shù)處理技巧和經(jīng)驗，這包括取樣器的正確選擇，樣品的代表性和加工包裝、運輸?shù)葐栴}的正確處理等；在室內(nèi)測試時，試驗制備試件中的技術(shù)方法與儀器和試驗條件的選擇，顯得十分重要。其中，最重要的，是土工參數(shù)結(jié)果的行為過程：人—機互動模式特征，即試驗人員專業(yè)理論與試驗技能等綜合素質(zhì)保證。

[1]東南大學(xué)，浙江大學(xué)，湖南大學(xué)，蘇州科技學(xué)院合編.土力學(xué)[M].2版.中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]李智毅，唐輝明主編.巖土工程勘察[M].中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.

[3]SL237-1999土工試驗規(guī)程[S]，1999.