巖土工程測試技術(shù)取土樣的方法和工具探究

姜琳

[摘 要]實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行土工試驗(yàn)以測定土的工程性質(zhì)以及物理性質(zhì)，其原料來自地勘，在地勘中如何取土，其方法和工具一直在發(fā)展進(jìn)步。本文將討論介紹工程中常用的取土方法和所用工具，以及土樣擾動(dòng)的原因及規(guī)避擾動(dòng)方法。

[關(guān)鍵詞]土樣;巖土工程測試技術(shù);擾動(dòng)土;原狀土

[中圖分類號(hào)]TU473.16 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 引言

巖土工程領(lǐng)域，面對的主要材料是土。上層建筑將荷載傳到基礎(chǔ)上，而主要由土組成的地基支承著基礎(chǔ)，共同構(gòu)筑起人類的活動(dòng)空間。而對于地下建筑，土既起支承作用，同時(shí)也作為荷載的一部分覆蓋在建筑之上。作為一名未來的巖土工程師，我們需要了解土的性質(zhì)，這就需要我們做一系列的土工試驗(yàn)，其原材料就是土。但是不同的工程遇到的土千差萬別，有的是卵石、礫石，有的是粗砂、中砂，有的是粉土、黏土，更多的是不同粒徑組合成的土。這些土，由于級(jí)配的不同和土中水的含量的不同，表現(xiàn)出不同的工程性質(zhì)。所以對于一個(gè)工程來說，對土進(jìn)行試驗(yàn)，測定土的工程特性是非常重要的，這個(gè)步驟通常叫做地質(zhì)勘探。為了做土工試驗(yàn)，需要獲得工程所處位置的土，制成土樣，送到實(shí)驗(yàn)室。通常，將土樣分為以下兩種：原狀土和擾動(dòng)土。

擾動(dòng)土指的是在取樣的過程中以及之后的存放、運(yùn)輸過程中土的天然結(jié)構(gòu)或含水率發(fā)生了改變，但是仍具有代表性的土。由于天然結(jié)構(gòu)、含水率的改變，有的土工試驗(yàn)不能用擾動(dòng)土來進(jìn)行，但是像顆分試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、土粒比重、有機(jī)質(zhì)的含量、土的分類等與土的天然結(jié)構(gòu)、含水率無關(guān)的試驗(yàn)可以用擾動(dòng)土進(jìn)行;而像壓縮固結(jié)、滲透性、抗剪強(qiáng)度等相關(guān)的試驗(yàn)就必須用原狀土來進(jìn)行，即土的天然結(jié)構(gòu)、含水率等均沒有改變的土。

2 鉆探

為了取得地層某一深度處的土，我們首先需要進(jìn)行的是鉆探。鉆探的方法多種多樣，主要是由于地基土的種類繁多。主要的方法分螺旋鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)、振動(dòng)鉆進(jìn)、沖洗鉆進(jìn)幾種，這里不作詳述。當(dāng)鉆井打到地層某一特定的深度后，需要進(jìn)行取樣?！稁r土工程勘察規(guī)范GB50021-2001》中給出了取樣的工具和方法的選擇。

3 取土工具及用法

用標(biāo)準(zhǔn)貫入器來獲得仍具有代表性的擾動(dòng)土樣。通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）的操作，將標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土體內(nèi)部，土?xí)M(jìn)入到空腔中，隨后我們回收試樣，將取得的土樣放進(jìn)玻璃容器中運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室。這里簡要介紹一下標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)獲得的錘擊數(shù)?？紤]到錘擊的效率不同、鉆孔的直徑不同、容器的不同、鉆桿的長度不同等因素的影響，應(yīng)對獲得的錘擊數(shù)進(jìn)行修正。國外對于標(biāo)貫試驗(yàn)技術(shù)的修正，考慮得比較周到，有的甚至包括飽和粉細(xì)砂的修正、地下水位的修正和土的上覆壓力的修正。而國內(nèi)長期不考慮這些修正，而著重考慮桿長的修正，規(guī)范曾給出過桿長的修正系數(shù)，最大深度是21m;但標(biāo)貫試驗(yàn)的實(shí)際使用深度已達(dá)100m以上，已不可能采用依據(jù)牛頓碰撞理論得出的修正系數(shù);但是過去總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)公式中，有的采用的是修正后的貫入擊數(shù)，有的采用的是沒有修正的貫入擊數(shù);考慮到上述情況，《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定在勘察報(bào)告中只需給出標(biāo)貫擊數(shù)的實(shí)測值，在使用時(shí)根據(jù)不同的情況而決定是否需要加以修正。

我們有一個(gè)式子用以判斷土樣的擾動(dòng)程度：

其中稱AR為擾動(dòng)比（area ratio），D0是取土器的外徑，D1是取土器的內(nèi)徑。

當(dāng)時(shí)，取得的土樣可以認(rèn)為是未受擾動(dòng)的原狀土。標(biāo)準(zhǔn)貫入器的值大概在115%左右，可以看到，擾動(dòng)得非常厲害。

當(dāng)遇到的土是砂土（尤其是地下水位線以下的細(xì)砂）時(shí)，土很難被容器帶出來，這時(shí)可以在容器中放置一個(gè)集土器。

有關(guān)標(biāo)貫試驗(yàn)獲得標(biāo)貫擊數(shù)的應(yīng)用，它可以用在很多經(jīng)驗(yàn)公式中用以估計(jì)土的其他參數(shù)，這里就不詳述了。

3.2 Scraper Bucket

當(dāng)遇到的土層是由砂土混雜漂石組成的，那么用標(biāo)準(zhǔn)貫入取土器取樣就非常困難，因?yàn)榫退阌屑疗?，粒徑較大的漂石也會(huì)阻止集土器的關(guān)閉，從而使之失效。這種情況下，我們就需要側(cè)開口式取土器來取得具有代表性的擾動(dòng)土樣。這種取土器的底端是封閉的，并且頂端呈圓錐形，便于打入土中;但是在他的側(cè)邊開了一個(gè)口。當(dāng)通過鉆桿將其打入土中之后，通過旋轉(zhuǎn)，土樣就被側(cè)邊的開口切入取樣器中。

這種敞口式薄壁取土器，國外有時(shí)也稱為謝爾貝管;用無縫鋼管制成，通常用于取原狀土。這種取土器的外徑一般分別為50.8 mm（2 in）和76.2 mm（3 in）。例如外徑為50.8 mm的謝爾貝管的內(nèi)徑為47.63 mm，此時(shí)擾動(dòng)比：

將此取土器固定在鉆桿上，通過鉆桿推入土中，土樣就進(jìn)入到了容器中，然后再把容器拔出，就獲得了土樣。這種取土器雖然操作簡單，但是容易產(chǎn)生逃土;并且土樣的直徑越大，花費(fèi)的成本越大。

當(dāng)遇到的土比較松軟，或者要取樣的直徑超過76.2 mm（3 in）時(shí)，就會(huì)容易從敞口式的取土器中逃出。這時(shí)活塞式取土器就非常方便了?；钊饺⊥疗饔址譃楣潭ɑ钊?，水壓固定活塞式和自由活塞式。

3.4.1 固定活塞式

在敞口式薄壁取土器內(nèi)設(shè)置活塞和活塞桿，活塞桿通過取土器的頂部并經(jīng)由鉆桿的中空延伸至地面?；钊淖饔迷谟谙路湃⊥疗鲿r(shí)可排開孔底浮土，上提時(shí)可隔絕土樣頂端的水壓和氣壓，防止逃土，取土質(zhì)量高，成功率也高，是目前國際上公認(rèn)的高質(zhì)量取土器。

3.4.2 水壓固定活塞式

這是針對固定活塞式操作比較繁瑣的缺點(diǎn)而改進(jìn)的型號(hào)，國外稱Osterberg取土器，其用水壓實(shí)現(xiàn)對活塞的操控，取樣效果和固定活塞式一樣，甚至更好，而操作較為簡便。

3.4.3 自由活塞式

其與固定活塞式的不同之處在于取樣時(shí)依靠土樣將活塞頂起，操作比較簡便，但土樣易擾動(dòng)，質(zhì)量不及前兩種。

4 擾動(dòng)成因及規(guī)避方法

取樣技術(shù)的關(guān)鍵在于將土樣的擾動(dòng)減少到最小，下面我們來討論一下引起土樣擾動(dòng)的原因。

4.1 應(yīng)力解除擾動(dòng)

土在地層中時(shí)，周圍有圍壓作用，而取樣時(shí)將土從地層中取出，自然釋放了原有的作用于土體上的壓力，土體將產(chǎn)生膨脹，顆粒間會(huì)產(chǎn)生微小的裂縫并發(fā)展，降低了土體的強(qiáng)度。這種由于應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力條件的改變而產(chǎn)生的擾動(dòng)在地質(zhì)勘探中無法避免，不過可以在試驗(yàn)技術(shù)方面采取相應(yīng)的措施來減少其影響。這也告訴我們，沒有嚴(yán)格意義上的原狀土樣。

4.2 鉆探擾動(dòng)

在鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械設(shè)備對土體會(huì)產(chǎn)生沖擊、擠壓和振動(dòng)等機(jī)械作用而使土的體積發(fā)生變化，從而破壞土的結(jié)構(gòu)，降低強(qiáng)度。對此，我們應(yīng)該選擇合適的工具和改進(jìn)鉆進(jìn)方法減少對土體的擾動(dòng)。如在歐美一些發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)很少采取如沖洗式鉆進(jìn)這種對土體產(chǎn)生很大擾動(dòng)的鉆進(jìn)方式了。

4.3 取樣擾動(dòng)

由于取土器與土體之間存在摩擦，土體受扭并受壓縮而產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)的大小與取土器的壁厚和刃口的角度有關(guān)。采用合理的取土器結(jié)構(gòu)，并采用恰當(dāng)?shù)膲喝肴⊥疗鞯姆椒梢杂行У販p少土樣的擾動(dòng)。

4.4 運(yùn)輸擾動(dòng)

在運(yùn)輸過程中的振動(dòng)和沖擊所產(chǎn)生的擾動(dòng)，采取一定的隔振和防振措施可以減少對土樣的不利影響。

4.5 貯存與試驗(yàn)環(huán)節(jié)的影響

從實(shí)驗(yàn)室的管理工作和技術(shù)要求兩個(gè)方面加以改進(jìn)以減少對土樣的擾動(dòng)。

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