土工試驗技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

張淼

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

行業(yè)經(jīng)驗表明，工程地質(zhì)勘查工作是實施工程設(shè)計與施工規(guī)劃的核心前提，其對工程質(zhì)量以及建設(shè)過程中的安全性影響深遠(yuǎn)。因此，對于從業(yè)工作者而言，需要將土工試驗看作是工程地質(zhì)勘查的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴(yán)格依照規(guī)范試驗操作條例以及具體的應(yīng)用手段要求，合理掌控試驗方法，只有這樣才能從根本上保證最終分析試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，積極推動土工試驗環(huán)節(jié)的良性發(fā)展[1]。自然界中的土層存在明顯的不均勻性，而各種外界因素的干擾，也很容易讓最終的試驗結(jié)果不夠準(zhǔn)確，因此，工程人員需要認(rèn)真梳理土工試驗的主要內(nèi)容、儀器設(shè)備與試驗方法，并將這些內(nèi)容與實際工程的各類影響要素相結(jié)合，全面推動工程地質(zhì)勘查工作的良性發(fā)展。

1 工程地質(zhì)勘查中土工試驗內(nèi)容

土在自然界的分布極為廣泛，而不同區(qū)域的土質(zhì)，在顆粒大小以及礦物組成層面存在巨大差異，且這種差異還會帶有明顯的不均勻性，此外，土質(zhì)三相間的數(shù)量比例各不相同，加之自然土質(zhì)也很容易受到周邊環(huán)境要素影響而出現(xiàn)成分變化，如含水量與抗剪強(qiáng)度等等，而這些物理與化學(xué)層面的性質(zhì)變化，更顯其測量過程的復(fù)雜性。對此，為確保土工試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，工程人員需要對土工試驗內(nèi)容進(jìn)行綜合分析，結(jié)合土工試驗工作自身特點以及各類影響要素的作用方向，加強(qiáng)對土質(zhì)物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)的有效分析，進(jìn)而為后續(xù)工程的施工建設(shè)創(chuàng)造良好的前提條件[2]。

1.1 土工試驗中的物理性質(zhì)試驗分析

（1）含水量、密度與比重測量。對于土工試驗工作而言，分析土質(zhì)的物理性質(zhì)，其關(guān)鍵指標(biāo)在于土質(zhì)的含水量、密度與比重，而這三項數(shù)據(jù)指標(biāo)的獲取，也有著各自獨特的辦法與手段。土質(zhì)含水量測量可使用烘干法進(jìn)行，而土質(zhì)比重試驗工作需要采用比重瓶法獲取最終結(jié)果，土質(zhì)密度測量工作可使用環(huán)刀法進(jìn)行。

（2）液限與塑限試驗測量。對于土質(zhì)液限與塑限測量工作，工作人員可采用液、塑限聯(lián)合測定模式，利用液、塑限聯(lián)合測定儀器，在使用中，工作人員需要將圓錐儀的圓錐結(jié)構(gòu)入土深度以及對應(yīng)位置的含水量建立統(tǒng)一的坐標(biāo)關(guān)系，并依照其現(xiàn)行關(guān)系特性，實施塑性指數(shù)與液性指數(shù)測量。此外，液限與塑限實現(xiàn)工作是對地基土承載力進(jìn)行分析的關(guān)鍵指標(biāo)，試驗工作者應(yīng)予以足夠的重視，并嚴(yán)格遵照具體的操作規(guī)范實施相應(yīng)試驗。

（3）顆粒直徑分析試驗工作。土質(zhì)顆粒直徑對于土質(zhì)特征的影響極為明顯，而在試驗工作中，工作人員需要測定土樣內(nèi)部不同直徑顆粒的百分比，土質(zhì)顆粒的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)。此外，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，其過程可使用分析篩與振篩機(jī)，進(jìn)而利用篩析法提高整體測量結(jié)果的可靠性與可用性[3]。

（4）土質(zhì)力學(xué)性質(zhì)試驗。土質(zhì)力學(xué)性質(zhì)試驗工作與前幾種試驗數(shù)據(jù)存在很大的關(guān)聯(lián)性，力學(xué)性質(zhì)主要涵蓋土質(zhì)的固結(jié)試驗與抗剪強(qiáng)度試驗。土質(zhì)固結(jié)試驗中，工作人員需要對土樣在天然狀態(tài)下的壓縮系數(shù)、壓縮模量進(jìn)行測定，其對應(yīng)設(shè)備為固結(jié)儀，操作過程應(yīng)采用不同的載荷施加方式與施加時間。土質(zhì)固結(jié)試驗通?？煞譃闃?biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗、快速固結(jié)試驗與應(yīng)變控制連續(xù)加荷固結(jié)試驗，這些不同的操作模式所對應(yīng)的工程場景也各不相同。土質(zhì)抗剪強(qiáng)度試驗中，工作人員需要測定土質(zhì)在外力作用下自身可承受的最大剪應(yīng)力。抗剪強(qiáng)度試驗需使用應(yīng)變控制式直剪儀與應(yīng)變控制式三軸儀，這些儀器的操作也要保持在規(guī)定范疇。

1.2 土質(zhì)測量試驗技術(shù)相關(guān)的理論方法

土質(zhì)試驗測量工作中，每一項數(shù)據(jù)指標(biāo)所對應(yīng)的專業(yè)技術(shù)理論存在一定的差異，且這些數(shù)據(jù)獲取中所采用試驗操作方法也存在必然的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。土質(zhì)測量試驗技術(shù)中，其壓縮性能測量技術(shù)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測量技術(shù)是最為關(guān)鍵的兩點。

（1）壓縮性能。土質(zhì)的壓縮性能是指在特定外界壓力下，土質(zhì)結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的壓縮模量與具體的壓縮系數(shù)。壓縮系數(shù)需要根據(jù)土質(zhì)在單位作用力下孔隙比的變化進(jìn)行測定，而這一變化也通常被直接應(yīng)用于土質(zhì)壓縮性能的判定活動之中。

（2）抗剪強(qiáng)度。土質(zhì)的抗剪強(qiáng)度是一項十分關(guān)鍵的物理指標(biāo)，其可體現(xiàn)土質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，且這一指標(biāo)對于后續(xù)工程建設(shè)以及施工工藝手段的選擇十分關(guān)鍵。技術(shù)人員需測定土質(zhì)在外力作用下，其剪切面單位面積可承受的最大剪應(yīng)力?？辜魪?qiáng)度是由土質(zhì)顆粒摩擦力以及膠結(jié)物與水膜分子引力產(chǎn)生的粘聚力共同構(gòu)成，所以，行業(yè)工作者在進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測量時，通常采用摩爾－庫倫強(qiáng)度理論。

2 工程應(yīng)用

近些年，伴隨著我國社會經(jīng)濟(jì)體系的快速發(fā)展，資源開采量也在連年攀升，在此背景下，國內(nèi)露天礦開采規(guī)模與深度正在不斷加大，開采環(huán)節(jié)存在的邊坡失穩(wěn)等潛在的安全問題愈發(fā)嚴(yán)重，由此所引發(fā)的露天礦滑坡問題，更是嚴(yán)重影響行業(yè)的正常發(fā)展秩序。為解決這一問題，相關(guān)單位應(yīng)在礦區(qū)施工作業(yè)前，對開采區(qū)域邊坡地質(zhì)進(jìn)行具體勘查，對所獲取到的樣品進(jìn)行科學(xué)的土工試驗，為后續(xù)開采與作業(yè)施工提供可靠的數(shù)據(jù)支持[4]。

2.1 工程基本概況

我國新疆某露天煤礦地處阿爾泰地槽褶皺帶的東南邊緣，而礦區(qū)內(nèi)部總體呈現(xiàn)向南傾斜，其傾斜角度處于6°至25°之間。此外，礦區(qū)內(nèi)部巖石地貌為風(fēng)蝕殘丘地貌，且南低北高、中間低、西高東低。依照項目保障的具體要求，技術(shù)人員需要同步完成砂土山水率、密度與比重試驗、顆粒分析試驗、壓縮試驗、直接剪切試驗與三軸剪切試驗。

2.2 試驗基礎(chǔ)規(guī)范

工程技術(shù)人員在對砂土物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量時，應(yīng)嚴(yán)格參照我國相關(guān)部門最新出臺的《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，并注重試驗過程中不同測量數(shù)據(jù)項所要關(guān)注的要點及注意事項，加強(qiáng)對數(shù)據(jù)結(jié)果精度控制以及試驗操作行為控制。

2.3 試驗所采用的方法以及對應(yīng)的結(jié)果分析

（1）砂土含水率、密度與比重試驗。針對煤礦作業(yè)區(qū)域土質(zhì)特征，在對砂土進(jìn)行密度試驗時，工作人員采用環(huán)刀法，而在對砂土含水率進(jìn)行試驗測量時則采用烘干法，實施比重測量時，則采用比重瓶法。工程人員在獲取到砂土濕密度、含水率與比重值后，可依照相關(guān)理論計算模式，得到砂土的干密度、孔隙比與飽和度。土的物理性質(zhì)指標(biāo)之間存在相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，因此，工作人員可通過分析不同數(shù)據(jù)結(jié)果，綜合分析判斷這些指標(biāo)是否準(zhǔn)確。例如，測量過程中得到的飽和度數(shù)值超過100%，那么測量時得到的含水率、密度與比重值則必然存在問題。因此通常情況下，工作人員可利用實際對比結(jié)果，調(diào)整試驗測量過程，對三項基本指標(biāo)進(jìn)一步確定，提高指標(biāo)實驗值的準(zhǔn)確度。

（2）砂土樣本的顆粒分析試驗過程。樣本顆粒試驗過程主要采用篩析法進(jìn)行，而操作過程中需采用標(biāo)準(zhǔn)篩，其孔徑應(yīng)依照需求設(shè)置為五種，從上至下分別為2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。顆粒分析試驗開始后，工程人員應(yīng)依照標(biāo)準(zhǔn)篩各級上與底盤內(nèi)的式樣重量，計算出小于某直徑標(biāo)準(zhǔn)線試樣的重量與試樣總重量之間的百分比，依照這一百分比，繪制出顆粒大小的分布曲線。

（3）砂土樣本的壓縮試驗。砂土樣本在進(jìn)行壓縮試驗階段，工作人員所使用的壓縮試驗儀器為全自動固結(jié)儀，試樣表面積為50平方厘米，高度為2厘米，試驗過程中采用壓樣法完成試樣的制備工作。此外，根據(jù)含水率測量以及干密度測量過程得到的數(shù)值，計算出試樣制作過程所需要的砂土質(zhì)量，而固結(jié)過程則要一次壓制成型，并同步采用風(fēng)干法，讓樣本內(nèi)部的含水量降至與天然含水量一致。樣本壓縮固結(jié)過程中，全自動固結(jié)儀，采用的加壓等級分別為50kPa，100kPa，200kPa，此外，樣本每小時變形速率應(yīng)控制在0.005mm范圍。

（4）砂土樣本直接剪切抗剪強(qiáng)度試驗。試驗過程采用直接剪切儀，且樣本的表面積為30平方厘米，高度為2厘米，每組試驗過程需同時測量四個樣本。樣本制作過程中，需依照之前測量過程得到的含水率與干密度，計算得出試驗樣本的砂土重量，并使用固結(jié)儀一次壓縮完成，垂直壓力則需要分別采用100kPa，200kPa，300kPa，400kPa。樣本制作完成后，需要將其放置在直接剪切儀內(nèi)部，并依照特定的速率進(jìn)行剪切試驗過程。

（5）砂土樣本三軸剪切抗剪強(qiáng)度試驗。三軸剪切試驗需保證樣本固結(jié)且不排水，使用工作所采用的儀器為應(yīng)變控制式三軸剪切儀，樣本的整體尺寸應(yīng)保持在直徑為3.91厘米，高度為8厘米，為提高樣本制作效率，可使用前期測量工作得到的樣本，在等分后進(jìn)行壓實。壓實后的樣本應(yīng)進(jìn)行刨毛作業(yè)，其周圍壓力施加數(shù)值分別為100kPa、200kPa，300kPa、400kPa，而剪切速率則控制在0.36m/min，并實時觀測樣本的結(jié)構(gòu)變化以及軸向變形穩(wěn)定[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，土工試驗在工程勘查中的應(yīng)用廣泛，尤其是在地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域作業(yè)的各類巖土工程，而試驗測量得到相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果，亦可經(jīng)過對應(yīng)的分析對比，減少意外因素干擾，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。土工試驗中，試驗操作很容易受到主觀因素與客觀不確定因素的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致最終結(jié)果存在誤差，因此，從業(yè)工作人員應(yīng)加強(qiáng)對試驗過程的控制，注重對工程總體的分析總結(jié)，不斷提高試驗工作對工程勘查環(huán)節(jié)的正向影響，促進(jìn)我國各類工程建設(shè)領(lǐng)域可持續(xù)健康發(fā)展。