土工试验中常见问题探讨

2015-03-17李晓萍

铁道勘察 2015年1期

关键词：卸荷土工土样

李晓萍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Discussion and Suggestion of Several Common Problems in Soil Test

LI Xiao-ping

土工试验中常见问题探讨

李晓萍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Discussion and Suggestion of Several Common Problems in Soil Test

LI Xiao-ping

摘要土工试验中经常遇到一些试验数据与理论数据有较大偏差甚至错误的情况，分别从试验原理、测试方法、仪器使用等方面综合分析产生问题的可能性原因，提出在试验操作过程中减少试验偏差应注意的事项和要点。

关键词饱和度回弹指数前期固结压力

土工试验是岩土工程勘察的重要组成部分，可以提供土和岩石的物理力学性质指标，对工程建设项目的安全性和经济性有着直接影响。现场取样不合理、样品的不均匀性、样品运输中的扰动、试验方法的缺陷以及试验人员水平的差异都会对试验数据产生影响。岩土工程土工试验过程中，经常会遇到一些试验数据与理论数据有较大偏差甚至错误的情况，下面对这些问题产生的原因进行分析。

1饱和度Sr大于100%

饱和度Sr的定义为土在天然状态下，土中水的体积占土中孔隙体积的百分比。故孔隙中充满水时Sr为100%，孔隙中没有水时，Sr为0。因此，通过试验计算得出的饱和度，应该都小于100%，但是平时试验所得的数据中，偶尔还是会出现饱和度大于100%的情况。

饱和度的计算公式为

(1)

影响饱和度的因素主要有含水量、天然密度、颗粒密度这三个因素。根据平时的经验，不含有机质的土样，不同土样的颗粒密度变化较小，均在2.65～2.74之间，对饱和度的影响很小。而对于一般的土样来说，含水量ω是最容易变化的，不同的土有不同的含水量。样品不均匀性、土层的埋深不同、取样不标准不合理、土样在运输和存放期间的保管等，都会影响含水量的准确性。土的天然密度虽然也是一个变化的量，但对于某一种土样来说，它的值较稳定且容易测量准确；一般来说，平行测定超过允许范围的原因主要是土样不均造成的，所以含水量的测定是否准确对饱和度值影响最大。在试验过程中，对于出现Sr>100%的情况时，首先要对含水量的测取进行分析，主要应注意以下几点：

①在制样开始的时候，要对岩土名称、土样的颜色、矿物组成、软硬程度、均匀与否进行大概的判断，做到心中有数，对于土样的物理力学性质做出初步估计，使试验数据更具有代表性。

②制样时，环刀直上直下，切除多余的土，试样与环刀壁不得留有空隙。平行测定的差值应符合相应的规范要求。

③对于结果中出现饱和度>100%的现象，要从天然含水量、天然密度、颗粒密度方面进行综合考虑，根据开土记录，在上述指标中选择能够反映土样实际情况的数据。

2回弹指数Cs为0或负值

实际工作中，需要对地基土进行回弹试验，测定回弹指数，用于模拟工程的实际受力状态。即先加荷至所取深度的自重压力，以模拟恢复原有土试样的应力状态，然后开始卸荷，使卸荷压力相当于开挖土重所减少的附加压力，再分级加荷至自重压力与附加压力之和段。用取样深度的自重压力至基坑开挖卸荷土重的压力段(即图1中bc段)计算回弹指数Cs。

图1　回弹试验

(2)

土的受荷应变包括弹性应变和塑性应变两个部分，卸荷后弹性应变部分能够恢复，塑性应变部分不能恢复。因此，在回弹试验中，受压土样表现为卸荷后部分回弹，但又不能回弹到加荷前的试样高度。由于卸荷作用孔隙比相应有所增大，其形成的曲线(图1中的bc段)称为回弹曲线，卸荷后再加荷的曲线(图中的bc)称为再压缩曲线，回弹曲线与再压缩曲线所闭合的部分称为滞回圈。从理论上来讲，滞回圈的轴线应该呈“”的趋势。但是在实际工作中，会发现相反的情况，也就是出现回弹指数为0或负值。由公式(2)可以看出，其原因是孔隙比的增量为0或负数。产生这种问题的原因是多方面的，除去一部分土样本身回弹量较小以外，大部分原因还是属于操作问题，主要应注意以下几点。

(1)开、取土样对试验的影响

固结试验就是通过对土样的室内试验，为实际工程中土层的结构分析提供基本参数。因此，土样要尽可能与实际的土层保持一致。在取样过程中，应尽可能减少或者减轻对土样原状结构的破坏，环刀要定期检查校核，卷边变形有缺口、高度不符合要求时应停止使用。用环刀取样时，要注意均匀用力，垂直下压。

(2)仪器设备对试验的影响

试验所使用的固结仪必须符合国家标准，定期校核，安排专人进行日常维护、保养。

仪器容易出现问题：杠杆式固结仪的杠杆不够灵活，出力精度差，刀口钝滞；铜制导环、护环腐蚀发绿甚至变形；承压板顶的钢珠生锈；透水石长期使用不清洗，孔隙堵塞；百分表或传感器的表杆不灵活；气压固结仪密封件质量不过硬，存在漏气现象，压力不稳定。

(3)操作过程的影响

装样时土盒盖未与试样充分接触。

对于饱和试验，施加第一级压力后应立即向水槽中注水浸没试样；非饱和试验，须用湿棉纱围住加压板周围，然后按规定逐级施加荷载。

采用杠杆式固结仪时，加荷及卸荷时要轻缓，尽量避免增减砝码时的振动对试验数据的影响。

3前期固结压力测定

前期固结压力Pc是指土层历史上曾受到过的最大有效应力，是判断地基土层所处固结状态的重要指标。前期固结压力通过高压固结试验来测定，室内试验通常采用卡萨格兰德(Casagrande)经验作图法求前期固结压力(如图2)，在e-lgP曲线拐弯处找到曲率半径最小的点A，过A点作水平线A1和切线A2；作∠1A2的角平分线A3，与e-lgP曲线直线段的延长线交于B点，B点所对应的有效应力即为前期固结压力。试验过程中有时会发现e-lgP曲线没有明显的转折段，难以确定Pc，不能完全反映土体实际所受过的上覆压力情况。主要原因有以下几点。

图2　固结压力测定

(1)试验条件

土样的扰动程度是影响前期固结应力Pc的主要因素，扰动会模糊土的应力历史。因此，在钻样取样过程中一定要保持土的原状性，宜采用大口径的薄壁取土器，运输过程中避免扰动。开土时要注意环刀直上直下，均匀受力，选取有代表性的土样，尽量保持原状。

要保证固结仪使用正常，在装样、加荷的过程中避免对试样的扰动。

(2)加荷率

加荷率即后一级荷重和前一级荷重的差数与前一级荷重的比值，即(Pi+1-Pi)/Pi。加荷率对试样的压缩量有明显影响，一般来说，加荷率小，沉降量小；加荷率大，沉降量大。过大的加荷率会引起试样结构的触变破坏，产生较大的沉降量，得出偏小的Pc值，这一点对于高塑性的软黏土尤为突出。试验过程中，要根据工程实际情况和土质条件合理确定加荷率，在土的自重压力P0前，加荷率要尽量小一些；超过P0，可适当增大；对软土，加荷率应小一些，在接近P0前后，加荷等级可适当加密，利于e-lgP曲线上找到确切的拐点。

(3)固结时间

土体前期固结压力Pc值不仅受历史上最大竖向有效应力的影响，还与土体次固结有关。黏性土的变形主要包括主固结和次固结，试样的变形稳定时间取决于它的透水性和流变性。黏性越大，固结稳定时间越长，稳定时间越长，次固结量越大，得到的Pc偏小，采用快速法要比24 h稳定测得的Pc大。因此，高压固结试验不适合采用快速法然后进行修正，宜采用24 h固结时间作为稳定标准。

卡式经验作图法要求开土质量较高。绘制e-lgP曲线时还应注意选取合适的比例，结合现场的调查资料，经综合分析确定。

4结束语

土工试验是岩土工程勘察设计的基础性工作，其测试结果的准确性和可靠性直接影响工程质量和使用安全。由于土体自身的复杂性，在取样和试验过程中存在测试方法、仪器设备、人员素质等多种因素的差异。因此，要特别重视可疑数据，对测试结果进行综合分析，确保土工试验报告的真实性和合理性，为工程设计提供准确数据。

参考文献

[1]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，2004

[2]TB10102—2010铁路工程土工试验规程[S]

[3]GB/T 50021—2001岩土工程勘察规范[S]

[4]曹晓娟.室内确定地基土前期固结压力的试验方法及试验要点的探讨[J].铁道勘察，2007(3)

[5]唐炫，魏丽敏，胡海军.不同固结度下软土的力学特性[J].铁道勘察，2009(4)

中图分类号：TU411

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)01-0078-03