新時代巖土工程試驗中若干問題的探討

蘇州昱創(chuàng)流體科技有限公司  

         隨著我國基本建設(shè)的*規(guī)模，巖土工程與試驗面臨著如此喜悅和極大的挑戰(zhàn)。這對于重視巖土工程的同仁們提出新的要求。因此不斷地深化改革和創(chuàng)新，擺在我們面前的重要任務(wù)。

      大家知道特別近20年的巖土工程的需求和迅猛發(fā)展。如像雨后春筍般的高層建筑，地下工程和橋梁工程像藏龍臥虎般的露出真像，真是千姿百態(tài)、展現(xiàn)輝煌，但是這一切也并不說明巖土工程的步伐到此為止，而恰恰相反，我們要不斷深化改革、創(chuàng)新，才能保持可持續(xù)的發(fā)展。

         因此本文就是指出巖土工程與試驗還存在不少的問題需要進一步認(rèn)識。

         首先是我們試驗的土樣是否擾動，擾動程度是多少？這將直接影響到提供參數(shù)的可靠性，而對建筑物的設(shè)計與施工安全度和經(jīng)濟性。為此防止土樣受擾動一直作為一個重要的方面加以嚴(yán)格把關(guān)，并不斷地加以改進。如何減少擾動？那些土樣是不合格和不太合格的，或者是合格的。又是如何評價土的擾動和擾動程度。

在這里介紹一下國外學(xué)者（Schmertmann，1955）早先提出按擾動指數(shù)I_D和劃分?jǐn)_動程度。

一、關(guān)于試樣擾動程度的評價方法

       試樣擾動的程度將直接影響提供參數(shù)的可靠性，這涉及建筑物設(shè)計與施工的安全度和經(jīng)濟性。為此，從鉆探取樣、運輸、貯藏直至開土和試驗，放置土樣受擾動一直作為一個重要的方面加以嚴(yán)格把關(guān)，并不斷的加以研究改進。但是，由于種種客觀原因且影響因素較多，因此土結(jié)構(gòu)的擾動仍是不可避免的。

為了減少取土擾動，現(xiàn)場原位測試技術(shù)得到了發(fā)展。例如現(xiàn)場十字板強度試驗，靜力觸探、動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、旁壓試驗、深層土的螺旋板荷載試驗以及動力特性原位測試等。另外，為了減少運輸、貯藏等對原裝結(jié)構(gòu)的影響，土工試驗將在現(xiàn)場進行。

為了評價試樣的擾動程度，目前大致有三種可取的方法：如殘余孔隙水壓力法、不排水模量對比法和體積壓縮法、其中，前兩種方法比較復(fù)雜，尤其在確定“理想樣品”的“參考孔隙水壓力”或“理想樣品的不排水模量”時都存在著一定的困難，因此，在目前試驗室的條件下，一般不容易實現(xiàn)。后一種方法即體積壓縮法比較簡單，概念也比較明確，大多數(shù)試驗室都能夠做到。

采用體積壓縮法平均試樣的擾動程度。根據(jù)室內(nèi)壓縮試驗結(jié)果，繪制成e-1gP壓縮曲線如圖2-6-7所示。試驗方法*按照確定先期固結(jié)壓力法，然后從曲線中找出P_C點，

圖2-6-7    e-1gP曲線確定擾動指數(shù)

在延伸上部曲線為2倍1ogP_C坐標(biāo)為e0。做過e_0o的水平線為AB，B點對應(yīng)于P_C橫坐標(biāo)，那么ABC曲線為理論的野外壓縮曲線，過點e₀點作為AfC直線為該試樣的*擾動重塑的壓縮曲線，可見，經(jīng)受部分?jǐn)_動的壓縮曲線必然在ABC于AfC曲線之間，而且在先期固結(jié)壓力P_C附件，對局部擾動土的壓縮曲線的曲率會發(fā)生明顯的變化。這是Schmertman（1955）提出的 一種平均土樣擾動程度的方法，其概念如圖2-6-7所示，并按下式確定擾動指數(shù)I_D：

由此，根據(jù)擾動指數(shù)I_D進行分類評價如下（見下頁表）：

根據(jù)許多研究工作者提供的資料表明，正常固結(jié)土和超固結(jié)土由于擾動帶來的影響，對于確定土的應(yīng)力歷史帶來不少麻煩。一般認(rèn)為造成擾動的因素，出了前面介紹的取樣、運輸、切土外，試驗的加荷率也有很大的影響，因此，我們不僅提供一種評級擾動程度的方便，更重要的是希望獲得較為理想的原裝土樣。下面由圖2-6-8  圖2-6-12提供土的e-1gP曲線和土在不同擾動程度下帶來沉降影響。

             圖2-6-9  超固結(jié)粘土的壓縮曲線

圖2-6-10 荷重率對壓縮指數(shù)的影響   圖2-6-11 不同擾動程度的空隙比與壓力關(guān)系曲線

• 對于土的抗剪強度的試驗問題

土的抗剪強度是指土體對于外荷載作用下，產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限能力。當(dāng)土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到抗剪強度時，土體的一部分相對于另一部分移動時，便認(rèn)為該點發(fā)生了剪切破壞。剪切破壞是強度的重要特點。所以強度問題是土力學(xué)和土工試驗中重要的基本內(nèi)容之一。迄今為止，與強度有關(guān)的工程問題主要有下列幾個方面：

①土作為材料，構(gòu)成的土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定問題。如土壩、路堤等填方邊坡及天然土坡（包括挖方邊坡）等穩(wěn)定問題。

②土作為工程構(gòu)筑物的環(huán)境問題。即土壓力問題，如擋土墻地下結(jié)構(gòu)的周圍土體，它們的強度破壞將造成過大的對墻體的側(cè)壓力以致可能導(dǎo)致這些工程的工程構(gòu)筑物發(fā)生滑動、傾覆等破壞事故。

③土作為建筑物地基的承載力問題。如果基礎(chǔ)下地基土體產(chǎn)生整體滑動或者局部剪切區(qū)發(fā)展導(dǎo)致過大的甚至不均勻的基變形，都會造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或者出現(xiàn)影響正常使用的事故。所以土的強度測定及其原理將是土木工程的設(shè)計和驗算提供理論依據(jù)和計算指標(biāo)。

目前土工試驗中直剪試驗是大量的。從開土、切土到試驗，工作量很大，而且強度也很大。這種重復(fù)性試驗，在質(zhì)量上很難保證，大量的試驗數(shù)據(jù)可以說在設(shè)計上用得并不太多。

1、關(guān)于試驗儀器問題，隨著多變的工程的性質(zhì)和土層不同的埋藏深度。

目前直剪儀在技術(shù)上、功能上不能滿足這種現(xiàn)狀，已經(jīng)長期存在，問題至今未能得到重視。

大家知道目前直剪儀的供應(yīng)商提供的直剪儀大固結(jié)壓力為400kPa，但對于埋深大于30m土樣，這就不能使用了。因此，生產(chǎn)的直剪儀需要滿足大固結(jié)壓力可達800kPa，甚至還有3200kPa高壓直剪儀，這樣可供高層、超高層、水利、海洋工程的巖土試驗。

那么，為什么不生產(chǎn)中壓、高壓直剪試驗儀呢？為什么明知不能滿足試驗要求，而還在利用這種50~60年代的試驗儀器標(biāo)準(zhǔn)進行呢？我想請問我們編制土工試驗的專家單位和教學(xué)科研單位，它們是如何解釋？

在這里舉個例子，例如取土為40cm深的土樣，它的自重壓力為320kPa左右，如果確定天然強度的固結(jié)壓力是可以在300kPa左右，大家能接受。如果進行固結(jié)快剪和慢剪，則固結(jié)壓力必須大于400kPa，這是一方面。第二方面，由于直剪試驗無法控制排水條件。剪切過程中的孔隙水壓力無法測得。國內(nèi)外直剪試驗在試驗方法規(guī)定。直剪試驗應(yīng)該是慢剪，提供有效強度值。同時對于不同土性的有效剪，剪切速率也相應(yīng)的改變，必須變成無級變速的試驗方法。

2、關(guān)于剪切試驗指標(biāo)與方法

試驗指標(biāo)與試驗方法，應(yīng)該根據(jù)工程而定。例如，邊坡穩(wěn)定計算時，應(yīng)該考慮兩種情況，一種是正常的地質(zhì)條件，另一種氣候變化條件而定。因此試驗方法和提供強度參數(shù)就不一樣。對于淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)的天然地基設(shè)計，對于樁基設(shè)計以及在動態(tài)里作用下的強度參數(shù)等等。也都需要根據(jù)工況來決定試驗方法。因此強度試驗儀器和方法都應(yīng)該從實際出發(fā)而定，不應(yīng)該一刀切。

3、關(guān)于試驗的數(shù)量和子樣數(shù)，據(jù)我所知，一個較大工程，取樣數(shù)量和試驗數(shù)量是十分可觀。其實在代表性土層中取出一定的數(shù)量子樣數(shù)就足夠，問題是提高試驗質(zhì)量，這是十分關(guān)鍵，這種現(xiàn)狀應(yīng)予改變。

4、尤其是目前采用樁基工程和樁箱結(jié)合工程較多，那么強度試驗的方法和參數(shù)如何確定？目前強度參數(shù)用在樁基工程上到底用多少呢？樁的摩擦阻力和樁端阻力與剪切試驗結(jié)果又如何應(yīng)用呢？據(jù)我們所知，單樁承載力基本上按規(guī)范查表計算而得，幾代人修正基本上搬運抄襲而來。像這樣的情況不知道規(guī)范如何修正，修正的依據(jù)。特別是如何用強度試驗參數(shù)值進行驗證和修正。如果不是這樣，可以說試驗意義不大，在這一點建議大家必須清醒認(rèn)識。

5、目前所進行直剪強度試驗，對于單樁的承載力計算時，沒有考慮土的各向異性問題，因此需要大家注意的問題。強度試驗方法和強度參數(shù)應(yīng)該結(jié)合工程上應(yīng)用？

• 關(guān)于三軸試驗若干問題

對于三軸試驗，大家認(rèn)可該實驗比直剪試驗好得多。因為它能控制排水條件，可以測定孔隙水壓力，可以計算有效應(yīng)力條件下強度參數(shù)，同時它的剪切面不受固有的限制。當(dāng)然還有一些問題，需要進一步統(tǒng)一，已達共識：

1、對于不同土性、不同工程性質(zhì)，如何進行三軸試驗？

2、對于不同的試驗方法與取土深度、土的性質(zhì)，固結(jié)壓力如何施加？

3、對于高塑性、低含水量土樣如何進行試驗與分析？

4、反壓力體變在三軸試驗中應(yīng)用。

5、三軸試驗儀能做哪些試驗？如何實現(xiàn)一機多用的功能？

6、土的擾動對于三軸UU試驗有何影響？怎樣予固結(jié)處理？

7、如何進行土的應(yīng)力路徑三軸試驗？

四、關(guān)于滲透試驗問題

土的滲透性與土的強度和變形特性一起，是土力學(xué)中所研究的幾個主要性質(zhì)。在巖土工程的各個領(lǐng)域里，許多課題都與土的滲透性有密切的關(guān)系。

概括來說，對于土的滲透問題的研究主要包括三個方面：

1、滲流量問題。如土壩壩身、壩基及渠道的滲流水量的估算，基坑開挖時的滲水量和排水量計算，以及水井的估算量的計算等。

2、滲透變形，或稱滲透破壞。當(dāng)水頭過大時，就會引起土顆粒移動，從而使土工建筑物和地基變形，如地面下沉、隆起，土工建筑物的失事破壞。

3、滲流控制。當(dāng)滲透量和滲透變形不能滿足設(shè)計施工要求時，采用人工措施加以控制。這是一個非常重要的課題。因此提出如下問題，供大家討論實踐。

①目前普遍使用的南55型滲透儀，就是建國后55年南京水利實驗處進行設(shè)計制造的，隨著科技的發(fā)展，我們認(rèn)為該儀器現(xiàn)狀與不足，應(yīng)該如何改進與提高。

②滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系，孔隙比與土的埋深關(guān)系。

③滲透系數(shù)測定在三軸試驗儀中如何進行？

④不同級配土的滲透系數(shù)規(guī)律。

⑤土的滲透變形和管涌流砂。

五、關(guān)于靜止側(cè)壓力K₀試驗

靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀與靜止土壓力計算。

當(dāng)擋土墻、地下連續(xù)墻、地下建筑物、地下建筑物的側(cè)面墻體在沒有側(cè)向位移、偏移和自身彎曲變形時，作用在其上的土壓力即為靜止土壓力。

靜止土壓力，是指土體水平向的自重應(yīng)力或在附加應(yīng)力作用下的水平土壓力為σ_h= K₀σ_γ= K₀γZ。其中K₀為靜止側(cè)壓力系數(shù)，即K₀= σ₃/σ₁或K₀= Δσ₃/Δσ₁，σ₃為側(cè)向有效應(yīng)力，σ₁為豎向有效應(yīng)力。

靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀值得大小，可根據(jù)實測結(jié)果決定。當(dāng)然也可以根據(jù)地區(qū)的經(jīng)驗公式計算。研究證明，K₀除了與土的性質(zhì)、狀態(tài)、密度有關(guān)外，粘性土的K₀值還與土的應(yīng)力歷史有關(guān)。下面根據(jù)地區(qū)的經(jīng)驗，估算K₀值。

對于無粘性土及正常的固結(jié)粘性土，

K₀= 1- sinΦ^’

式中，Φ^’為土的有效內(nèi)摩擦角。

對于超固結(jié)粘性土，

(K₀)_O.C= (K₀)_N.C(OCR)^m

式中，(K₀)_O.C超固結(jié)土的K₀值；(K₀)_N.C正常固結(jié)土的K₀值；OCR超固結(jié)比；m經(jīng)驗系數(shù)，一般可用m= 0.41。

大量地下工程在設(shè)計施工中，K₀靜止側(cè)壓力系數(shù)是一個設(shè)計參數(shù)，并且早就在工程上應(yīng)用了。但是試驗規(guī)程尚未制定，主要還未進入修訂階段。因此需要提供試驗儀器標(biāo)準(zhǔn)和試驗報告。

目前國內(nèi)外采用的K₀大致有三種形式：

1、應(yīng)力控制逐級加荷法。

即在K₀容器上方的傳壓活塞上采用杠桿加荷法，施加一個已知的垂直壓力。那么土樣的側(cè)向壓力由壓力傳感器檢測。

1. 應(yīng)變控制連續(xù)法兼容應(yīng)力控制的逐級加荷法。

即在K₀容器傳壓活塞上施加一個等應(yīng)變恒速控制的加荷裝置。使土樣在豎向恒應(yīng)變速率下連續(xù)測定側(cè)向壓力裝置。當(dāng)然該裝置也可以進行分級加荷的應(yīng)力控制K₀試驗。

3、在三軸壓力室進行K₀試驗，其方法在土樣直徑處安裝一個徑向應(yīng)變傳感器，當(dāng)土樣在豎向力作用下，會產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)變，然后施加側(cè)向力使土體側(cè)向應(yīng)變“0”時，由此豎向力和施加側(cè)向水壓力，已知如此反復(fù)逐級加荷，可獲得側(cè)向力與豎向力關(guān)系。

4、K₀容器的技術(shù)要求，土樣直徑Φ61.8即30cm²，土樣高度40mm，土樣與液壓腔之間用乳膠膜隔開。整個液壓腔內(nèi)充滿無氣泡水，土樣側(cè)向力通過乳膠膜傳遞土樣和液體再傳遞給傳感器。如何獲得豎向力和側(cè)向力關(guān)系即可獲得K₀值，這種結(jié)構(gòu)為國內(nèi)通用產(chǎn)品。

六、關(guān)于土的固結(jié)試驗問題

大家知道，土具有三相組成。其中氣相和液相為可壓縮性，因此由于土的壓縮性、地基承受建筑物或構(gòu)筑物的荷載之后，必然產(chǎn)生地基變形沉降。沉降的大小，一般取決于建筑物的重量及其荷重的分布。另一方面取決于地基土層的種類、各層土的厚度以及土的壓縮性的大小。

地基基礎(chǔ)的沉降，特別是建筑物各個基礎(chǔ)之間由于不同的荷載或土層壓縮性不同而引起的差異沉降。會使建筑物上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力。影響建筑物結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。因此在進行地基設(shè)計時，必須根據(jù)建筑物情況和勘察試驗結(jié)果。計算基礎(chǔ)的可能沉降量和差異沉降，并設(shè)法將其控制在允許范圍內(nèi)，或采取必要措施以盡量減少地基沉降和可能給建筑物造成的危害。

因此土的壓縮試驗（固結(jié)試驗）在土工試驗中的重要位置也是顯然易見。

通常的壓縮實驗（固結(jié)試驗）所提供指標(biāo)是，土的固結(jié)系數(shù)C_V及C_H、壓縮系數(shù)a_V、壓縮模量E_S、體積壓縮系數(shù)m_V、壓縮指數(shù)C_c、回彈指數(shù)C_e、先期固結(jié)壓力P_C以及超固結(jié)比OCR等。

因此，固結(jié)試驗在土工試驗中*的試驗項目和參數(shù)。

但是，提供一批代表性的試驗結(jié)果，或者說提供一批真實可靠符合客觀實際試驗參數(shù)，還是需要同仁們對此加以重視或得到共識。

為此本文建議：

1、我們的地質(zhì)鉆探取樣是關(guān)鍵，需采用薄壁型大口徑原狀取土器；

2、土樣在運輸、存儲、開土、切土過程中防止土樣擾動；

3、通常的應(yīng)力控制的固結(jié)試驗包括杠桿加荷或氣壓加荷時，出力位移要正確穩(wěn)定；

4、建議采用等應(yīng)變連續(xù)加荷法確定土的壓縮性指標(biāo)與應(yīng)力控制的逐級加荷法進行比較。筆者認(rèn)為等應(yīng)變控制法固結(jié)試驗更貼近工程實況；

5、建議使用浮環(huán)式固結(jié)容器的試驗結(jié)構(gòu)，這樣可以減少環(huán)刀的內(nèi)側(cè)壁摩擦一倍；

6、對于軟土可以采用三軸的三向固結(jié)試驗，根據(jù)排水量來計算孔隙比。三軸固結(jié)法就可以不考慮土的側(cè)壁摩擦影響。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)”GB/T50123-1999’

中華人民共和國水利電力部“土工試驗規(guī)程”SD 128-84

[2]密度計法試驗土用量規(guī)定的討論  上海隧道工程軌道交通設(shè)計研究院  楊斌娟

[3]土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)  人民交通出版社  袁聚云等

[4]土工試驗與原理  同濟大學(xué)出版社  楊熙章