新時(shí)代巖土工程試驗(yàn)中的若干問題的探討

蘇州昱創(chuàng)流體科技有限公司

       隨著我國基本建設(shè)的空前規(guī)模，巖土工程與試驗(yàn)面臨著如此喜悅和極大的挑戰(zhàn)。這對(duì)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(yàn)還存在不少的問題需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

首先是我們?cè)囼?yàn)的土樣是否擾動(dòng)，擾動(dòng)程度是多少？這將直接影響到提供參數(shù)的可靠性，而對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)與施工安全度和經(jīng)濟(jì)性。為此防止土樣受擾動(dòng)一直作為一個(gè)重要的方面加以嚴(yán)格把關(guān)，并不斷地加以改進(jìn)。如何減少擾動(dòng)？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(píng)價(jià)土的擾動(dòng)和擾動(dòng)程度。

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

 

一、關(guān)于試樣擾動(dòng)程度的評(píng)價(jià)方法

試樣擾動(dòng)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(jì)與施工的安全度和經(jīng)濟(jì)性。為此，從鉆探取樣、運(yùn)輸、貯藏直至開土和試驗(yàn)，放置土樣受擾動(dòng)一直作為一個(gè)重要的方面加以嚴(yán)格把關(guān)，并不斷的加以研究改進(jìn)。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(dòng)仍是不可避免的。

為了減少取土擾動(dòng)，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(qiáng)度試驗(yàn)，靜力觸探、動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、旁壓試驗(yàn)、深層土的螺旋板荷載試驗(yàn)以及動(dòng)力特性原位測試等。另外，為了減少運(yùn)輸、貯藏等對(duì)原裝結(jié)構(gòu)的影響，土工試驗(yàn)將在現(xiàn)場進(jìn)行。

為了評(píng)價(jià)試樣的擾動(dòng)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(duì)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(shí)都存在著一定的困難，因此，在目前試驗(yàn)室的條件下，一般不容易實(shí)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(yàn)室都能夠做到。

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

 

圖2-6-7    e-1gP曲線確定擾動(dòng)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(diǎn)對(duì)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(diǎn)e₀點(diǎn)作為AfC直線為該試樣的完全擾動(dòng)重塑的壓縮曲線，可見，經(jīng)受部分?jǐn)_動(dòng)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(duì)局部擾動(dòng)土的壓縮曲線的曲率會(huì)發(fā)生明顯的變化。這是Schmertman（1955）提出的 一種平均土樣擾動(dòng)程度的方法，其概念如圖2-6-7所示，并按下式確定擾動(dòng)指數(shù)I_D：

 

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(dòng)帶來的影響，對(duì)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(dòng)的因素，出了前面介紹的取樣、運(yùn)輸、切土外，試驗(yàn)的加荷率也有很大的影響，因此，我們不僅提供一種評(píng)級(jí)擾動(dòng)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(dòng)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(duì)壓縮指數(shù)的影響   圖2-6-11 不同擾動(dòng)程度的空隙比與壓力關(guān)系曲線

 

 

 

1. 對(duì)于土的抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)問題

土的抗剪強(qiáng)度是指土體對(duì)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(diǎn)由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體的一部分相對(duì)于另一部分移動(dòng)時(shí)，便認(rèn)為該點(diǎn)發(fā)生了剪切破壞。剪切破壞是強(qiáng)度的重要特點(diǎn)。所以強(qiáng)度問題是土力學(xué)和土工試驗(yàn)中最重要的基本內(nèi)容之一。迄今為止，與強(qiáng)度有關(guān)的工程問題主要有下列幾個(gè)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(qiáng)度破壞將造成過大的對(duì)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(dòng)、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(dòng)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(huì)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(qiáng)度測定及其原理將是土木工程的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算提供理論依據(jù)和計(jì)算指標(biāo)。

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

1、關(guān)于試驗(yàn)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)商提供的直剪儀最大固結(jié)壓力為400kPa，但對(duì)于埋深大于30m土樣，這就不能使用了。因此，生產(chǎn)的直剪儀需要滿足最大固結(jié)壓力可達(dá)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(yàn)。

那么，為什么不生產(chǎn)中壓、高壓直剪試驗(yàn)儀呢？為什么明知不能滿足試驗(yàn)要求，而還在利用這種50~60年代的試驗(yàn)儀器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行呢？我想請(qǐng)問我們編制土工試驗(yàn)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(gè)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(qiáng)度的固結(jié)壓力是可以在300kPa左右，大家能接受。如果進(jìn)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(yàn)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(yàn)在試驗(yàn)方法規(guī)定。直剪試驗(yàn)應(yīng)該是慢剪，提供有效強(qiáng)度值。同時(shí)對(duì)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(jí)變速的試驗(yàn)方法。

2、關(guān)于剪切試驗(yàn)指標(biāo)與方法

試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)方法，應(yīng)該根據(jù)工程而定。例如，邊坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，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(yàn)方法和提供強(qiáng)度參數(shù)就不一樣。對(duì)于淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)的天然地基設(shè)計(jì)，對(duì)于樁基設(shè)計(jì)以及在動(dòng)態(tài)里作用下的強(qiáng)度參數(shù)等等。也都需要根據(jù)工況來決定試驗(yàn)方法。因此強(qiáng)度試驗(yàn)儀器和方法都應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)而定，不應(yīng)該一刀切。

3、關(guān)于試驗(yàn)的數(shù)量和子樣數(shù)，據(jù)我所知，一個(gè)較大工程，取樣數(shù)量和試驗(yàn)數(shù)量是十分可觀。其實(shí)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(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)的方法和參數(shù)如何確定？目前強(qiáng)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(yàn)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(jì)算而得，幾代人修正基本上搬運(yùn)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(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證和修正。如果不是這樣，可以說試驗(yàn)意義不大，在這一點(diǎn)建議大家必須清醒認(rèn)識(shí)。

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

 

昱創(chuàng)3200kPa電動(dòng)直剪儀

1. 關(guān)于三軸試驗(yàn)若干問題

對(duì)于三軸試驗(yàn)，大家認(rèn)可該實(shí)驗(yàn)比直剪試驗(yàn)好得多。因?yàn)樗芸刂婆潘畻l件，可以測定孔隙水壓力，可以計(jì)算有效應(yīng)力條件下強(qiáng)度參數(shù)，同時(shí)它的剪切面不受固有的限制。當(dāng)然還有一些問題，需要進(jìn)一步統(tǒng)一，已達(dá)共識(shí)：

1、對(duì)于不同土性、不同工程性質(zhì)，如何進(jìn)行三軸試驗(yàn)？

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

3、對(duì)于高塑性、低含水量土樣如何進(jìn)行試驗(yàn)與分析？

4、反壓力體變?cè)谌S試驗(yàn)中應(yīng)用。

5、三軸試驗(yàn)儀能做哪些試驗(yàn)？如何實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能？

6、土的擾動(dòng)對(duì)于三軸UU試驗(yàn)有何影響？怎樣予固結(jié)處理？

7、如何進(jìn)行土的應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)？

 

四、關(guān)于滲透試驗(yàn)問題

土的滲透性與土的強(qiáng)度和變形特性一起，是土力學(xué)中所研究的幾個(gè)主要性質(zhì)。在巖土工程的各個(gè)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(duì)于土的滲透問題的研究主要包括三個(gè)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(shí)的滲水量和排水量計(jì)算，以及水井的估算量的計(jì)算等。

2、滲透變形，或稱滲透破壞。當(dāng)水頭過大時(shí)，就會(huì)引起土顆粒移動(dòng)，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(jì)施工要求時(shí)，采用人工措施加以控制。這是一個(gè)非常重要的課題。因此提出如下問題，供大家討論實(shí)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(shí)驗(yàn)處進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)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(yàn)儀中如何進(jìn)行？

④不同級(jí)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(yàn)

靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀與靜止土壓力計(jì)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(shí)，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(shí)測結(jié)果決定。當(dāng)然也可以根據(jù)地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(yàn)，估算K₀值。

對(duì)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(duì)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(yàn)系數(shù)，一般可用m= 0.41。

大量地下工程在設(shè)計(jì)施工中，K₀靜止側(cè)壓力系數(shù)是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，并且早就在工程上應(yīng)用了。但是試驗(yàn)規(guī)程尚未制定，主要還未進(jìn)入修訂階段。因此需要提供試驗(yàn)儀器標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)報(bào)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(jí)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(gè)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(jí)加荷法。

即在K₀容器傳壓活塞上施加一個(gè)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(jìn)行分級(jí)加荷的應(yīng)力控制K₀試驗(yàn)。

3、在三軸壓力室進(jìn)行K₀試驗(yàn)，其方法在土樣直徑處安裝一個(gè)徑向應(yīng)變傳感器，當(dāng)土樣在豎向力作用下，會(huì)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(shí)，由此豎向力和施加側(cè)向水壓力，已知如此反復(fù)逐級(jí)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(gè)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(yàn)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(gè)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(huì)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(jìn)行地基設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)建筑物情況和勘察試驗(yàn)結(jié)果。計(jì)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(yàn)（固結(jié)試驗(yàn)）在土工試驗(yàn)中的重要位置也是顯然易見。

通常的壓縮實(shí)驗(yàn)（固結(jié)試驗(yàn)）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(yàn)在土工試驗(yàn)中必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目和參數(shù)。

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

為此本文建議：

1、我們的地質(zhì)鉆探取樣是第一關(guān)鍵，最好采用薄壁型大口徑原狀取土器；

2、土樣在運(yùn)輸、存儲(chǔ)、開土、切土過程中防止土樣擾動(dòng)；

3、通常的應(yīng)力控制的固結(jié)試驗(yàn)包括杠桿加荷或氣壓加荷時(shí)，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(jí)加荷法進(jìn)行比較。筆者認(rèn)為等應(yīng)變控制法固結(jié)試驗(yàn)更貼近工程實(shí)況；

5、建議使用浮環(huán)式固結(jié)容器的試驗(yàn)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(duì)于軟土可以采用三軸的三向固結(jié)試驗(yàn)，根據(jù)排水量來計(jì)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(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“土工試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程”SD 128-84

[2]密度計(jì)法試驗(yàn)土用量規(guī)定的討論  上海隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)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(yàn)與原理  同濟(jì)大學(xué)出版社  楊熙章