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摘 要: 作者在多年土工试验工作中, 对土工试验中遇到的问题进行了阐述, 对其中几个问题进行了阐述和探讨, 为工程设计提供较为准确的数据。
关键词: 土工试验 直剪试验高压固结试验
1混合土和风化岩的土工试验
由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间粒径的土称为混合土, 岩石在风化营力作用下已完全风化成土而未经搬运的则称为残积土。混合土和残积土都含有风化程度不一的粗颗粒成份, 其承载力一般采用动力触探试验或载荷试验确定。现行国标土工试验方法标准! ( GB /T50123- 1999) 未对混合土和残积土的试验方法作出明确规定, 若按一般的试验方法操作, 难免会得出不尽合理的试验结果。
1.1 液性指数
国标GB /T50123- 1999 规定, 土的液性指数计算公式如下。
式中: W—土的天然含水率(% );
Wp—土的塑限含水率(% );
W1 —土的液限含水率(% ) 。
在常规土工试验方法中, 土的天然含水率是直接用原土试验而来, 而土的液、塑限含水率是把原土烘干后通过0. 5 mm 的筛后取筛下土样试验而得。在一般的土工试验中, 粘性土的粗颗粒含量不多, 过了0.5 mm 筛后的土仍能代表原土, 但是对于一些含有粗颗粒较多的混合土和残积土来说, 仍按常规方法来求其液性指数, 试验结果就会产生较大偏差。在混合土和残积土中, 细粒的比表面积大,其矿物成份多与粗粒不同, 原土的含水率主要集中于细颗粒上, 土的塑、液限含水率主要由细颗粒决定。因此, 该类土的天然含水率应尽可能采用细颗粒 部分的天然含水率。这样试验求得的液性指数才是合理的。具体方法可以采用下式对常规试验数据进行修正。
W′= w( 1+ a)
式中: W′— 土中细颗粒的含水率;
W— 原土的含水率;
a— 原土中粗颗粒( > 0. 5 mm ) 的含量百分比。
1. 2天然密度
土的密度试验通常采用环刀法, 这種方法简单易行。由于混合土和残积土中的粗颗粒影响, 用环刀切取土样时易在土体与环刀内壁之间形成空洞和造成试样表面坑洼不平, 这样求得的密度往往偏小, 而且其离散性较大, 通常满足不了要求。因此对于该类土的密度试验, 应尽量使用大环刀切取土样, 必要时应采用蜡封法或灌砂法进行密度试验。
1.3 固结试验和剪切试验
既然混合土和残积土在切取环刀样时存在问题, 那么在室内对其进行固结试验和剪切试验也是不合理的。该类土室内试验的压缩指标一般偏差, 而剪切指标一般偏好。例如某学院, 建筑场地地表0 m ~ 10 m 范围内主要为冲洪积层, 主要成分为粉质粘土, 硬塑状态, 局部为可塑状态,物理力学性质总体较好, 但由于普遍含有5% ~ 20% 的砾石, 室内试验测得其压缩指标为高压缩性, 与其它物理力学指标及现场载荷试验结果相矛盾。
因此, 对于混合土或残积土, 其变形指标不宜采用室内试验确定, 宜采用现场载荷试验确定。对于埋藏深或现场载荷试验难以行通的情况下, 可根据标准贯入试验锤击数换算其变形模量。
E0 = 2.2N
式中: E0 — 变形模量(MPa);
N — 标贯锤击数。
1. 4 颗粒分析
大多数混合土或残积土的粗颗粒含量多, 粗颗粒一般都受到一定的风化作用, 龙其是残积土中粗颗粒风化较为强烈, 细颗粒往往附着于粗颗粒表面难以分离, 原土烘干后在使用木锥对其进行冲击时又常常将强风化的粗颗粒冲碎, 因而难以取得良好的试验结果。对于该类土的颗粒分析试验, 宜采用湿土进行试验, 在制备试样时不可锤击土样, 以免粗颗粒被击碎, 应直接筛洗湿土, 将每级筛下的土样澄清烘干后称重, 即可以取得较为实际的试验结果。
2直剪试验
直剪试验设备简单, 操作方便。在工程勘察长期普遍采用, 但其局限性也不少, 其主要局限性有以下几点。
(1) 土样的剪切面局限于下两个剪切盒之间的平面,而不是沿土样最薄弱的面剪切, 这样测得的抗剪强度理论上比实际强度偏高。
(2) 剪切过程中剪应力分布不均匀, 当试样被剪损时,从竖向来看, 靠近剪切盒边缘的应变最大, 试样中间部分应变较小。从横向来看, 试样两侧应变大, 中心区应变小。在剪切过程中垂直荷载会发生偏转, 主应力大小和方向都在不断变化应力分布变得十分复杂, 尤其是在非饱和土的直接剪切试验中这种变化表现最为突出。
(3) 试验过程中土样的剪切面逐渐减小, 但在计算抗剪强度时仍按土样的厚横截面积计算。
(4) 试验不能严格控制排水条件, 对于砂类土和粉土试验结果影响较大。
(5) 红粘土和残积土的天然抗剪强度一般都较高, 然而浸水后其强度会大幅度降低, 如果单纯以直剪试验结果评价地基往往不尽合理。
(6) 混合土和残积土中由于粗颗粒含量较多而使试验结果产生较大偏差。
(7) 对于软土的直剪试验, 其主应力不应大于软土的极限承载力, 否则会导致试样竖向剪切破坏而不能准确测得其抗剪强度。
(8) 由于试样不均匀及扰动等因素影响, 不同主应力下的试验读数往往离散性较大, 因而在进行数据处理计算时应根据实际情况进行取舍, 否则试验所得的抗剪强度指标一般难以满足分层统计要求。另外, 由于试验数据离散性大, 每组直剪试验试样不应少于四点(四种主应力状态) 。有些试验室只采用三种主应力状态进行直剪试验, 试验结果偏差较大, 当然更难以满足分层统计要求。
3高压固结试验
高压固结试验的主要目的是测定土的前期固结应力Pc,所谓前期固结应力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的固结状态的重要指标, 是土体在荷载作用下其变形及强度变化的临界指标。高压固结试验如何有效测得土样的前期固结应力, 显得尤为重要。而前期同结应力的测定, 受以下几种因素的影响较大。
3.1土样扰动
土样扰动程度是影响前期周结应力Pc 的重要因素。土样在采取和运输过程中, 应力得到释放, 室内试验制作出的试样已失去了其天然的应力环境。土样一旦受到扰动,试验得到的e—logp曲线一般没有明显的转折段, 难以确定前期固结应力, 试验确定的Pc 值一般偏小。实际工作中,深部土样容易受到扰动, 试验测得的Pc值一般偏小, 不能正确反应深部地基土固结状态, 而浅部地基土不易受扰动,测得的Pc值一般较为接近实际情况。对于要进行Pc 试验的土样, 应加强保护控制, 尽量减小其扰动程度, 以免对试验结果造成不良影响。
3.2 加荷等级
高压固结试验的加荷等级对试验影响很大, 一般来讲,荷重率越大, 越容易造成试样的触变破坏, 导致土的压缩性偏大。因此对于一些相对软弱的土, 尽可能使用较小的荷重率进行加荷, 特别是在自重压力po以前。对于一般的土层, 可采用国标规定的加荷序列。理论上讲最后一级荷载要求稳定后的孔隙比要达到0.42e0实际工作中难以做到,况且每件土样的天然孔隙比不尽一样, 因而采用同定的加荷序列是合理的。
3. 3 稳定标准
试样变形稳定的时间, 取决于它的透水性和流变性,土的粘性愈大, 达到稳定所需的时间愈长。粘性土的变形主要包括主固结和次固结, 采用不同的稳定标准得到的压缩曲线不同, 得到的试验参数也不同。荷重时间愈长, 次固结量愈大, 得到的Pc值愈小。因此采用快速法比24小时稳定测得的Pc值要大。由此看来, 高压固结试验不宜如同普通固结试验一样采用快速固结法。
3. 4作图方法
Pc值的求得通常有三种作图方法, 采用不同的作图方法得出的Pc 值不同, 应按照国标规定采用卡氏作图法。e—logp曲线纵横坐标比例选择要恰当, 不同的比例尺影响曲线的形状和曲率半径最小点的位置。如果曲线横向拉长,Rm in点左移, Pc值偏小, 如果曲线横向压缩, 曲线过高,Rm in点右移, Pe值偏大。通常情况下纵横比例采用1.5:1较为合适。
4 结束语
结合自身工作经验, 对土工试验的工作进行了较为深刻的思考, 提出了相关建议, 最后指出,是经过实践检验后较为可行的操作方式的总结。 同样笔者在工作中也遇到一些难以解决的问题, 另外对试验室的管理也要因人而异、因企业而异, 这受经济实力、人员素质等多方面的影响。总之,试验室工作是一项综合的长期性的课题, 需要广大同行积极探索、努力实践, 并认真总结经验才能不断取得进步。
参考文献:
[1]袁聚云. 土工试验与原理[ M] . 上海: 同济
[2 ] GB50021, 岩土工程勘察规范[ S ]. 2001.
[3 ] GB /T50123- 1999, 土工试验方法标准[ S] . 北京: 中国计划出版社,
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 土工试验 直剪试验高压固结试验
1混合土和风化岩的土工试验
由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间粒径的土称为混合土, 岩石在风化营力作用下已完全风化成土而未经搬运的则称为残积土。混合土和残积土都含有风化程度不一的粗颗粒成份, 其承载力一般采用动力触探试验或载荷试验确定。现行国标土工试验方法标准! ( GB /T50123- 1999) 未对混合土和残积土的试验方法作出明确规定, 若按一般的试验方法操作, 难免会得出不尽合理的试验结果。
1.1 液性指数
国标GB /T50123- 1999 规定, 土的液性指数计算公式如下。
式中: W—土的天然含水率(% );
Wp—土的塑限含水率(% );
W1 —土的液限含水率(% ) 。
在常规土工试验方法中, 土的天然含水率是直接用原土试验而来, 而土的液、塑限含水率是把原土烘干后通过0. 5 mm 的筛后取筛下土样试验而得。在一般的土工试验中, 粘性土的粗颗粒含量不多, 过了0.5 mm 筛后的土仍能代表原土, 但是对于一些含有粗颗粒较多的混合土和残积土来说, 仍按常规方法来求其液性指数, 试验结果就会产生较大偏差。在混合土和残积土中, 细粒的比表面积大,其矿物成份多与粗粒不同, 原土的含水率主要集中于细颗粒上, 土的塑、液限含水率主要由细颗粒决定。因此, 该类土的天然含水率应尽可能采用细颗粒 部分的天然含水率。这样试验求得的液性指数才是合理的。具体方法可以采用下式对常规试验数据进行修正。
W′= w( 1+ a)
式中: W′— 土中细颗粒的含水率;
W— 原土的含水率;
a— 原土中粗颗粒( > 0. 5 mm ) 的含量百分比。
1. 2天然密度
土的密度试验通常采用环刀法, 这種方法简单易行。由于混合土和残积土中的粗颗粒影响, 用环刀切取土样时易在土体与环刀内壁之间形成空洞和造成试样表面坑洼不平, 这样求得的密度往往偏小, 而且其离散性较大, 通常满足不了要求。因此对于该类土的密度试验, 应尽量使用大环刀切取土样, 必要时应采用蜡封法或灌砂法进行密度试验。
1.3 固结试验和剪切试验
既然混合土和残积土在切取环刀样时存在问题, 那么在室内对其进行固结试验和剪切试验也是不合理的。该类土室内试验的压缩指标一般偏差, 而剪切指标一般偏好。例如某学院, 建筑场地地表0 m ~ 10 m 范围内主要为冲洪积层, 主要成分为粉质粘土, 硬塑状态, 局部为可塑状态,物理力学性质总体较好, 但由于普遍含有5% ~ 20% 的砾石, 室内试验测得其压缩指标为高压缩性, 与其它物理力学指标及现场载荷试验结果相矛盾。
因此, 对于混合土或残积土, 其变形指标不宜采用室内试验确定, 宜采用现场载荷试验确定。对于埋藏深或现场载荷试验难以行通的情况下, 可根据标准贯入试验锤击数换算其变形模量。
E0 = 2.2N
式中: E0 — 变形模量(MPa);
N — 标贯锤击数。
1. 4 颗粒分析
大多数混合土或残积土的粗颗粒含量多, 粗颗粒一般都受到一定的风化作用, 龙其是残积土中粗颗粒风化较为强烈, 细颗粒往往附着于粗颗粒表面难以分离, 原土烘干后在使用木锥对其进行冲击时又常常将强风化的粗颗粒冲碎, 因而难以取得良好的试验结果。对于该类土的颗粒分析试验, 宜采用湿土进行试验, 在制备试样时不可锤击土样, 以免粗颗粒被击碎, 应直接筛洗湿土, 将每级筛下的土样澄清烘干后称重, 即可以取得较为实际的试验结果。
2直剪试验
直剪试验设备简单, 操作方便。在工程勘察长期普遍采用, 但其局限性也不少, 其主要局限性有以下几点。
(1) 土样的剪切面局限于下两个剪切盒之间的平面,而不是沿土样最薄弱的面剪切, 这样测得的抗剪强度理论上比实际强度偏高。
(2) 剪切过程中剪应力分布不均匀, 当试样被剪损时,从竖向来看, 靠近剪切盒边缘的应变最大, 试样中间部分应变较小。从横向来看, 试样两侧应变大, 中心区应变小。在剪切过程中垂直荷载会发生偏转, 主应力大小和方向都在不断变化应力分布变得十分复杂, 尤其是在非饱和土的直接剪切试验中这种变化表现最为突出。
(3) 试验过程中土样的剪切面逐渐减小, 但在计算抗剪强度时仍按土样的厚横截面积计算。
(4) 试验不能严格控制排水条件, 对于砂类土和粉土试验结果影响较大。
(5) 红粘土和残积土的天然抗剪强度一般都较高, 然而浸水后其强度会大幅度降低, 如果单纯以直剪试验结果评价地基往往不尽合理。
(6) 混合土和残积土中由于粗颗粒含量较多而使试验结果产生较大偏差。
(7) 对于软土的直剪试验, 其主应力不应大于软土的极限承载力, 否则会导致试样竖向剪切破坏而不能准确测得其抗剪强度。
(8) 由于试样不均匀及扰动等因素影响, 不同主应力下的试验读数往往离散性较大, 因而在进行数据处理计算时应根据实际情况进行取舍, 否则试验所得的抗剪强度指标一般难以满足分层统计要求。另外, 由于试验数据离散性大, 每组直剪试验试样不应少于四点(四种主应力状态) 。有些试验室只采用三种主应力状态进行直剪试验, 试验结果偏差较大, 当然更难以满足分层统计要求。
3高压固结试验
高压固结试验的主要目的是测定土的前期固结应力Pc,所谓前期固结应力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的固结状态的重要指标, 是土体在荷载作用下其变形及强度变化的临界指标。高压固结试验如何有效测得土样的前期固结应力, 显得尤为重要。而前期同结应力的测定, 受以下几种因素的影响较大。
3.1土样扰动
土样扰动程度是影响前期周结应力Pc 的重要因素。土样在采取和运输过程中, 应力得到释放, 室内试验制作出的试样已失去了其天然的应力环境。土样一旦受到扰动,试验得到的e—logp曲线一般没有明显的转折段, 难以确定前期固结应力, 试验确定的Pc 值一般偏小。实际工作中,深部土样容易受到扰动, 试验测得的Pc值一般偏小, 不能正确反应深部地基土固结状态, 而浅部地基土不易受扰动,测得的Pc值一般较为接近实际情况。对于要进行Pc 试验的土样, 应加强保护控制, 尽量减小其扰动程度, 以免对试验结果造成不良影响。
3.2 加荷等级
高压固结试验的加荷等级对试验影响很大, 一般来讲,荷重率越大, 越容易造成试样的触变破坏, 导致土的压缩性偏大。因此对于一些相对软弱的土, 尽可能使用较小的荷重率进行加荷, 特别是在自重压力po以前。对于一般的土层, 可采用国标规定的加荷序列。理论上讲最后一级荷载要求稳定后的孔隙比要达到0.42e0实际工作中难以做到,况且每件土样的天然孔隙比不尽一样, 因而采用同定的加荷序列是合理的。
3. 3 稳定标准
试样变形稳定的时间, 取决于它的透水性和流变性,土的粘性愈大, 达到稳定所需的时间愈长。粘性土的变形主要包括主固结和次固结, 采用不同的稳定标准得到的压缩曲线不同, 得到的试验参数也不同。荷重时间愈长, 次固结量愈大, 得到的Pc值愈小。因此采用快速法比24小时稳定测得的Pc值要大。由此看来, 高压固结试验不宜如同普通固结试验一样采用快速固结法。
3. 4作图方法
Pc值的求得通常有三种作图方法, 采用不同的作图方法得出的Pc 值不同, 应按照国标规定采用卡氏作图法。e—logp曲线纵横坐标比例选择要恰当, 不同的比例尺影响曲线的形状和曲率半径最小点的位置。如果曲线横向拉长,Rm in点左移, Pc值偏小, 如果曲线横向压缩, 曲线过高,Rm in点右移, Pe值偏大。通常情况下纵横比例采用1.5:1较为合适。
4 结束语
结合自身工作经验, 对土工试验的工作进行了较为深刻的思考, 提出了相关建议, 最后指出,是经过实践检验后较为可行的操作方式的总结。 同样笔者在工作中也遇到一些难以解决的问题, 另外对试验室的管理也要因人而异、因企业而异, 这受经济实力、人员素质等多方面的影响。总之,试验室工作是一项综合的长期性的课题, 需要广大同行积极探索、努力实践, 并认真总结经验才能不断取得进步。
参考文献:
[1]袁聚云. 土工试验与原理[ M] . 上海: 同济
[2 ] GB50021, 岩土工程勘察规范[ S ]. 2001.
[3 ] GB /T50123- 1999, 土工试验方法标准[ S] . 北京: 中国计划出版社,
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。