新時代巖土工程試驗中的若干問題的探討

蘇州昱創流體科技有限公司

       隨著我國基本建設的空前規模，巖土工程與試驗面臨著如此喜悅和極大的挑戰。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新，擺在我們面前的重要任務。

大家知道特別近20年的巖土工程的需求和迅猛發展。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、展現輝煌，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、創新，才能保持可持續的發展。

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的可靠性，而對建筑物的設計與施工安全度和經濟性。為此防止土樣受擾動一直作為一個重要的方面加以嚴格把關，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者（Schmertmann，1955）早先提出按擾動指數I_D和劃分擾動程度。

 

一、關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的可靠性，這涉及建筑物設計與施工的安全度和經濟性。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格把關，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，因此土結構的擾動仍是不可避免的。

為了減少取土擾動，現場原位測試技術得到了發展。例如現場十字板強度試驗，靜力觸探、動力觸探、標準貫入、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、貯藏等對原裝結構的影響，土工試驗將在現場進行。

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。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。根據室內壓縮試驗結果，繪制成e-1gP壓縮曲線如圖2-6-7所示。試驗方法完全按照確定先期固結壓力法，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

在延伸上部曲線為2倍1ogP_C坐標為e0。做過e_0o的水平線為AB，B點對應于P_C橫坐標，那么ABC曲線為理論的野外壓縮曲線，過點e₀點作為AfC直線為該試樣的完全擾動重塑的壓縮曲線，可見，經受部分擾動的壓縮曲線必然在ABC于AfC曲線之間，而且在先期固結壓力P_C附件，對局部擾動土的壓縮曲線的曲率會發生明顯的變化。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I_D：

 

根據許多研究工作者提供的資料表明，正常固結土和超固結土由于擾動帶來的影響，對于確定土的應力歷史帶來不少麻煩。一般認為造成擾動的因素，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  超固結粘土的壓縮曲線

 

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

 

 

 

1. 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，產生的剪應力的極限能力。當土中某點由外力所產生的剪應力達到抗剪強度時，土體的一部分相對于另一部分移動時，便認為該點發生了剪切破壞。剪切破壞是強度的重要特點。所以強度問題是土力學和土工試驗中最重要的基本內容之一。迄今為止，與強度有關的工程問題主要有下列幾個方面：

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

②土作為工程構筑物的環境問題。即土壓力問題，如擋土墻地下結構的周圍土體，它們的強度破壞將造成過大的對墻體的側壓力以致可能導致這些工程的工程構筑物發生滑動、傾覆等破壞事故。

③土作為建筑物地基的承載力問題。如果基礎下地基土體產生整體滑動或者局部剪切區發展導致過大的甚至不均勻的基變形，都會造成上部結構的破壞或者出現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計和驗算提供理論依據和計算指標。

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。這種重復性試驗，在質量上很難保證，大量的試驗數據可以說在設計上用得并不太多。

1、關于試驗儀器問題，隨著多變的工程的性質和土層不同的埋藏深度。

目前直剪儀在技術上、功能上不能滿足這種現狀，已經長期存在，問題至今未能得到重視。

大家知道目前直剪儀的供應商提供的直剪儀最大固結壓力為400kPa，但對于埋深大于30m土樣，這就不能使用了。因此，生產的直剪儀需要滿足最大固結壓力可達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年代的試驗儀器標準進行呢？我想請問我們編制土工試驗的專家單位和教學科研單位，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壓力是可以在300kPa左右，大家能接受。如果進行固結快剪和慢剪，則固結壓力必須大于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。國內外直剪試驗在試驗方法規定。直剪試驗應該是慢剪，提供有效強度值。同時對于不同土性的有效剪，剪切速率也相應的改變，必須變成無級變速的試驗方法。

2、關于剪切試驗指標與方法

試驗指標與試驗方法，應該根據工程而定。例如，邊坡穩定計算時，應該考慮兩種情況，一種是正常的地質條件，另一種氣候變化條件而定。因此試驗方法和提供強度參數就不一樣。對于淺基礎和深基礎的天然地基設計，對于樁基設計以及在動態里作用下的強度參數等等。也都需要根據工況來決定試驗方法。因此強度試驗儀器和方法都應該從實際出發而定，不應該一刀切。

3、關于試驗的數量和子樣數，據我所知，一個較大工程，取樣數量和試驗數量是十分可觀。其實在代表性土層中取出一定的數量子樣數就足夠，問題是提高試驗質量，這是十分關鍵，這種現狀應予改變。

4、尤其是目前采用樁基工程和樁箱結合工程較多，那么強度試驗的方法和參數如何確定？目前強度參數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果又如何應用呢？據我們所知，單樁承載力基本上按規范查表計算而得，幾代人修正基本上搬運抄襲而來。像這樣的情況不知道規范如何修正，修正的依據。特別是如何用強度試驗參數值進行驗證和修正。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應該結合工程上應用？

 

昱創3200kPa電動直剪儀

1. 關于三軸試驗若干問題

對于三軸試驗，大家認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，可以計算有效應力條件下強度參數，同時它的剪切面不受固有的限制。當然還有一些問題，需要進一步統一，已達共識：

1、對于不同土性、不同工程性質，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，固結壓力如何施加？

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用。

5、三軸試驗儀能做哪些試驗？如何實現一機多用的功能？

6、土的擾動對于三軸UU試驗有何影響？怎樣予固結處理？

7、如何進行土的應力路徑三軸試驗？

 

四、關于滲透試驗問題

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

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。當滲透量和滲透變形不能滿足設計施工要求時，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計制造的，隨著科技的發展，我們認為該儀器現狀與不足，應該如何改進與提高。

②滲透系數與孔隙比關系，孔隙比與土的埋深關系。

③滲透系數測定在三軸試驗儀中如何進行？

④不同級配土的滲透系數規律。

⑤土的滲透變形和管涌流砂。

 

五、關于靜止側壓力K₀試驗

靜止側壓力系數K₀與靜止土壓力計算。

當擋土墻、地下連續墻、地下建筑物、地下建筑物的側面墻體在沒有側向位移、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力或在附加應力作用下的水平土壓力為σ_h= K₀σ_γ= K₀γZ。其中K₀為靜止側壓力系數，即K₀= σ₃/σ₁或K₀= Δσ₃/Δσ₁，σ₃為側向有效應力，σ₁為豎向有效應力。

靜止側壓力系數K₀值得大小，可根據實測結果決定。當然也可以根據地區的經驗公式計算。研究證明，K₀除了與土的性質、狀態、密度有關外，粘性土的K₀值還與土的應力歷史有關。下面根據地區的經驗，估算K₀值。

對于無粘性土及正常的固結粘性土，

K₀= 1- sinΦ^’

式中，Φ^’為土的有效內摩擦角。

對于超固結粘性土，

(K₀)_O.C= (K₀)_N.C(OCR)^m

式中，(K₀)_O.C超固結土的K₀值；(K₀)_N.C正常固結土的K₀值；OCR超固結比；m經驗系數，一般可用m= 0.41。

大量地下工程在設計施工中，K₀靜止側壓力系數是一個設計參數，并且早就在工程上應用了。但是試驗規程尚未制定，主要還未進入修訂階段。因此需要提供試驗儀器標準和試驗報告。

目前國內外采用的K₀大致有三種形式：

1、應力控制逐級加荷法。

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。那么土樣的側向壓力由壓力傳感器檢測。

1. 應變控制連續法兼容應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變恒速控制的加荷裝置。使土樣在豎向恒應變速率下連續測定側向壓力裝置。當然該裝置也可以進行分級加荷的應力控制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變傳感器，當土樣在豎向力作用下，會產生側向應變，然后施加側向力使土體側向應變“0”時，由此豎向力和施加側向水壓力，已知如此反復逐級加荷，可獲得側向力與豎向力關系。

4、K₀容器的技術要求，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。整個液壓腔內充滿無氣泡水，土樣側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向力關系即可獲得K₀值，這種結構為國內通用產品。

 

六、關于土的固結試驗問題

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筑物的荷載之后，必然產生地基變形沉降。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。

地基基礎的沉降，特別是建筑物各個基礎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。會使建筑物上部結構產生附加應力。影響建筑物結構的安全和正常使用。因此在進行地基設計時，必須根據建筑物情況和勘察試驗結果。計算基礎的可能沉降量和差異沉降，并設法將其控制在允許范圍內，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（固結試驗）所提供指標是，土的固結系數C_V及C_H、壓縮系數a_V、壓縮模量E_S、體積壓縮系數m_V、壓縮指數C_c、回彈指數C_e、先期固結壓力P_C以及超固結比OCR等。

因此，固結試驗在土工試驗中必不可少的試驗項目和參數。

但是，提供一批代表性的試驗結果，或者說提供一批真實可靠符合客觀實際試驗參數，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、我們的地質鉆探取樣是第一關鍵，最好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、通常的應力控制的固結試驗包括杠桿加荷或氣壓加荷時，出力位移要正確穩定；

4、建議采用等應變連續加荷法確定土的壓縮性指標與應力控制的逐級加荷法進行比較。筆者認為等應變控制法固結試驗更貼近工程實況；

5、建議使用浮環式固結容器的試驗結構，這樣可以減少環刀的內側壁摩擦一倍；

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

 

參考文獻：

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

中華人民共和國水利電力部“土工試驗規程”SD 128-84

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

[3]土質學與土力學  人民交通出版社  袁聚云等

[4]土工試驗與原理  同濟大學出版社  楊熙章