室内土工试验中影响土的物理力学指标的因素

【摘 要】室内土工试验是岩土工程勘察工作中的重要组成部分,笔者通过多次试验的经验的积累,在参照相关理论与规范的基础上,阐述了室内土工试验中,影响土的物理力学指标的因素,并从试样的制备、试验操作过程、试验数据的处理介绍了提高室内土工试验准确性的措施.

【关 键 词】室内土工试验；物理性指标；力学性指标；因素

室内土工试验是岩土工程勘察工作中的重要组成部分,试验数据是岩土工程勘察报告的重要依据,提供可靠的物理力学性指标参数,它们是供工程设计人员作建（构）筑物基础设计或选材的依据.由于岩土本身的不均匀性,取样运输过程中的扰动,以及试验设备和操作方法的差异,试验人员的素质不同,使得室内土工试验中测试的结果存在一定的问题.其准确性在一定程度上影响工程设计的准确性.因此,分析室内土工试验中存在的问题及对试验数据准确性的影响有着十分重要的意义.

室内土工试验主要分为两大类：物理性试验,测土在天然状态下的特性指标,如密度、比重、含水率、液缩限、颗粒级配等,对土试样进行定名,并为岩土工程师及勘察人员对地基土层序划分提供依据；力学性试验,测土在外力作用下,土体抵抗外力的能力特性指标,如抗剪强度、压缩性、渗透性等,为岩土工程师及设计人员对建筑物基础设计、基坑支护及提供可靠地持力层提供依据.

1.试样制备中应注意的问题

将土样筒按标明的上下方向放置,剥去蜡封和胶带,开启土样筒取出土样.对土样,先用钢丝锯将其圆柱土样的两端面削平,用眼观察用手按捏,描述土样的钻孔编号、取样深度、土样名称、颜色、可塑性、包含物等,查看与送样单是否相符,同时对所切土样的物理力学指标值凭经验作一个估计值,并记录.对岩样,在切样过程中也要对其颜色、矿物成分、结构构造、风化程度、岩石名称进行详细的描述,并凭经验对岩石强度进行估计.对岩土样物理力学性质的描述和估计,有利于后期数据整理时进行对比,得出符合工程实际的试验数据,同时也有助于试验人员积累经验.

2.影响土的物理性指标的因素

土的物理性质表明土的密实程度和含水状态,反映土的物质组成和结构特征.在含水量、密度、比重三个物理指标中,含水量是最容易变化的,不同的土有不同的含水量；由于各种因素,如土层的不均匀,取样不标准,土样在运输和存放期间保护不当而失水以及含有贝壳和腐殖质等等,都会影响成果的准确度.土的密度虽然也是一个变化的值,不同的土样密度值不同,但对于某一个土样来说,它的值较稳定,一般要作平行测定,如果平行测定值相差较大,主要原因是土质不均匀造成的,或是环刀变形,刮刀磨损呈凹形.因此,在试验过程中经常检查环刀,刮土刀是否符合质量要求.比重的大小决定于土的矿物成分,当粘土矿物成分较多时,比重值较大；一般砂土为2.65～2.69,粉土为2.70～2.71,粉质粘土为2.72～2.73,粘土为2.74～2.76,土粒的比重变化较小,同一地区同一类型的土基本相同.但是,当土中含有有机质时,土的比重可降到2.40以下,此时应改用中性液体测定,如煤油汽油等,并采用抽气法排气.土的液限塑限分别是细粒土处于可塑状态的上限和下限含水量,目前对土的液限塑限的测定,规程上规定土要过0.5mm筛,才能进行试验,但在实际操作中,有一些土用眼睛观察含有较多砂粒,一旦过0.5mm筛后做试验,测出的塑性指数可能很大,不能反映土的实际情况.因此,对于这种土应先采用筛分法确定砂粒含量,如果砂粒含量已达到确定该土为砂土的标准,就应该按砂土的要求来进行定名和测试其有关指标.

3.影响土的力学性指标的因素

土的固结试验是测定土体在压力作用下产生变形的过程.通过计算求得的各项压缩指标,可用来分析判别土的压缩特性和天然土层的固结状态,借以计算建筑物或构筑物的沉降量,作为设计的计算数据.影响固结试验压缩指标的因素很多,首先要控制好土样的验收和管理工作,注意观察试样是否扰动.在试验过程中,要严格按国家标准进行操作,出现问题要及时解决.如在开土的过程中,感到土是较软的或测出的液性指数较大,而测出的压缩模量较大,说明实验操作有误,或记录有误,或是仪器有较长时间没有校正,致使仪器变形量过大等,要检查各个环节.如在开土时感到土较硬而测出的压缩模量较小,则可能是所取土样中已存在扰动结构面或已进水.

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力,是土的重要力学性质指标之一.在计算承载力,评价地基稳定性以及计算挡土墙的土的压力时,都要用到土的抗剪强度指标,因此正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义.根据库伦公式可知：土的抗剪强度与法向压力、土的内摩擦角和土的粘聚力三者有关.因此,影响抗剪强度的因素可归纳为两类：（1）土的物理力学性质的影响,包括土粒的矿物成分、土颗粒形状与级配、土的原始密度、土的含水率以及土的结构等；（2）孔隙水压力的影响.

4.土的物理力学指标的相关性

土的物理性质和力学性质是紧密相关的.土的物理性质在很大程度上决定了它的力学性质,土的强度随外界环境的变化而变化,天然土体具有结构性,对扰动较为敏感,土在外力作用下的变形实质上是土粒集合体及水和气体相互作用与移动的结果.在受力条件相同的情况下,其力学性质主要取决于土的物质成分结构和构造特点及密度与含水量等,其压缩曲线的形状与土样的成分结构和构造以及密度与含水量等有关.

当所有的试验指标出来后,根据指标之间的相关性对实测指标进行分析,对不符合规律和不符合实际情况的各指标作适当调整或必要时应重新补充试验.如土粒比重Gs决定于土的矿物成分,当粘土矿物含量较多时,其值越大；而塑性指数Ip的大小与土中结合水的含量有关,粘土矿物越多,可能形成的结合水含量越高,Ip值就越大,即土中粘土矿物含量较多时,Gs和Ip值均较大,Ip与Gs正相关.土的塑性指数Ip与抗剪强度也有一定的相关性,对同一类土,Ip越小,内摩擦角值越大,即Ip与负相关.含水率对土的力学指标的影响最为明显,一般情况下,同一类土,含水率越大,压缩模量Es内摩擦角粘聚力越小,反之亦然.

5.结语

近年来,工程任务重,且时间较紧,土工试验室大多忙于试验进度,且试验室缺少必要的专业技术人员,很少对工程进行分析总结,不利于试验室技术水平的提高.土工试验数据作为工程勘察报告的重要依据,也是工程建设、设计的重要参数,土工试验测试结果的准确程度与否,直接影响着工程质量和使用安全.当然,由于土体自身存在的复杂性,在试验结果中,经常出现一些异常现象,这就需要本着实事求是的态度,将土的物理和力学性质紧密结合起来,进行数理统计分析,并对可疑数据进行综合分析,查找原因,采取补救措施.最终提交合理准确的土工试验报告.