岩土工程测试技术取土样的方法和工具探究

姜琳

[摘 要]实验室里进行土工试验以测定土的工程性质以及物理性质，其原料来自地勘，在地勘中如何取土，其方法和工具一直在发展进步。本文将讨论介绍工程中常用的取土方法和所用工具，以及土样扰动的原因及规避扰动方法。

[关键词]土样;岩土工程测试技术;扰动土;原状土

[中图分类号]TU473.16 [文献标识码]A

1 引言

岩土工程领域，面对的主要材料是土。上层建筑将荷载传到基础上，而主要由土组成的地基支承着基础，共同构筑起人类的活动空间。而对于地下建筑，土既起支承作用，同时也作为荷载的一部分覆盖在建筑之上。作为一名未来的岩土工程师，我们需要了解土的性质，这就需要我们做一系列的土工试验，其原材料就是土。但是不同的工程遇到的土千差万别，有的是卵石、砾石，有的是粗砂、中砂，有的是粉土、黏土，更多的是不同粒径组合成的土。这些土，由于级配的不同和土中水的含量的不同，表现出不同的工程性质。所以对于一个工程来说，对土进行试验，测定土的工程特性是非常重要的，这个步骤通常叫做地质勘探。为了做土工试验，需要获得工程所处位置的土，制成土样，送到实验室。通常，将土样分为以下两种：原状土和扰动土。

扰动土指的是在取样的过程中以及之后的存放、运输过程中土的天然结构或含水率发生了改变，但是仍具有代表性的土。由于天然结构、含水率的改变，有的土工试验不能用扰动土来进行，但是像颗分试验、液塑限试验、土粒比重、有机质的含量、土的分类等与土的天然结构、含水率无关的试验可以用扰动土进行;而像压缩固结、渗透性、抗剪强度等相关的试验就必须用原状土来进行，即土的天然结构、含水率等均没有改变的土。

2 钻探

为了取得地层某一深度处的土，我们首先需要进行的是钻探。钻探的方法多种多样，主要是由于地基土的种类繁多。主要的方法分螺旋钻进、冲击钻进、振动钻进、冲洗钻进几种，这里不作详述。当钻井打到地层某一特定的深度后，需要进行取样。《岩土工程勘察规范GB50021-2001》中给出了取样的工具和方法的选择。

3 取土工具及用法

用标准贯入器来获得仍具有代表性的扰动土样。通过标准贯入试验（SPT）的操作，将标准贯入器打入土体内部，土会进入到空腔中，随后我们回收试样，将取得的土样放进玻璃容器中运到实验室。这里简要介绍一下标准贯入试验获得的锤击数。考虑到锤击的效率不同、钻孔的直径不同、容器的不同、钻杆的长度不同等因素的影响，应对获得的锤击数进行修正。国外對于标贯试验技术的修正，考虑得比较周到，有的甚至包括饱和粉细砂的修正、地下水位的修正和土的上覆压力的修正。而国内长期不考虑这些修正，而着重考虑杆长的修正，规范曾给出过杆长的修正系数，最大深度是21m;但标贯试验的实际使用深度已达100m以上，已不可能采用依据牛顿碰撞理论得出的修正系数;但是过去总结的一些经验公式中，有的采用的是修正后的贯入击数，有的采用的是没有修正的贯入击数;考虑到上述情况，《岩土工程勘察规范》规定在勘察报告中只需给出标贯击数的实测值，在使用时根据不同的情况而决定是否需要加以修正。

我们有一个式子用以判断土样的扰动程度：

其中称AR为扰动比（area ratio），D0是取土器的外径，D1是取土器的内径。

当时，取得的土样可以认为是未受扰动的原状土。标准贯入器的值大概在115%左右，可以看到，扰动得非常厉害。

当遇到的土是砂土（尤其是地下水位线以下的细砂）时，土很难被容器带出来，这时可以在容器中放置一个集土器。

有关标贯试验获得标贯击数的应用，它可以用在很多经验公式中用以估计土的其他参数，这里就不详述了。

3.2 Scraper Bucket

当遇到的土层是由砂土混杂漂石组成的，那么用标准贯入取土器取样就非常困难，因为就算有集土器，粒径较大的漂石也会阻止集土器的关闭，从而使之失效。这种情况下，我们就需要侧开口式取土器来取得具有代表性的扰动土样。这种取土器的底端是封闭的，并且顶端呈圆锥形，便于打入土中;但是在他的侧边开了一个口。当通过钻杆将其打入土中之后，通过旋转，土样就被侧边的开口切入取样器中。

这种敞口式薄壁取土器，国外有时也称为谢尔贝管;用无缝钢管制成，通常用于取原状土。这种取土器的外径一般分别为50.8 mm（2 in）和76.2 mm（3 in）。例如外径为50.8 mm的谢尔贝管的内径为47.63 mm，此时扰动比：

将此取土器固定在钻杆上，通过钻杆推入土中，土样就进入到了容器中，然后再把容器拔出，就获得了土样。这种取土器虽然操作简单，但是容易产生逃土;并且土样的直径越大，花费的成本越大。

当遇到的土比较松软，或者要取样的直径超过76.2 mm（3 in）时，就会容易从敞口式的取土器中逃出。这时活塞式取土器就非常方便了。活塞式取土器又分为固定活塞式，水压固定活塞式和自由活塞式。

3.4.1 固定活塞式

在敞口式薄壁取土器内设置活塞和活塞杆，活塞杆通过取土器的顶部并经由钻杆的中空延伸至地面。活塞的作用在于下放取土器时可排开孔底浮土，上提时可隔绝土样顶端的水压和气压，防止逃土，取土质量高，成功率也高，是目前国际上公认的高质量取土器。

3.4.2 水压固定活塞式

这是针对固定活塞式操作比较繁琐的缺点而改进的型号，国外称Osterberg取土器，其用水压实现对活塞的操控，取样效果和固定活塞式一样，甚至更好，而操作较为简便。

3.4.3 自由活塞式

其与固定活塞式的不同之处在于取样时依靠土样将活塞顶起，操作比较简便，但土样易扰动，质量不及前两种。

4 扰动成因及规避方法

取样技术的关键在于将土样的扰动减少到最小，下面我们来讨论一下引起土样扰动的原因。

4.1 应力解除扰动

土在地层中时，周围有围压作用，而取样时将土从地层中取出，自然释放了原有的作用于土体上的压力，土体将产生膨胀，颗粒间会产生微小的裂缝并发展，降低了土体的强度。这种由于应力状态、应力条件的改变而产生的扰动在地质勘探中无法避免，不过可以在试验技术方面采取相应的措施来减少其影响。这也告诉我们，没有严格意义上的原状土样。

4.2 钻探扰动

在钻进时机械设备对土体会产生冲击、挤压和振动等机械作用而使土的体积发生变化，从而破坏土的结构，降低强度。对此，我们应该选择合适的工具和改进钻进方法减少对土体的扰动。如在欧美一些发达国家，已经很少采取如冲洗式钻进这种对土体产生很大扰动的钻进方式了。

4.3 取样扰动

由于取土器与土体之间存在摩擦，土体受扭并受压缩而产生扰动，扰动的大小与取土器的壁厚和刃口的角度有关。采用合理的取土器结构，并采用恰当的压入取土器的方法可以有效地减少土样的扰动。

4.4 运输扰动

在运输过程中的振动和冲击所产生的扰动，采取一定的隔振和防振措施可以减少对土样的不利影响。

4.5 贮存与试验环节的影响

从实验室的管理工作和技术要求两个方面加以改进以减少对土样的扰动。

[参考文献]

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