土工试验数据在岩土工程勘察中的分析与应用

刘仕娇

摘要：土工试验数据采集和分析是岩土工程勘察过程中对于岩土的物理性质、力学分析、化学成分、渗透率等进行的有关实验。针对不同工程施工采用不同土工试验操作，对于土工实验存在的技术人员操作问题、仪器设备老化问题、数据采集误差问题进行研究，进一步分析土工试验数据在岩土工程勘察中的应用。

关键词：土工试验数据；岩土工程勘察；数据误差

1.引言

土工试验是进行土木工程的前提，能够为施工提供可靠的数据支持，有效防止工程建设中存在的危险事故。岩土工程勘察过程中对于施工地基的岩土成分，尤其是物理性质和力学分析，能够有效了解工程地基的承载力以及渗透性，为工程施工方案设计提供参考数据。土工实验数据相对准确，在测量技术和实验过程中需要不断改进实验方法，对于取样和仪器操作要求技术人员严格遵守实验操作，标准。

2.岩土工程勘察

岩土工程勘察（Geotechnical investigation）是工程建设对施工环境岩土进行勘察，通过各种勘察方法，按照勘察流程完成对工程场地和岩土有关性质的测量和检测，并且根据测量数据进行整理分析，编制工程资料。

岩土工程勘察应用在我国各种领域的工程建设中包括建筑工程，道路工程、管道施工、给排水系统工程、地基施工等。岩土工程勘察在工程施工中具有重要作用，影响工程施工方案的确定，是工程施工技术应用的依据，对工程整体质量有着重要影响。

岩土工程勘察主要涉及对工程地质的勘察，包括工程土壤、地质、水文情况、施工环境等的勘察。勘察过程通常包括调查和测绘、勘探，土工实验环节，采用现代测绘技术和土工实验方法，最终为工程施工获得准确科学依据。

岩土工程勘察具体实施通过工程勘察设计、勘察评估和全面勘察，遵循科学方法采用循序渐进的勘察过程完成岩土工程勘察全部工作。不同阶段勘察内容有所不同，考察设计阶段确定工程可行性，勘察评估对工程具体勘察范围进行初步勘察，为施工方案提供依据，工程施工阶段勘察保证施工顺利完成。

2.1岩土工程勘察内容

（1）工程地质勘察

根据工程项目资料对工程进行实地考察，采用测绘技术对施工范围的有关岩土性质、地质特点、岩层结构等进行勘察。通过勘察获得工程施工的地基物理性质特点。

（2）工程施工范围的地基水文情况，附近河流分布，尤其是地基地下水分布和深度，测量水文情况对地基和施工造成的影响，确定施工材料类别和施工技术。

（3）施工现场的地基承载力和岩土抗剪强度，对岩土构造和分布层度进行测量，获得岩土在施工过程中的抗震强度。

（4）对工程施工技术方案进行分析，确定具体施工技术，尤其是施工过程中的打桩、开挖的土壤承受情况等进行分析和预测。

（5）通过施工范围地下勘察，了解可能存在的各种地下障碍物，包括暗流、地下岩层等。对于埋藏不同深度的地下构造进行土壤分析和物理性质以及力学分析，根据勘察结果进一步确定工程施工的技术和应对埋藏物处理方案。

（6）根据勘察过程不同勘察结果进行数据整理和分析，结合工程项目情况完成勘察资料的编制。

2.2土工试验研究

岩土工程勘察针对各种工程施工进行勘察，大部分建筑工程施工地基以岩土构成，地基承载整个建筑物的荷载，因此对于地基的岩土工程勘察非常重要。通过地基岩土层分的物理性质和力学分析以及水质分析了解地基施工具体指标，能够确保工程施工的质量和安全。

土工试验是针对岩土有关的物理特性、力学分析、化学成分等。土工试验总体分为室内实验和施工场地实验，根据具体工程情况确定采用土工实验方法。岩土物理性试验，对于岩土内在物理性质进行测量，对岩土密度、比重、含水率、液缩限、颗粒级配进行测量，确定样品物理特性，为岩土工程有关地基土层情况提供详细实验数据。

岩土力学性试验通过对取样施加外力，获得岩土的力学性能，包括抗剪强度、土壤压缩性、土壤渗透性，通过岩土力学分析实验获得有关数据为工程地基施工技术应用中涉及地基承载力等性能提供准确指标。

工程施工地基的岩土有多种类型，根据岩土测量和取样操作情况选择室内实验或者原位实验。工程施工现场土工实验可以采用直接测试和间接测试的方法。直接测试方法有十字板剪切试验、荷载试验、旁压试验、动弹性模量试验以及抽水、压水、注水试验等。间接测试法有静、动力触探试验、标准贯入试验、同位素测定密度和含水量试验等。根据国家标准《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）规定，土工试验主要方法包括以下9种：（1）烘干法：测含水量；（2）环刀法、灌砂法：测密度；（3）比重瓶法：测土粒比重；（4）平衡锥式液限仪法、液塑限联合测定仪法：测界限含水量；（5）击实试验：测最佳含水率、最大干密度；（6）渗透试验：测渗透系数；（7）直接剪切试验：测剪切强度；（8）三轴试验、无侧限抗压强度试验：测土样力学强度；（9）固结试验：测土体固结性能。

2.3土工試验

（1）土的含水率实验

岩土含水率实验主要是粗粒土、细粒土、有机质土和冻土。对岩土含水性质进行实验分析是土工实验重要部分。

取样需要根据土质分布均匀和代表特质进行取样，不同土层采样。室内实验过程需要取样操作严格遵循标准，避免样品受到扰动，保存样品和运送过程通过专业技术人员进行操作。

（2）土的抗剪强度指标

土的抗剪强度指标包括内摩擦角φ和粘聚力c两项。这两个指标由专用的仪器进行测定。

主要仪器有：直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限压力仪和十字板剪切仪。

直接剪切试验分为应力控制式和与应变控制式两种。

应力控制式采用发码和杠杆分级加荷；

应变控制式采用手轮按一定的位移速度连续加荷，用弹性量力环上的测微计（百分表）量测位移换算剪应力。

三轴压缩试验是测试土体抗剪强度的一种较为精确的试验。在重大工程与科学研究中经常进行三轴压缩试验。国家《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）规定，甲级建筑物应采用三轴压缩试验。对于其他等级建筑物，如为可塑状粘性土与饱和度不大于0.5的粉土时，可采用直剪试验。根据三轴压缩试验过程中式样的固结条件与孔隙水压力是否消散的情况，可分为三种试验方法：不固结不排水试验，在试样施加围压之前，即将试样的排水阀关闭，在不固结的情况下即施加轴向力进行剪切。在剪切过程中排水阀始终关闭，即不排水；固结不排水试验，在施加围压时，试样充分排水固结；固结排水试验，该方法在剪切全过程中，自始至终打开排水阀，剪切速率缓慢，采用每分钟应变为0.003%～0.012%。

固结排水试验无论在施加围压或施加轴向剪切压力时，均应充分排水，使孔隙水压力完全消散。无侧限抗压强度试验，适用于饱和粘性土，相当于三轴压缩试验中围压为0时的不排水剪切试验。十字板剪切试验，一种抗剪强度试验的原位测试方法，不取原状土，在现场直接测试地基土的强度。这种方法适用于地基为软弱粘性土、取原状土样困难的条件，并可避免在软土中取样、运送及制备试样过程中受扰动影响试样成果的可靠性。

（3）土的比重实验

土工试验过程中，土的比重实验是确定岩土物理特性的重要内容。不同土层的比重差异性较大，根据具体岩土土工试验确定土层分布规律。根据取样操作和实验方法对于比重实验结果需要严格进行检测，通过软件系统预测和评估确定土层比重情况的数值范围。

（4）土的密度实验

土的密度实验从土壤颗粒、孔隙、渗透率等有关。了解土的密度进一步分析土的化学性质，对土壤构成作出恰当分析。室内土壤密度实验需要采用科学观测和测量方法，计算土质的化学函数值，通过计算机软件系统建立数据采集和分析，通过检验和排除异常值给出合适的数据结果。

（5）土的渗透试验

土质的渗透试验与含水率、化学成分、比重关联，因此采用多种数据分析和检验的方式，利用一些试验仪器测定土的渗透系数k20的试验。土的渗透试验是以达西定律为基础，根据渗透试验系统的水头变化特征分为常水头法和变水头法两种。

3.岩土工程勘察有关土工试验数据研究

3.1土工试验人员操作

土工试验项目数据获取和分析需要有关人员进行，土工试验前需要制订有关实验计划，根据具体工程项目情况确定取样方案和实验类型。土工试验需要建立有效管理，监管实验过程的人员操作规范。

土工试验取样对于实验数据有着直接影响。岩土工程勘察的土工试验环节需要确定取样现场，采取具体取样方法。岩土取样操作需要严格按照实验标准，不同地基土壤成分以及对于岩土物理性质、承载力、含水率等研究先采用初步判断确定取样范围，然后应用取样工具进行取样。取样操作对于室内实验需要充分考虑取样运输和保存过程中的扰动性，避免原地取样和实验过程出现较大误差，造成实验数据不准确。

土工试验过程中技术人员需要执行严格操作标准，采用严谨实验态度对数据进行收集和分析。

3.2计量标定国家标准

室内实验过程采用的土工仪器通用的实验标准，实验样本进行检测需要达到实验仪器标准，采用国家标定计量进行测量。有些岩土工程土工试验设备捡漏，一直沿用过去的检测方法，使得试验数据缺乏准确和可靠性。

室内实验需要建立严格的温度、湿度标准，获得检测数据的时间和方法必须达到国家实验标定计量。室内实验结合先进的计算机控制系统采集样本数据，并且应用软件输入和生成观测数据模型完成实验检测。

3.3数据存在一定误差

岩土工程勘察范围覆盖较广，土工试验的取样只能一定概率上进行统计分析，不同面积的土样物理性质和承载力有所区别，土工试验数据容易出现误差。

每个工程采样和实验方法不同，有的取样容易造成保存问题导致室内实验得到的岩土样品含水率改变或者孔隙密度改变，由于实验前为能确定样品性质是否受到扰动，实驗结果存在误差可能性难以预测。

实验数据分析中根据有关函数进行规律分析和描述，对异常数据进行处理。现场土工试验需要符合实验标准，采用规定的实验仪器完成测量。由于现场试验测量数据不够准确，可以采取多种实验方法结合提高土工试验数据精准性。

取样过程中确定不同深度的样品取样，对于多个样品进行测量实验，出现明显不符合物理规律的样品检测直接处理。

4.岩土工程勘察中土工实验数据应用

岩土工程勘察实施是为了了解工程施工环境中地基的地质情况、水质分析和岩土构造等，解决工程项目设计和施工的具体技术应用问题，确定施工过程中的岩土勘察为施工过程提供有效参照标准和数据指标。岩土工程勘察主要对工程地质进行评价、地基建设和工程施工提供有效的解决方案，研究岩土中的颗粒密度、比重、水含量、渗透率和承载力，给出合理的工程施工技术应用参考。土工试验数据通过整理和校准，应用在岩土工程勘察中能够为岩土工程项目评价和设计提供合理的数据分析。

4.1土工试验数据整理

（1）数据分析

采用不同数据分析方法根据取样进行岩土自身物理特性和力学分析等，数据整理采用土工试验的数据的土性指标主要有两种类型，一种是以水溶盐、有机质、塑限、液限、颗粒组成、土粒比重、天然含水率、天然密度等为主要类型的一般特性指标，主要作用是用来对土性进行分类和定名，以及说明岩土的物理化学特征。另一种是以岩土的渗透系数、变形模量、压缩系数、内摩擦角、粘聚力等为主要类型的主要计算指标，主要用来确定土体的稳定性、变形、强度。在室外取样的过程中，土样的保管要注意失水、日晒、风吹等影响，以免影响数据的真实性，因此在土样的运输、储存、封装的工作中应安排专门的工作人员进行防护，在长途运输土样的情况下，应将其装箱并填塞相应的缓冲物品，防止土样震动而影响实验数据的准确度。通过取样来解决土工实验数据的不确定性问题。

（2）数据校核

贝叶斯法分析实验数据以其可靠性强的优势被广泛应用到大型工程的设计指标研究中，利用土性的含水率、密度等物理性质指标，丰富工程的指标验前概率。可以有机结合不同时间阶段测得土工数据，对不同试验结果的合并问题进行更精确的处理，保证土工试验数据的合理性。

通过对土工试验数据整理和分析方法的研究，从中可以了解到对实验数据的正确处理有利于提高土工的数据的准确度，为土工的施工设计提供有效的信息数据参考。

4.2土工实验数据应用

（1）岩土含水率数据应用

通过岩土含水率实验获得土层的渗透情况分析，给出合理的岩土水质情况分析。岩土工程地表含水性质，地层水渗透性等实验数据可以为岩土工程中基坑的支护和排水措施提供数据支撑。地下水含水性质可以为施工材料的选用提供一定的参考，包括混凝土、钢筋的腐蚀情况评价。地下水位埋藏情况对于桩基施工具有重要的参考价值。

（2）岩土力学分析数据应用

根据土工实验数据中对于土壤力学分析结果确定岩土工程的抗震强度和场地类别。

5.结论

室内土工试验是岩土工程勘察工作的重要组成部分，它是进行土类定名和划分土层的重要依据，加强土工试验设备的管理和监督、加强设备仪器的保养和维护，是保证土工试验数据可靠的核心。土工试验的结果对岩土工程的施工方案和设计的精度具有重要影响，实验结果的可靠性越强，岩土工程的施工方案和工程设计就会越加科学合理。因此，加大对土工试验数据整理和分析方法的研究成为目前土工领域亟待解决的问题，对于土工的施工工程的正常运行具有重大意义。针对国内目前现状，由于這一行业的设备缺乏部门监管，多数企业和施工单位负责人意识淡薄，不愿投资改造、更新设备，致使土工设备领域更新仍任重道远，同时，这也给建筑领域的工程质量带来不同程度的安全隐患，安全重于泰山，岩土工程勘察质量心系人民群众的安全，有效监管土工设备也势在必行。

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