岩土工程试验技术在岩土勘察中的应用

2023-11-07李雪梅

工程建设与设计 2023年19期

关键词：十字岩土剪切

李雪梅

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 岩土勘察技术的概念

岩土勘察技术主要是运用各种勘察手段、技术方法，查明岩土工程施工场地可能出现的岩土工程问题，如场地地质构造、岩性以及地层厚度、水文地质条件、地面及物理地质现象等，为场地地基处理提供依据的技术[1]。

2 岩土工程中岩土勘察的重要性

2.1 揭露不良地质问题

在岩土工程中，岩土类型、规模对施工建设具有不同程度的影响。科学开展岩土勘察，可以及时揭露不良地质问题，明确现有地质条件对工程建设造成的影响，确保基础处理规范，避免上部构造受损[2]。

2.2 辅助设计施工决策

在岩土工程中，岩土勘察可以根据不同阶段的要求探明场地岩土形状性质、地质条件，并结合工程设计、施工要求，输出技术性论证结果，为岩土工程基础、边坡设计与施工提供指导，辅助岩土工程建设决策，确保岩土工程设计施工作业高效开展。

3 岩土工程试验技术对岩土勘察的影响

在岩土工程勘察中，岩土室内试验是关键环节，试验技术的应用规范性对试验结果准确与否具有直接影响。岩土工程试验期间，边界条件、排水条件均可控，且应力路径可提前选定，营造均一的小应变场，获得高精度土样物理力学性质指标。但是，一旦试验技术应用不当，将导致试验结果出现偏差，直接影响岩土勘测任务完成度，进而干扰岩土工程顺利建设。比如，在试验样品采集环节，样品采集技术应用不合理，导致室内试验样品与原有状态偏差较大，影响岩土层工程状态分析结果准确性；再如，试验技术应用期间参数设置不合理，导致岩土应力（或原位观测、三轴压缩强度、点荷载强度、直剪强度试验等）测试不合格，增加岩土勘察作业负担[3]。

4 岩土工程试验技术的实践应用

4.1 岩土应力

三轴剪切试验是测定岩土抗剪强度、内聚应力的一种方法，多选择恒定围压环境，借助3 个或4 个圆柱形试样施加轴向压力，直到试样剪切破坏。根据排水条件差异，三轴剪切试验可以划分为不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪3 种。其中，不固结不排水剪主要是施加轴向偏应力、周围压力至试样剪切破坏，整个过程不允许试样排水固结；固结不排水剪主要是先施加周围压力，促使试样排水固结，再施加偏应力（不允许试样排水固结）至试样破坏；固结排水剪主要是先施加周围压力，促使试样排水固结，再施加偏应力（允许试样排水固结）至试样剪切破坏[4]。在三轴压缩强度试验技术应用时，根据需要可以选择压力室、施加周围压力系统、试验机、体积变化与孔隙压力测量系统组成的应变控制式三轴仪，同时准备分样器、击实筒、饱和器、承膜筒、橡皮膜、天平、切土器、量表等附属设备。在设备应用前，检查周围压力精度达到最大压力的±1%，测读分值为5 kPa，根据试样强度选择量力环的量程，确保最大轴向压力精度大于或等于1%。确认设备精度达到设计要求后，关闭量管阀，经充满无气水（煮沸冷却后蒸馏水）的三轴压力室向孔隙压力量测系统施加压力。在施加压力过程中开启量管阀，促使管路内气泡经量管排出，反复操作至气泡完全排出。排出气泡后，将孔隙压力阀、量管阀关闭，并借助调压筒进行压力调节，最终孔隙压力量测系统体积因数在1.5×10-5cm3/kPa 以内。

设备准备完毕后，将试样切割为圆柱形，分别为φ39.1 mm×高80 mm、φ61.8 mm×高150 mm、φ101 mm×高200 mm。若为软弱土样，在切刀盘上利用切土刀（或钢丝锯）制备土样；若为硬质土样，则在切土架上利用切土器、切土刀制备样品。将制备完毕的样品放入压力室施加20 kPa 的周围压力，促使无气泡水经试样底座进入、上部溢出，水头高度为1 m，直到流入水量、溢出水量无差异。试样饱和后，将不透水试样帽、底座不透水圆板分别放置到试样顶部、底部，承膜筒上套入乳胶膜并翻转两端吸气促使乳胶膜紧密贴合承膜筒内壁。进而安装受压室外罩，将水注满压力室并关闭排水孔，施加周围压力，单位施加标准为100 kPa、200 kPa 及300 kPa。施加周围压力的同时旋转手轮至测力环量表动作，及时将测力环量表、轴向位移量表归零。同时，启动电动机，依据每分钟应变0.5%～1.0%的速度剪切，在试样垂直应变0.4%时记录测力环读数、垂直位移量表读数。出现峰值后，进行4%±1%垂直应变，结束试验，关闭电动机、周围应力阀并拔出离合器、排气孔。以主应力差为纵坐标、轴向应变为纵坐标，了解主应力差与轴向应变关系，在存在峰值时，将曲线上主应力差峰值作为试样应力破坏点。

4.2 岩土颗粒密度

相对密度是岩土颗粒密度的表示方式之一，特指处于松弛状态砂土孔隙比与天然孔隙比之差、松弛状态砂土孔隙比与紧密状态孔隙比之差的比值，可以评价砂性土紧密程度，为建筑地基稳定性评价提供依据。首先，利用振动锤击法，敲打至试样体积不变时，进行砂性土的最大干密度试验；其次，利用漏斗法与量筒法，促使试样缓慢、均匀落入量筒内，进行砂性土的最小干密度试验。最后，计算两次测定密度差值（小于或等于0.03 g/cm3），计算公式为：

式中，D 为砂性土的相对密度；ρmax为最大干密度，g/cm3；ρmin为最小干密度，g/cm3；ρ 为要求的天然干密度，g/cm3。

此外，对于粉土、黏性土，可以利用环刀法进行测量。提前准备内径61.8 mm、高20 mm 的环刀以及最小分度值0.1 g、称量500 g 的天平。按照岩土工程勘察要求，取原状土击打密实后土样，进行土样切削，切削后称量，直接称取湿土质量，试样湿密度为湿土质量与体积的比值，精确到0.01 g/cm3。而湿土干密度则为试样湿密度、岩石含水率的1.1 倍的比值。

4.3 岩土含水率

岩土含水率试验主要用于天然状态下岩土含水率测定，可以为岩石致密程度、岩石孔隙判定提供依据。烘干法是岩土含水率试验常用方法，需要提前准备烘箱、干燥剂（硅胶、氯化钙等）、精度达到0.01 g 的天平、称量盒等。现场收集试样，岩石试样尺寸超出岩石最大颗粒的10 倍，质量超出40 g 但小于200 g。在记录试样结构、颜色后，将试样放入已烘干至恒定质量的称量盒，称量盒质量已称量。进而在烘箱内放入称量盒，在105～110 ℃恒定温度下烘干到恒定重量，时间为12～24 h。若为含结晶水岩石，则在55～65 ℃恒定温度下烘干到恒定重量，时间为24～48 h。取出称量盒冷却到室温，记录烘干后试样与称量盒总重，岩石含水率为：

式中，W 为试样含水率，%；m1为试样烘干前质量与干燥称量盒质量之和，g；m2为试样烘干后质量与干燥称量盒质量之和，g；m0为称量盒恒定质量，g。一般试样含水率变化应小于1%。

4.4 原位观测

原位观测主要是在被勘测岩土工程原有位置，不扰动、不破坏或尽可能少扰动、少破坏被测试样原有状态下，测定其性能。试验本质上是在岩土工程天然含水量、天然结构、天然应力状态下进行岩土反应与特定力学指标、物理指标的测试，可为岩土工程性质判定提供依据。原位试验包括十字板剪切试验、静力触探试验、标准贯入试验几种类型。

4.4.1 十字板剪切试验

十字板剪切试验主要是将扭矩施加到插入地基土的规定形状、尺寸的十字板板头，剪切破坏土体，促使土体内十字板头等速扭转，形成圆柱状破坏面（高为十字板头高度、直径为十字板头直径）。经测定的土体最大抗扭力矩为地基土不排水抗剪强度测试提供依据。在十字板剪切试验时，可以准备由传力系统、十字板头、加力系统、力的测量装置组成的十字板，十字板板头尺寸为高100 m×φ50 mm×厚2 mm、高150 mm×φ75 mm×3 mm。沿竖向布置试验点，相邻试验点之间距离为1 m。在各试验点插入十字板头，插入深度超出孔径的3～5 倍，静止放置2～3 min。进而依据1.5°/10 s±0.5°/10 s 的速度扭转剪切，在达到峰值强度后继续测记1 min。结束后顺时针旋转6 圈获得重塑土的不排水抗剪强度。

4.4.2 静力触探试验

静力触探试验主要是以恒定贯入速率，在土内压入圆锥探头（金属探头与土层之间呈90°），测记贯入探头所承受阻力，为土体物理力学性质判定提供依据。探头部分可以选择有效侧壁长57 mm×φ37.7 cm 的60°单桥探头，也可以选择摩擦筒侧壁面积200 cm2×摩擦筒长度179 mm×φ37.7 cm 的60°双桥探头，锥头底面积为10 cm2；贯入部分可以利用物探车，也可以利用液压传动式加压装置；贯入期间阻力测量工具为应变计，根据配套测量电路自动计数。首先，排除探头应变腔液体全部气泡；其次，确定探头应变腔饱和后，依据1.2 m/min 的贯入速度，将触探头压入土体内。在贯入深度超出30 m 时，利用测斜探头进行修正，确保深度记录误差小于触探深度±1%。最后，读取停止贯入后不同时间孔压值，确定地基土承载力。

4.4.3 标准贯入试验

标准贯入试验主要是在现场76 cm 高度自由下落63.5 kg穿心锤，促使带有小型取土筒的标准贯入器（标准规格圆筒形探头）进入土体内，根据30 cm 深锤击次数评定土体性质。标准贯入试验所需装置为穿心锤、贯入器、导向探杆等。其中，穿心锤中间部分具有穿心孔，穿心孔直径为45 mm，可以放入导向杆；贯入器由对开关、管靴两部分组成；导向杆为φ45 mm及以上无缝钢管。在标准贯入试验开展期间，利用回转钻进方式，钻入土体内，孔内水位始终超出地下水位，必要时利用套管护壁（或泥浆护壁）。钻入试验标高以下15 cm 后清除孔底残余土体，利用自动脱钩的自由落锤，平稳下落到孔位，下落速率在30 击/min 以内，同时探杆最大相对弯曲度在1‰以内。将贯入器打入土体15 min 后，等间距击打1.0～1.2 m，记录每打入10 cm 时的锤击次数，最终标准贯入试验锤击数为累计打入30 cm 的锤击数，对应实际贯入度的锤击数为50 击。标准贯入锤击数计算公式为：

式中，N 为标准贯入锤击数，击；ΔS 为50 击时实际贯入深度，cm。

根据标准贯入锤击数，可以进行土体稠度状态、变形参数、密实状态的评价。