土工试验的意义.doc
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1土工试验成果综合分析的必要性
土是地壳表层的岩石风化后产生的松散堆积物,它具有三个特性:
(1)土是松散性材料,不是连续的固体,因此,在一定程度上具有"流动性";
(2)土是三相体,是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系,不是由单一材料构成;(3)土是自然地质历史产物,非人工制造产物。
基于此,土具有不同于其它建筑材料的特征。
一般的建筑材料可由设计人员指定品种和型号,品种、型号一经确定,力学性质参数也就确定,土则不同,建(构)筑物是以天然土层作为地基,拟建地点是什么土设计人员就以该种土作为设计对象。
由于土是自然地质历史产物,各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大,土的三相间的数量比例不尽相同,而且土粒与其周围的水分又发生了复杂的物理化学作用,因此,造成了土的物理性质的复杂性;土的物理性质又在一定程度上决定了它的力学性质,不同地区的土,又有不同的变化。
土的物理性质、力学性质,相对于其它材料来说,是比较复杂的,如土的应力-应变关系是非线性的,土的变形在卸荷后一般不能完全恢复,土的强度也不是一成不变的,土对扰动还特别敏感等等。
那么,通过室内实验测出的土的性质,就存在一个是否准确的问题。
如何确定数据的准确性,以及各个指标存在那些必然的联系,对于从事土工实验的人员有很大的指导意义。
因此,有必要对土工实验的成果,相关的指标摆在一起进行分析,从中找出一些共性的特征。
鉴于此,本文结合长期实验的经验,对土的物性试验成果和土的变形、力学试验成果两大方面进行分析,从中找出规律性的东西,供实验人员参考。
2土的物性试验及实验成果的分析
2.1土的相对密度、密度、含水量实验
土的物性实验中,最常见的是土的相对密度、密度、含水量,是其中三个最基本的实验,用它们可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等指标,它们的变化,不仅影响其它指标的变化,而且将使土的一系列力学性质随之而异。
因此,准确测定他们的值,有着重要的意义。
在这三个基本指标中,土粒的相对密度是一个相对稳定的值,它决定于土的矿物成分,它的数值一般是2.6~2.8。
淤质土为1.5~1.8,有机质土为2.4~2.5。
同一地区同一类型的土的相对密度基本相同,通常可按经验数值选用(见表1)。
值得注意的是当土中含有有机质时,土的相对密度可降到2.4以下,此时应改用中性液体,如煤油、汽油甲苯和二甲苯,并采用抽气法排气。
表1土粒相对密度参考值
土的含水量,则是三个指标中最不稳定的,一则不同的土,含水量就可能不一样,而且由于各种因素,如土层的不均匀;取样不标准;取土器和筒壁的挤压;土样在运输和存放期间保护不当等等。
影响成果的准确度。
在这些影响因素中,有的属于土样客观存在,有的属于人为造成,无论属于哪种,都需要实验人员结合实际情况,克服不利因素,测出土的比较准确的含水量。
土的密度指标,虽然也是一个变化的值,不同的土样重度值不同,但对于某一个土样来说,它的值较稳定和比较容易测准的。
土的这三个指标是基础,土的其它指标也将通过换算计算出来。
计算出来的指标,有时会出现和实际明显不符的情况,如饱和度超过100%等,这就说明,原始三个指标的测定有问题,而大多数情况下,问题出在含水量和相对密度的测定上,需要对这两个指标作进一步的确定,保证这两项指标试验值的准确,从而提高其它指标的准确度。
2.2土的液限与塑限
对于工程来说,土的液限、塑限有着比较重要的实用意义。
土的塑性指数高,表示土中的胶体粘粒含量大,同时也表示粘土中可能含有蒙脱石或其它高活性的胶体粘粒较多。
因此,界限含水量,尤其是液限,能较好的反映出土的某些物理力学特性,如压缩性、胀缩性等。
而当前对土的液限、塑限的测定,存在不少问题。
其一,液限标准的确定,还处在过渡时期,即圆锥下沉10mm和17mm处为液限含水量,势必使人们对土的名称和状态产生不同程度的误解,特别是非专业人员,很难搞明白,为什么原来是一种土,而现在又是另一种土,原来处在一种状态而现在又处在另外一种状态。
其二,大多数实验人员,只受过几个月的的培训,因此,它们对于土的状态的确定并不是很明确,比如,国标中把粘性土的状态按液性指数的大小分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑,而一旦测出土的状态为坚硬或流塑,就会产生怀疑,所测土并不像想象中那么坚硬或流塑。
其实,规程中对土的状态的确定,只是在一定标准下,给土的状态定名而已,并不是人们想象中的坚硬就应该像石头一样,流塑就像水流动似的。
其三,对于塑性指数小于10的土,以前叫做轻亚粘土,而新规程称粉土。
这种土存在是否会产生液化的问题,因此,要根据工程要求,进行相关的粘粒(小于0.005mm颗粒含量)的测定。
其四,测定土的液、塑限时取标准样的问题,规程上大多规定土要过0.5mm的筛,才能进行实验。
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筛后做实验,测出的土塑性指数可能很大,不能反映土的实际情况。
因此,对于这种土最好能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,那么就不必再做液、塑限试验,反之则可进行相应的液、塑限试验确定土的名称。
实际上,有些土是处在杂土状态,无法确定名称,这种情况下,可以根据工程需要,作相应的处理。
比如,以土中粘粒为主做试验或以砂粒为主做试验,目的就是反映土的真实情况,为工程建设服务〔3〕。
2.3土的物性指标之间的对比分析
土的物性指标间是相互关联的,因此,当这些指标出来以后,可以将这些指标放到一起,进行综合的分析,从而对这些指标的准确性进行判别。
比如,在有些成果中,会出现饱和度超过100%的现象,这就说明,在某些实验数据中,存在误差或者错误,就需要根据实际情况进行调整,必要的情况下要重做实验。
再如:
本来在开土的时候,发现土是处在硬塑状态,而结果却是土处在流塑状态,这种情况,一则说明含水量测定有问题;二则可能液限、塑限结果存在误差。
大多数情况下,会是因为天然含水量不准造成土的状态确定不准。
通过一系列对物性指标间关系统一分析,使得实验成果的精度进一步提高,为工程建设提供准确的数据。
3土的力学试验及实验成果分析
3.1土的固结实验
固结实验是测定土体在压力作用下的压缩特性。
在实际工程中,由于土层的压缩,致使其上部建筑物或构筑物沿重力方向产生沉降。
如上下土层的压缩性不等,或上部建筑物荷载不一,皆可促成同一平面上的不均匀沉降。
在天然地基设计中,常需根据设计的要求,控制建筑物的沉降量;或其他各部的沉降差在某一允许范围之内,以满足使用上的要求及建筑物的安全条件。
因此,要测定土的压缩性借以计算建筑物或构筑物的沉降量,作为设计的控制数据。
除一些特殊工程要在现场做测试外,大多数实验是在室内进行的。
影响成果准确度的因素也很多,有一些是比较容易找到原因的,如:
在开土取土的过程中,感到土是较软的或测出的液性指数较低,而测出的压缩系数小,这说明实验操作有误或记录有误,要检查各个环节。
实在找不出原因采取补救措施的话,就要重新取土测试。
3.2土的抗剪强度实验
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。
抗剪强度的实验方法有多种,在实验室内常用的有直接剪切实验、三轴压缩实验和无测限抗压实验。
在现场原位测试的有十字板剪切实验、大型直接剪切实验等。
相对来说,室内实验的规律性,要比现场原位测试好得多。
虽然如此,室内实验测出的结果,有时和理论上的数据存在很大的差距。
比如,无粘性土的C值应为0,而在大多数实验中,测出的值不一定为0,这实际上也是正常的,因为在我们所测出的抗剪强度指标中,并不是说C值完全代表土的凝聚力,而Φ值也不完全代表内摩擦力,而是两者互相包含,都代表土的抗剪强度的一部分。
在有些直接剪切实验结果中,有时甚至会出现粘聚力C为负值现象,主要原因在于取标准样时,所取试样的性质相差太大所致。
也就是说不是同一种性质的土拿到一起做实验,结果自然不会符合规律。
在三轴压缩实验中,如果采用不固结不排水剪,那么从理论上讲,抗剪强度包线应为水平线,即内摩擦角Φ为0,但是实际测出的结果中,总是或多或少地存在一定倾角Φ。
造成这种现象的原因,一方面是取土质量问题,另一方面在安装试件时对土产生了一定的扰动,使土得到了不同程度的固结等原因。
但这并不能说结果是错误的,因为它反映了土中的应力分布实际情况,对于实际工程来说,有着很大的实用意义。
因此,我们在判断实验结果是否准确,不能仅从理论上确定,而要考虑多方面客观因素,结合实际分析,以期对土的受力情况有一个正确的判断。
3.3土的固结实验成果与抗剪强度之间的联系
土的压缩特性和抗剪强度有着一定的关系,利用这种关系,我们可以直观判断压缩结果和抗剪结果是否准确。
一般情况下,土的压缩性越高,压缩模量越低,而它的快剪强度则越小。
当然,在有些情况下,要求做固结快剪,那么,这种关系可能就不成立了,需要按实际测出的强度情况判断。
4物性实验成果和力学实验成果的统一对比与分析
土的物理性质和力学性质是紧密相关的。
通常情况下,土的物理性质基本上能够决定土的力学性质。
因此,在GBJ7-89中,把它们之间的关系列成表格,可以根据土的物理性质,判定土的承载力。
而在室内实验中,也可以此为依据,做一比较。
比如对于不同的密度、含水量、液、塑限的土,它的抗剪强度、压缩性质有怎样的变化,随着做实验时间的增长,慢慢可以从中找出一定的规律。
当然由于土的形式的复杂性,经常出现一些意外情况,需要我们本着实事求是的态度,保证测出结果的准确性。
如果将土的物性和力学性质统一起来,必将有利于我们对土的性质的认识,其中的规律也有待我们进一步探讨。
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