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新时代岩土工程试验中的若干问题的探讨

2020-04-14 [258]

新时代岩土工程试验中的若干问题的探讨

苏州昱创流体科技有限公司

       随着我国基本建设的空前规模,岩土工程与试验面临着如此喜悦和极大的挑战。这对于重视岩土工程的同仁们提出新的要求。因此不断地深化改革和创新,摆在我们面前的重要任务。

大家知道特别近20年的岩土工程的需求和迅猛发展。如像雨后春笋般的高层建筑,地下工程和桥梁工程像藏龙卧虎般的露出真像,真是千姿百态、展现辉煌,但是这一切也并不说明岩土工程的步伐到此为止,而恰恰相反,我们要不断深化改革、创新,才能保持可持续的发展。

因此本文就是指出岩土工程与试验还存在不少的问题需要进一步认识。

首先是我们试验的土样是否扰动,扰动程度是多少?这将直接影响到提供参数的可靠性,而对建筑物的设计与施工安全度和经济性。为此防止土样受扰动一直作为一个重要的方面加以严格把关,并不断地加以改进。如何减少扰动?那些土样是不合格和不太合格的,或者是合格的。又是如何评价土的扰动和扰动程度。

在这里介绍一下国外学者(Schmertmann1955)早先提出按扰动指数ID和划分扰动程度。

 

一、关于试样扰动程度的评价方法

试样扰动的程度将直接影响提供参数的可靠性,这涉及建筑物设计与施工的安全度和经济性。为此,从钻探取样、运输、贮藏直至开土和试验,放置土样受扰动一直作为一个重要的方面加以严格把关,并不断的加以研究改进。但是,由于种种客观原因且影响因素较多,因此土结构的扰动仍是不可避免的。

为了减少取土扰动,现场原位测试技术得到了发展。例如现场十字板强度试验,静力触探、动力触探、标准贯入、旁压试验、深层土的螺旋板荷载试验以及动力特性原位测试等。另外,为了减少运输、贮藏等对原装结构的影响,土工试验将在现场进行。

为了评价试样的扰动程度,目前大致有三种可取的方法:如残余孔隙水压力法、不排水模量对比法和体积压缩法、其中,前两种方法比较复杂,尤其在确定理想样品参考孔隙水压力理想样品的不排水模量时都存在着一定的困难,因此,在目前试验室的条件下,一般不容易实现。后一种方法即体积压缩法比较简单,概念也比较明确,大多数试验室都能够做到。

采用体积压缩法平均试样的扰动程度。根据室内压缩试验结果,绘制成e-1gP压缩曲线如图2-6-7所示。试验方法完全按照确定先期固结压力法,然后从曲线中找出PC点,

 

2-6-7    e-1gP曲线确定扰动指数

在延伸上部曲线为21ogPC坐标为e0。做过e0o的水平线为ABB点对应于PC横坐标,那么ABC曲线为理论的野外压缩曲线,过点e0点作为AfC直线为该试样的完全扰动重塑的压缩曲线,可见,经受部分扰动的压缩曲线必然在ABCAfC曲线之间,而且在先期固结压力PC附件,对局部扰动土的压缩曲线的曲率会发生明显的变化。这是Schmertman1955)提出的 一种平均土样扰动程度的方法,其概念如图2-6-7所示,并按下式确定扰动指数ID

 

根据许多研究工作者提供的资料表明,正常固结土和超固结土由于扰动带来的影响,对于确定土的应力历史带来不少麻烦。一般认为造成扰动的因素,出了前面介绍的取样、运输、切土外,试验的加荷率也有很大的影响,因此,我们不仅提供一种评级扰动程度的方便,更重要的是希望获得较为理想的原装土样。下面由图2-6-8  2-6-12提供土的e-1gP曲线和土在不同扰动程度下带来沉降影响。

  

                                 

                                             2-6-9  超固结粘土的压缩曲线

 

2-6-10 荷重率对压缩指数的影响   图2-6-11 不同扰动程度的空隙比与压力关系曲线

 

 

 

  1. 对于土的抗剪强度的试验问题

土的抗剪强度是指土体对于外荷载作用下,产生的剪应力的极限能力。当土中某点由外力所产生的剪应力达到抗剪强度时,土体的一部分相对于另一部分移动时,便认为该点发生了剪切破坏。剪切破坏是强度的重要特点。所以强度问题是土力学和土工试验中最重要的基本内容之一。迄今为止,与强度有关的工程问题主要有下列几个方面:

土作为材料,构成的土工构筑物的稳定问题。如土坝、路堤等填方边坡及天然土坡(包括挖方边坡)等稳定问题。

土作为工程构筑物的环境问题。即土压力问题,如挡土墙地下结构的周围土体,它们的强度破坏将造成过大的对墙体的侧压力以致可能导致这些工程的工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故。

土作为建筑物地基的承载力问题。如果基础下地基土体产生整体滑动或者局部剪切区发展导致过大的甚至不均匀的基变形,都会造成上部结构的破坏或者出现影响正常使用的事故。所以土的强度测定及其原理将是土木工程的设计和验算提供理论依据和计算指标。

目前土工试验中直剪试验是大量的。从开土、切土到试验,工作量很大,而且强度也很大。这种重复性试验,在质量上很难保证,大量的试验数据可以说在设计上用得并不太多。

1、关于试验仪器问题,随着多变的工程的性质和土层不同的埋藏深度。

目前直剪仪在技术上、功能上不能满足这种现状,已经长期存在,问题至今未能得到重视。

大家知道目前直剪仪的供应商提供的直剪仪最大固结压力为400kPa,但对于埋深大于30m土样,这就不能使用了。因此,生产的直剪仪需要满足最大固结压力可达800kPa,甚至还有3200kPa高压直剪仪,这样可供高层、超高层、水利、海洋工程的岩土试验。

那么,为什么不生产中压、高压直剪试验仪呢?为什么明知不能满足试验要求,而还在利用这种50~60年代的试验仪器标准进行呢?我想请问我们编制土工试验的专家单位和教学科研单位,它们是如何解释?

在这里举个例子,例如取土为40cm深的土样,它的自重压力为320kPa左右,如果确定天然强度的固结压力是可以在300kPa左右,大家能接受。如果进行固结快剪和慢剪,则固结压力必须大于400kPa,这是一方面。第二方面,由于直剪试验无法控制排水条件。剪切过程中的孔隙水压力无法测得。国内外直剪试验在试验方法规定。直剪试验应该是慢剪,提供有效强度值。同时对于不同土性的有效剪,剪切速率也相应的改变,必须变成无级变速的试验方法。

2、关于剪切试验指标与方法

试验指标与试验方法,应该根据工程而定。例如,边坡稳定计算时,应该考虑两种情况,一种是正常的地质条件,另一种气候变化条件而定。因此试验方法和提供强度参数就不一样。对于浅基础和深基础的天然地基设计,对于桩基设计以及在动态里作用下的强度参数等等。也都需要根据工况来决定试验方法。因此强度试验仪器和方法都应该从实际出发而定,不应该一刀切。

3、关于试验的数量和子样数,据我所知,一个较大工程,取样数量和试验数量是十分可观。其实在代表性土层中取出一定的数量子样数就足够,问题是提高试验质量,这是十分关键,这种现状应予改变。

4、尤其是目前采用桩基工程和桩箱结合工程较多,那么强度试验的方法和参数如何确定?目前强度参数用在桩基工程上到底用多少呢?桩的摩擦阻力和桩端阻力与剪切试验结果又如何应用呢?据我们所知,单桩承载力基本上按规范查表计算而得,几代人修正基本上搬运抄袭而来。像这样的情况不知道规范如何修正,修正的依据。特别是如何用强度试验参数值进行验证和修正。如果不是这样,可以说试验意义不大,在这一点建议大家必须清醒认识。

5、目前所进行直剪强度试验,对于单桩的承载力计算时,没有考虑土的各向异性问题,因此需要大家注意的问题。强度试验方法和强度参数应该结合工程上应用?

 

昱创3200kPa电动直剪仪

  1. 关于三轴试验若干问题

对于三轴试验,大家认可该实验比直剪试验好得多。因为它能控制排水条件,可以测定孔隙水压力,可以计算有效应力条件下强度参数,同时它的剪切面不受固有的限制。当然还有一些问题,需要进一步统一,已达共识:

1、对于不同土性、不同工程性质,如何进行三轴试验?

2、对于不同的试验方法与取土深度、土的性质,固结压力如何施加?

3、对于高塑性、低含水量土样如何进行试验与分析?

4、反压力体变在三轴试验中应用。

5、三轴试验仪能做哪些试验?如何实现一机多用的功能?

6、土的扰动对于三轴UU试验有何影响?怎样予固结处理?

7、如何进行土的应力路径三轴试验?

 

四、关于渗透试验问题

土的渗透性与土的强度和变形特性一起,是土力学中所研究的几个主要性质。在岩土工程的各个领域里,许多课题都与土的渗透性有密切的关系。

概括来说,对于土的渗透问题的研究主要包括三个方面:

1、渗流量问题。如土坝坝身、坝基及渠道的渗流水量的估算,基坑开挖时的渗水量和排水量计算,以及水井的估算量的计算等。

2、渗透变形,或称渗透破坏。当水头过大时,就会引起土颗粒移动,从而使土工建筑物和地基变形,如地面下沉、隆起,土工建筑物的失事破坏。

3、渗流控制。当渗透量和渗透变形不能满足设计施工要求时,采用人工措施加以控制。这是一个非常重要的课题。因此提出如下问题,供大家讨论实践。

目前普遍使用的南55型渗透仪,就是建国后55年南京水利实验处进行设计制造的,随着科技的发展,我们认为该仪器现状与不足,应该如何改进与提高。

渗透系数与孔隙比关系,孔隙比与土的埋深关系。

渗透系数测定在三轴试验仪中如何进行?

不同级配土的渗透系数规律。

土的渗透变形和管涌流砂。

 

五、关于静止侧压力K0试验

静止侧压力系数K0与静止土压力计算。

当挡土墙、地下连续墙、地下建筑物、地下建筑物的侧面墙体在没有侧向位移、偏移和自身弯曲变形时,作用在其上的土压力即为静止土压力。

静止土压力,是指土体水平向的自重应力或在附加应力作用下的水平土压力为σh= K0σγ= K0γZ。其中K0为静止侧压力系数,即K0= σ31K0= Δσ3/Δσ1σ3为侧向有效应力,σ1为竖向有效应力。

静止侧压力系数K0值得大小,可根据实测结果决定。当然也可以根据地区的经验公式计算。研究证明,K0除了与土的性质、状态、密度有关外,粘性土的K0值还与土的应力历史有关。下面根据地区的经验,估算K0值。

对于无粘性土及正常的固结粘性土,

K0= 1- sinΦ

式中,Φ为土的有效内摩擦角。

对于超固结粘性土,

(K0)O.C= (K0)N.C(OCR)m

式中,(K0)O.C超固结土的K0值;(K0)N.C正常固结土的K0值;OCR超固结比;m经验系数,一般可用m= 0.41

大量地下工程在设计施工中,K0静止侧压力系数是一个设计参数,并且早就在工程上应用了。但是试验规程尚未制定,主要还未进入修订阶段。因此需要提供试验仪器标准和试验报告。

目前国内外采用的K0大致有三种形式:

1、应力控制逐级加荷法。

即在K0容器上方的传压活塞上采用杠杆加荷法,施加一个已知的垂直压力。那么土样的侧向压力由压力传感器检测。

  1. 应变控制连续法兼容应力控制的逐级加荷法。

即在K0容器传压活塞上施加一个等应变恒速控制的加荷装置。使土样在竖向恒应变速率下连续测定侧向压力装置。当然该装置也可以进行分级加荷的应力控制K0试验。

3、在三轴压力室进行K0试验,其方法在土样直径处安装一个径向应变传感器,当土样在竖向力作用下,会产生侧向应变,然后施加侧向力使土体侧向应变“0”时,由此竖向力和施加侧向水压力,已知如此反复逐级加荷,可获得侧向力与竖向力关系。

4K0容器的技术要求,土样直径Φ61.830cm2,土样高度40mm,土样与液压腔之间用乳胶膜隔开。整个液压腔内充满无气泡水,土样侧向力通过乳胶膜传递土样和液体再传递给传感器。如何获得竖向力和侧向力关系即可获得K0值,这种结构为国内通用产品。

 

六、关于土的固结试验问题

大家知道,土具有三相组成。其中气相和液相为可压缩性,因此由于土的压缩性、地基承受建筑物或构筑物的荷载之后,必然产生地基变形沉降。沉降的大小,一般取决于建筑物的重量及其荷重的分布。另一方面取决于地基土层的种类、各层土的厚度以及土的压缩性的大小。

地基基础的沉降,特别是建筑物各个基础之间由于不同的荷载或土层压缩性不同而引起的差异沉降。会使建筑物上部结构产生附加应力。影响建筑物结构的安全和正常使用。因此在进行地基设计时,必须根据建筑物情况和勘察试验结果。计算基础的可能沉降量和差异沉降,并设法将其控制在允许范围内,或采取必要措施以尽量减少地基沉降和可能给建筑物造成的危害。

因此土的压缩试验(固结试验)在土工试验中的重要位置也是显然易见。

通常的压缩实验(固结试验)所提供指标是,土的固结系数CVCH、压缩系数aV、压缩模量ES、体积压缩系数mV、压缩指数Cc、回弹指数Ce、先期固结压力PC以及超固结比OCR等。

因此,固结试验在土工试验中必不可少的试验项目和参数。

但是,提供一批代表性的试验结果,或者说提供一批真实可靠符合客观实际试验参数,还是需要同仁们对此加以重视或得到共识。

为此本文建议:

1、我们的地质钻探取样是第一关键,最好采用薄壁型大口径原状取土器;

2、土样在运输、存储、开土、切土过程中防止土样扰动;

3、通常的应力控制的固结试验包括杠杆加荷或气压加荷时,出力位移要正确稳定;

4、建议采用等应变连续加荷法确定土的压缩性指标与应力控制的逐级加荷法进行比较。笔者认为等应变控制法固结试验更贴近工程实况;

5、建议使用浮环式固结容器的试验结构,这样可以减少环刀的内侧壁摩擦一倍;

6、对于软土可以采用三轴的三向固结试验,根据排水量来计算孔隙比。三轴固结法就可以不考虑土的侧壁摩擦影响。

 

参考文献:

[1]中华人民共和国国家标准“土工试验方法标准”GB/T50123-1999

中华人民共和国水利电力部“土工试验规程”SD 128-84

[2]密度计法试验土用量规定的讨论  上海隧道工程轨道交通设计研究院  杨斌娟

[3]土质学与土力学  人民交通出版社  袁聚云等

[4]土工试验与原理  同济大学出版社  杨熙章