淺析室內(nèi)土工試驗(yàn)試樣的準(zhǔn)備、制備與飽和

強(qiáng)超

摘 要：文章闡述了室內(nèi)土工試驗(yàn)試樣準(zhǔn)備工作的重要性，詳細(xì)介紹了各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的方法、流程及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：原狀土；擾動(dòng)土；質(zhì)量；制備；飽和

1 室內(nèi)土工試驗(yàn)試樣的準(zhǔn)備、制備與飽和的重要性

隨著我國(guó)工程建設(shè)技術(shù)的飛速發(fā)展，巖土工程測(cè)試技術(shù)與水平也應(yīng)隨之提高。眾多的高層、超高層民用建筑，城市的地鐵，跨江、跨海大橋，穿越江河湖海以的隧道、高鐵等工程的興建能否做到經(jīng)濟(jì)、合理，不僅取決于工程設(shè)計(jì)的巧思妙想，還要依據(jù)其地基的巖土工程性質(zhì)。要想準(zhǔn)確掌握地基的巖土工程特性，必須首先對(duì)其地基進(jìn)行巖土工程勘察，根據(jù)勘察成果并運(yùn)用土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等的理論與方法，按相關(guān)行業(yè)規(guī)定對(duì)工程進(jìn)行系統(tǒng)性分析與研究。因此，土工試驗(yàn)是巖土工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的前期工作，也是地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作中不可缺少的中心環(huán)節(jié)。而試樣的質(zhì)量及代表性決定了土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀準(zhǔn)確性，因此試樣的準(zhǔn)備、制備與飽和是土工試驗(yàn)中不容忽視的重要環(huán)節(jié)。

2 土樣取樣的要求

2.1 數(shù)量要求：采取土樣的數(shù)量應(yīng)滿足要求進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法的需要，并應(yīng)附取土記錄及現(xiàn)場(chǎng)描述。（見表1）

表1

2.2 質(zhì)量要求

原狀土試樣的質(zhì)量決定了可進(jìn)行試驗(yàn)的內(nèi)容，《巖土工程勘察規(guī)范》中根據(jù)試樣的擾動(dòng)程度將土試樣質(zhì)量等級(jí)劃分為四級(jí)，并規(guī)定了相應(yīng)可進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容。（見表2）

表2

密度和含水率的均勻性一定程度上代表了同一組試樣間的均勻性，為了避免各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)間相互矛盾、減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，對(duì)原狀土樣規(guī)范規(guī)定同一組試樣間密度的允許差值為0.03g/cm3；對(duì)擾動(dòng)土樣同一組試樣的密度與要求控制的密度之差不得大于±0.01g/cm3，同一組試樣含水率與要求控制的含水率之差不得大于±1%。

3 試樣制備

3.1 試樣制備方法及注意事項(xiàng)

為確保試驗(yàn)成果的可靠性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，試樣制備必須做到具有統(tǒng)一制備方法和程序，土樣在試驗(yàn)前，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格程序進(jìn)行制備。擾動(dòng)土樣的制備程序包括風(fēng)干或烘干、碾散、過(guò)篩、加水拌勻靜置、擊實(shí)、飽和等；原狀土的土樣制備包括開啟，切取等。這些步驟的正確與否，都直接影響試驗(yàn)成果。

對(duì)勘察現(xiàn)場(chǎng)采取的原狀土樣應(yīng)進(jìn)行有效的密封處理，搬運(yùn)和存放過(guò)程要采取防振、防凍、防曬等措施，避免土樣的原狀結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)或破壞。試驗(yàn)前不應(yīng)開啟土樣，當(dāng)需進(jìn)行土樣鑒別等必須開啟時(shí)，應(yīng)在檢驗(yàn)后，迅速進(jìn)行密封儲(chǔ)藏，盡量減少水分流失和土樣的擾動(dòng)。

3.2 原狀土試樣制備

按照土樣筒標(biāo)明的上下方向擺放，去掉封蠟和包裹的膠帶，將土樣從土樣筒中小心取出。首先檢查土樣是否受到擾動(dòng)，然后應(yīng)描述土樣的顏色、氣味、分類名稱、有無(wú)夾層、土質(zhì)的均勻性等。為了保證試驗(yàn)成果的可靠性、土樣的試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)與其擾動(dòng)程度相對(duì)應(yīng)。

在土樣的制備過(guò)程中，為避免產(chǎn)生土樣物理與力學(xué)性指標(biāo)相互矛盾的現(xiàn)象，應(yīng)保證兩者所選取的試樣一致，且應(yīng)具有代表性。

環(huán)刀切取試樣時(shí)，應(yīng)在環(huán)刀內(nèi)壁涂抹一薄層凡士林，環(huán)刀要垂直土樣下壓，避免環(huán)刀內(nèi)的試樣層理切成與天然狀態(tài)不符，同時(shí)也避免試樣與環(huán)刀內(nèi)壁之間產(chǎn)生間隙。下壓過(guò)程中，根據(jù)試樣的軟硬用切土刀或鋼絲鋸沿環(huán)刀外側(cè)切削土樣，邊壓邊削至土樣略高出環(huán)刀，然后切平環(huán)刀兩端土樣，不得用切土刀來(lái)回多次刮涂土面，以免堵塞土樣孔隙，影響試驗(yàn)過(guò)程中的土樣中水分的排出。切取試樣時(shí)要防止擾動(dòng)。

3.3 擾動(dòng)土樣的制備

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了進(jìn)行過(guò)篩程序，篩孔大小取決于試驗(yàn)所用儀器的容器大小。試驗(yàn)研究表明：用于直剪試驗(yàn)的土樣最大顆粒粒徑不應(yīng)大于剪切盒內(nèi)徑的1/20（剪切盒內(nèi)徑為61.8mm），土樣需過(guò)2mm篩；對(duì)無(wú)側(cè)限、三軸壓縮試驗(yàn)的土樣最大顆粒粒徑與試樣直徑的比值為1/8～1/12。目前國(guó)內(nèi)三軸試驗(yàn)一般采用39.1、61.8、101mm，其試樣的允許最大粒徑為2、5、10mm；對(duì)固結(jié)試驗(yàn)的土樣最大顆粒粒徑為容器高度的1/6～1/8，國(guó)內(nèi)固結(jié)儀容器的高度為20mm，用過(guò)2mm篩的土樣是可以的。鑒于粒徑2mm為砂粒的上限，所以土樣制備中統(tǒng)一規(guī)定擾動(dòng)土樣過(guò)2mm篩進(jìn)行試樣制備。對(duì)輕型擊實(shí)試驗(yàn)的土樣過(guò)5mm篩，重型擊實(shí)試驗(yàn)的土樣，用五層擊實(shí)過(guò)20mm篩，而三層擊實(shí)40mm篩。

一般規(guī)定物理性試驗(yàn)土樣過(guò)0.5mm篩；力學(xué)性試驗(yàn)土樣過(guò)2mm篩；擊實(shí)試驗(yàn)土樣過(guò)5mm篩。

步驟：用風(fēng)干或烘干土樣制備擾動(dòng)樣，應(yīng)先將風(fēng)干或烘干的土樣放在橡皮板上用木碾碾散，并按相應(yīng)的試驗(yàn)要求過(guò)篩，測(cè)定風(fēng)干含水率。根據(jù)試驗(yàn)所需的土量與含水率，計(jì)算試樣所需的加水量，并將所需的加水量均勻噴灑在土樣上，潤(rùn)濕一晝夜，目的是使制備樣含水率均勻，達(dá)到密度的差異小。若土樣黏粒含量較高，可考慮潤(rùn)濕兩晝夜，且中間人工拌合一次。

擾動(dòng)土制樣可采用擊樣法和壓樣法：擊樣法：根據(jù)環(huán)刀容積、所要求的干密度及含水率計(jì)算所需濕土的質(zhì)量，并將土倒入固定在擊樣器上的環(huán)刀內(nèi)，擊實(shí)到所需密度。

壓樣法：將根據(jù)環(huán)刀容積、所要求的干密度及含水率計(jì)算所需濕土的質(zhì)量，并將土倒入裝在壓樣器上的環(huán)刀內(nèi)，通過(guò)活塞以靜壓力將土樣壓緊至所需密度。（如圖1）

圖1 壓樣法

4 試樣飽和

非飽和土顆粒間的孔隙逐漸被水填充的過(guò)程叫做飽和，孔隙被水全部充填時(shí)的土稱為飽和土。試樣飽和方法可根據(jù)土樣的透水性分別采用以下方法進(jìn)行。

4.1 粗粒土可在儀器上直接采用浸水法飽和。

4.2 對(duì)于滲透系數(shù)大于10-4cm/s的細(xì)粒土，可采用毛細(xì)管飽和法。其做法是：先將選用框式飽和器放入水箱內(nèi)，然后向水箱注入清水，水面不應(yīng)淹沒(méi)試樣，這樣可使土中氣體得以排出。關(guān)閉箱蓋，以防止水分蒸發(fā)，水分通過(guò)土的毛細(xì)管作用，使試樣飽和。浸水時(shí)間不少于兩晝夜。

4.3 滲透系數(shù)小于等于10-4cm/s的細(xì)粒土，可采用抽氣飽和法，選用框式或疊式飽和器和真空飽和裝置。（如圖2）

4.4 其他方法

4.4.1 試樣的二氧化碳飽和法是近年來(lái)發(fā)展的一種土樣飽和新方法。二氧化碳的密度大于空氣且易溶于水，當(dāng)二氧化碳?xì)怏w由試樣底部注入后，非飽和試樣孔隙中的空氣會(huì)從試樣頂端逐漸排出，直至充滿二氧化碳?xì)怏w，而二氧化碳在水中的溶解度遠(yuǎn)大于空氣在水中的溶解度，此時(shí)用水頭飽和法進(jìn)行試樣飽和，孔隙中的二氧化碳?xì)怏w很快溶于水形成碳酸。當(dāng)繼續(xù)水頭飽和時(shí)，在水頭壓力作用下，后滲入試樣的脫氣水將孔隙中的稀碳酸排擠出來(lái)，最后使試樣孔隙中充滿脫氣水，達(dá)到飽和的目的。

4.4.2 反壓力飽和：通常可使用帶反壓裝置的三軸儀進(jìn)行土試樣的反壓力飽和，通過(guò)增加試樣內(nèi)孔隙水壓力使孔隙氣體在壓力作用下完全溶解于水。該方法操作較為復(fù)雜，但效果較好。

飽和度的大小，對(duì)滲透試驗(yàn)，固結(jié)試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)的成果均有影響。一般認(rèn)為，飽和度大于95%即為飽和。

5 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)土工試驗(yàn)試樣的準(zhǔn)備、制備與飽和的質(zhì)量一定程度上決定了試驗(yàn)的成果質(zhì)量。不同的土試樣類別及試驗(yàn)內(nèi)容，其對(duì)試樣質(zhì)量的要求不同，制備與飽和的方法也不同，因此應(yīng)根據(jù)土試樣及試驗(yàn)內(nèi)容的不同選擇對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)備工作。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 50123-1999.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB 50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）[S].