土工試驗技術在工程地質勘查中的應用

張淼

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

行業經驗表明，工程地質勘查工作是實施工程設計與施工規劃的核心前提，其對工程質量以及建設過程中的安全性影響深遠。因此，對于從業工作者而言，需要將土工試驗看作是工程地質勘查的關鍵環節，嚴格依照規范試驗操作條例以及具體的應用手段要求，合理掌控試驗方法，只有這樣才能從根本上保證最終分析試驗結果的準確性，積極推動土工試驗環節的良性發展[1]。自然界中的土層存在明顯的不均勻性，而各種外界因素的干擾，也很容易讓最終的試驗結果不夠準確，因此，工程人員需要認真梳理土工試驗的主要內容、儀器設備與試驗方法，并將這些內容與實際工程的各類影響要素相結合，全面推動工程地質勘查工作的良性發展。

1 工程地質勘查中土工試驗內容

土在自然界的分布極為廣泛，而不同區域的土質，在顆粒大小以及礦物組成層面存在巨大差異，且這種差異還會帶有明顯的不均勻性，此外，土質三相間的數量比例各不相同，加之自然土質也很容易受到周邊環境要素影響而出現成分變化，如含水量與抗剪強度等等，而這些物理與化學層面的性質變化，更顯其測量過程的復雜性。對此，為確保土工試驗結果的準確性，工程人員需要對土工試驗內容進行綜合分析，結合土工試驗工作自身特點以及各類影響要素的作用方向，加強對土質物理性質與力學性質的有效分析，進而為后續工程的施工建設創造良好的前提條件[2]。

1.1 土工試驗中的物理性質試驗分析

（1）含水量、密度與比重測量。對于土工試驗工作而言，分析土質的物理性質，其關鍵指標在于土質的含水量、密度與比重，而這三項數據指標的獲取，也有著各自獨特的辦法與手段。土質含水量測量可使用烘干法進行，而土質比重試驗工作需要采用比重瓶法獲取最終結果，土質密度測量工作可使用環刀法進行。

（2）液限與塑限試驗測量。對于土質液限與塑限測量工作，工作人員可采用液、塑限聯合測定模式，利用液、塑限聯合測定儀器，在使用中，工作人員需要將圓錐儀的圓錐結構入土深度以及對應位置的含水量建立統一的坐標關系，并依照其現行關系特性，實施塑性指數與液性指數測量。此外，液限與塑限實現工作是對地基土承載力進行分析的關鍵指標，試驗工作者應予以足夠的重視，并嚴格遵照具體的操作規范實施相應試驗。

（3）顆粒直徑分析試驗工作。土質顆粒直徑對于土質特征的影響極為明顯，而在試驗工作中，工作人員需要測定土樣內部不同直徑顆粒的百分比，土質顆粒的不均勻系數與曲率系數。此外，為保證測量結果的準確性，其過程可使用分析篩與振篩機，進而利用篩析法提高整體測量結果的可靠性與可用性[3]。

（4）土質力學性質試驗。土質力學性質試驗工作與前幾種試驗數據存在很大的關聯性，力學性質主要涵蓋土質的固結試驗與抗剪強度試驗。土質固結試驗中，工作人員需要對土樣在天然狀態下的壓縮系數、壓縮模量進行測定，其對應設備為固結儀，操作過程應采用不同的載荷施加方式與施加時間。土質固結試驗通常可分為標準固結試驗、快速固結試驗與應變控制連續加荷固結試驗，這些不同的操作模式所對應的工程場景也各不相同。土質抗剪強度試驗中，工作人員需要測定土質在外力作用下自身可承受的最大剪應力。抗剪強度試驗需使用應變控制式直剪儀與應變控制式三軸儀，這些儀器的操作也要保持在規定范疇。

1.2 土質測量試驗技術相關的理論方法

土質試驗測量工作中，每一項數據指標所對應的專業技術理論存在一定的差異，且這些數據獲取中所采用試驗操作方法也存在必然的內在關聯。土質測量試驗技術中，其壓縮性能測量技術與抗剪強度指標測量技術是最為關鍵的兩點。

（1）壓縮性能。土質的壓縮性能是指在特定外界壓力下，土質結構所表現出的壓縮模量與具體的壓縮系數。壓縮系數需要根據土質在單位作用力下孔隙比的變化進行測定，而這一變化也通常被直接應用于土質壓縮性能的判定活動之中。

（2）抗剪強度。土質的抗剪強度是一項十分關鍵的物理指標，其可體現土質的力學性質，且這一指標對于后續工程建設以及施工工藝手段的選擇十分關鍵。技術人員需測定土質在外力作用下，其剪切面單位面積可承受的最大剪應力。抗剪強度是由土質顆粒摩擦力以及膠結物與水膜分子引力產生的粘聚力共同構成，所以，行業工作者在進行抗剪強度測量時，通常采用摩爾－庫倫強度理論。

2 工程應用

近些年，伴隨著我國社會經濟體系的快速發展，資源開采量也在連年攀升，在此背景下，國內露天礦開采規模與深度正在不斷加大，開采環節存在的邊坡失穩等潛在的安全問題愈發嚴重，由此所引發的露天礦滑坡問題，更是嚴重影響行業的正常發展秩序。為解決這一問題，相關單位應在礦區施工作業前，對開采區域邊坡地質進行具體勘查，對所獲取到的樣品進行科學的土工試驗，為后續開采與作業施工提供可靠的數據支持[4]。

2.1 工程基本概況

我國新疆某露天煤礦地處阿爾泰地槽褶皺帶的東南邊緣，而礦區內部總體呈現向南傾斜，其傾斜角度處于6°至25°之間。此外，礦區內部巖石地貌為風蝕殘丘地貌，且南低北高、中間低、西高東低。依照項目保障的具體要求，技術人員需要同步完成砂土山水率、密度與比重試驗、顆粒分析試驗、壓縮試驗、直接剪切試驗與三軸剪切試驗。

2.2 試驗基礎規范

工程技術人員在對砂土物理性質與力學性質進行測量時，應嚴格參照我國相關部門最新出臺的《土工試驗方法標準》進行，并注重試驗過程中不同測量數據項所要關注的要點及注意事項，加強對數據結果精度控制以及試驗操作行為控制。

2.3 試驗所采用的方法以及對應的結果分析

（1）砂土含水率、密度與比重試驗。針對煤礦作業區域土質特征，在對砂土進行密度試驗時，工作人員采用環刀法，而在對砂土含水率進行試驗測量時則采用烘干法，實施比重測量時，則采用比重瓶法。工程人員在獲取到砂土濕密度、含水率與比重值后，可依照相關理論計算模式，得到砂土的干密度、孔隙比與飽和度。土的物理性質指標之間存在相互關聯的關系，因此，工作人員可通過分析不同數據結果，綜合分析判斷這些指標是否準確。例如，測量過程中得到的飽和度數值超過100%，那么測量時得到的含水率、密度與比重值則必然存在問題。因此通常情況下，工作人員可利用實際對比結果，調整試驗測量過程，對三項基本指標進一步確定，提高指標實驗值的準確度。

（2）砂土樣本的顆粒分析試驗過程。樣本顆粒試驗過程主要采用篩析法進行，而操作過程中需采用標準篩，其孔徑應依照需求設置為五種，從上至下分別為2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。顆粒分析試驗開始后，工程人員應依照標準篩各級上與底盤內的式樣重量，計算出小于某直徑標準線試樣的重量與試樣總重量之間的百分比，依照這一百分比，繪制出顆粒大小的分布曲線。

（3）砂土樣本的壓縮試驗。砂土樣本在進行壓縮試驗階段，工作人員所使用的壓縮試驗儀器為全自動固結儀，試樣表面積為50平方厘米，高度為2厘米，試驗過程中采用壓樣法完成試樣的制備工作。此外，根據含水率測量以及干密度測量過程得到的數值，計算出試樣制作過程所需要的砂土質量，而固結過程則要一次壓制成型，并同步采用風干法，讓樣本內部的含水量降至與天然含水量一致。樣本壓縮固結過程中，全自動固結儀，采用的加壓等級分別為50kPa，100kPa，200kPa，此外，樣本每小時變形速率應控制在0.005mm范圍。

（4）砂土樣本直接剪切抗剪強度試驗。試驗過程采用直接剪切儀，且樣本的表面積為30平方厘米，高度為2厘米，每組試驗過程需同時測量四個樣本。樣本制作過程中，需依照之前測量過程得到的含水率與干密度，計算得出試驗樣本的砂土重量，并使用固結儀一次壓縮完成，垂直壓力則需要分別采用100kPa，200kPa，300kPa，400kPa。樣本制作完成后，需要將其放置在直接剪切儀內部，并依照特定的速率進行剪切試驗過程。

（5）砂土樣本三軸剪切抗剪強度試驗。三軸剪切試驗需保證樣本固結且不排水，使用工作所采用的儀器為應變控制式三軸剪切儀，樣本的整體尺寸應保持在直徑為3.91厘米，高度為8厘米，為提高樣本制作效率，可使用前期測量工作得到的樣本，在等分后進行壓實。壓實后的樣本應進行刨毛作業，其周圍壓力施加數值分別為100kPa、200kPa，300kPa、400kPa，而剪切速率則控制在0.36m/min，并實時觀測樣本的結構變化以及軸向變形穩定[5]。

3 結語

綜上所述，土工試驗在工程勘查中的應用廣泛，尤其是在地質復雜區域作業的各類巖土工程，而試驗測量得到相關指標數據結果，亦可經過對應的分析對比，減少意外因素干擾，提高數據的準確性。土工試驗中，試驗操作很容易受到主觀因素與客觀不確定因素的干擾，進而導致最終結果存在誤差，因此，從業工作人員應加強對試驗過程的控制，注重對工程總體的分析總結，不斷提高試驗工作對工程勘查環節的正向影響，促進我國各類工程建設領域可持續健康發展。