土的物理力學與工程特性指標分析

潘天有

(1.福建東辰綜合勘察院,福建 三明 365500;2.三明市建筑工程施工圖設計文件審查中心,福建 三明 365001)

自然界的土是地殼表層巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒,經過不同的搬運方式,在各種自然環境中生成的沉(堆)積物,風化成土的巖石稱為母巖,母巖成分、風化性質、搬運過程和堆積的環境是決定土的組成的主要因素,而土的組成又是決定其工程性質的物質基礎。土具有“非均質性、多相性、歷史性”的特點:(1)土是散性材料,不是連續的固體,具有非均質性;(2)土的物質組成包括作為土骨架的固態礦物顆粒(固相)、孔隙中的水及其溶解物(液相)以及所含氣體(氣相),是由顆粒、水和氣體所組成的多相體系;(3)土是自然地質的歷史產物,具有不同于其它建筑材料的特征。一般建筑材料由設計人員指定品種和型號,品種、型號一旦確定,力學性質參數也隨之確定,而土則不同,由于土是自然地質歷史產物,各種土的顆粒大小和礦物成分差別很大,土的三相間質量和體積比例不盡相同,土粒與其周圍的水分發生了復雜的物理和化學作用,從而造成了土的物理指標復雜性,土的物理指標在一定程度上決定了它的力學指標,土的物理力學指標具體體現在土的工程特性指標上,相對于其它建筑材料來說,是比較復雜的,如土的應力—應變關系是非線性的,土的變形在卸荷后一般不能完全恢復,土的強度不是一成不變的,土對擾動特別敏感等[1-2]。

通過試驗測出土的物理力學指標,分析研究各個指標間的聯系和相關性、可靠性,從中找出一些共性的特征,進而分析其工程特性指標,對于推動巖土工程設計從安全度控制向概率控制和巖土工程可靠性研究具有一定的參考意義[1-3]。

1 土的物理指標分析

1.1 比重、密度、含水率

土的物理指標主要為含水率、相對密度(比重)、密度、干密度、孔隙比、孔隙率及飽和度,在土的試驗中,土的比重、密度、含水率是三個最基本的試驗指標,通過公式可換算土的干密度、孔隙比、孔隙度、飽和度等相關指標[4]。這三個基本指標的變化不僅影響其它相關指標,而且將使土的力學性質隨之變化。在這三個基本指標中,比重數值是相對穩定的,它取決于土的礦物成分,其數值一般為2.60～2.80,泥炭為1.50～1.80,有機質土為2.40～2.50。同一地區同一類型土的比重基本相同,可按經驗值選用;土的含水率則是三個指標中最不穩定的,不同的土含水率可能不一樣,由于土層的不均勻、取樣不標準、取土器和筒壁的擠壓、土樣在運輸和存放期間保護不當等因素都會影響其結果的準確性。一般飽和軟粘土的含水率可達40%,堅硬粘土含水率＜30%,飽和砂土可達40%,而干粗砂接近于零;土的密度雖然是一個變化的值,不同的土樣密度值不同,但對于某一個土樣來說,它的值較穩定和比較容易測準的[4]。天然含水率、天然密度一般隨深度的增加而增大,土粒相對密度一般隨塑性指數的增高而有相應增大的趨勢,天然孔隙比、孔隙度隨天然含水率的增大而增大,隨天然密度的增大而減小。

1.2 液限、塑限

土按其顆粒組成分為粘粒、粉粒、砂粒、礫粒、卵石(碎石)粒、漂石(塊石)粒[5],細粒土常用塑性指數和液性指數來表示評價其塑性和稠度,粗粒土常用不均勻系數和曲率系數來評價其級配狀況。

土的界限含水率和土的機械組成、礦物成分、活動性、吸附水的表面電荷強度、顆粒的比表面積等有關,在工程中,土的液限、塑限、縮限有著比較重要的實用意義。一般顆粒越細,液限和塑限也越高,即液限、塑限隨粘粒含量的增加而增大,塑限與液限之比大多在0.55～0.65之間,一般粘性土的液限在19%～38%之間,塑限在11%～25%之間;粘土的液限在40%～65%之間,塑限在23%～35%之間。土的塑性指數高,表示土中的膠體粘粒含量大,即表示該土中可能含有蒙脫石或其它高活性的膠體粘粒較多。液性指數取決于含水率的大小,含水率越高,液性指數相應越大。因此,界限含水率(液限、塑限、縮限),尤其是液限,能較好的反映出土的某些物理力學特性,如壓縮性、脹縮性等。但目前對土的液限、塑限的測定存在不少問題。其一,液限標準的確定還處在過渡時期,即不同的規范標準對圓錐的錘重和圓錐入土深度不統一[6-8];其二,試驗人員對于土的狀態的確定并不是很明確,如,規范中把粘性土的狀態按液性指數的大小分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑、流塑[5],而一旦測出土的狀態為堅硬或流塑,就會產生懷疑所測土并不像想象中那么堅硬或流塑;其三,測定土的液、塑限時所取標準樣的問題,規程上大多規定土要過0.5mm的篩后才能進行試驗[5]。在實際操作中,某些土用眼睛觀察含有較多砂粒,一旦過0.5mm篩后再做實驗,測得土的塑性指數可能很大,與土的實際情況不符,如花崗巖殘積砂質(礫質)粘性土等。這種情況下可根據工程需要作相應的處理,如以粘粒為主做試驗或砂粒為主做試驗,以反映土的真實情況。

1.3 土的物理指標的對比分析

土的物理指標間是相互關聯的,可將這些指標進行綜合的分析,對這些指標的準確性進行判別[9-12]。如在有些成果中會出現飽和度超過100%的現象,這就說明,含水率及密度測定存在誤差或者錯誤,就需要根據實際情況進行調整或重做實驗;再如本來在開土時發現土是處在硬塑狀態,而結果卻是土處在流塑狀態,這種情況,一則說明含水率測定有問題;二則可能液限、塑限結果存在誤差,大多數情況下是天然含水率測不準造成的(在地下水礦化度比較高的地區易發生這種情況)。通過對物理指標的對比分析,可保證試驗指標的準確性,提高試驗成果的精度。

2 土的力學指標分析

2.1 壓縮系數、壓縮模量

壓縮系數、壓縮模量是固結試驗的壓縮性指標,固結試驗是土體在側向不能膨脹的條件下,在荷載作用下土的孔隙體積的減少、孔隙水的排出從而導致土的體積縮小。壓縮系數用于評價土的壓縮性,壓縮模量用于計算地基的沉降,是常用的土工指標。如在地基基礎設計中,除了強度控制外,常需進行變形控制,即控制建筑物的沉降量或其他各部的沉降差在某一允許范圍之內,以滿足使用上的要求及建筑物的安全條件[13]。除一些特殊工程要在現場做測試外,大多數試驗在室內進行的。影響成果準確度的因素很多,有些原因是比較容易找到的,如在試驗過程中感到土是較軟的,而測出的壓縮系數小,這說明實驗操作或記錄有誤。另具體應用時應該力求試驗條件與土的天然狀態及其在外荷作用下的實際應力條件相適應。

2.2 粘聚力、內摩擦角

粘聚力、內摩擦角屬抗剪強度指標,抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力,是土的重要力學性質之一,在計算承載力、評價地基穩定性、計算擋土墻土的壓力時,均涉及到土的抗剪強度指標[13],因此正確地測定土的抗剪指標在工程上具有重要意義[14-16]?？辜糁笜说脑囼灧椒ㄓ卸喾N,在室內常用的有直接剪切試驗、三軸剪切試驗(分不固結不排水剪、固結不排水剪和固結排水剪)和無側限抗壓強度試驗,在現場原位測試的有十字板剪切試驗、大型直接剪切試驗等[4]。對比而言,室內試驗成果的規律性要比現場原位測試好,但有時室內試驗的結果與理論上的數據存在很大的差距。如,無粘性土(砂土)的C值應為0,而在大多數試驗中,測出的值不一定為0,主要因為所測出的抗剪強度指標中,C值不完全代表土的粘聚力,φ值也不完全代表內摩擦角,而是兩者互相包含,都代表土的抗剪強度一部分。有些直接剪切試驗結果中,會出現C為負值的現象,是取樣時所取試樣的性質相差太大所致。砂土的抗剪強度與礦物成分、顆粒形狀及粒度成分有關,也與密度和濕度有關,砂的抗剪強度隨密度的加大而增加,濕度對砂粒的內摩擦角的影響并不明顯,砂在水下的內摩擦角比干砂低1°～2°左右。粘性土隨含水率的增高,粘聚力、內摩擦角均相應降低;粘粒含量增高,粘聚力相應增大,內摩擦角相應降低。

2.3 土的壓縮指標與抗剪指標之間的對比分析

土的壓縮指標與抗剪指標有著一定的互相關性。一般情況下,土的壓縮性越高,壓縮模量越低,而抗剪強度則越小;土的壓縮性越低,壓縮模量越高,而抗剪強度則越大。土的物理指標和力學指標是密切相關的[9-12],如,粘性土的壓縮系數、壓縮模量與孔隙比存有一定經驗關系[(a1～2=0.384 e2.7)[1]、(Es=37.7e-1.5620 )[17]],一般情況下,土的物理指標基本上能反映決定其力學指標,如,土的含水量大、孔隙比大,則壓縮性高、抗剪強度低,反之亦然。

3 土的工程特性指標分析

3.1 工程特性指標概述

土的工程特性指標包括強度指標、壓縮性指標及其他特性指標(如,靜力觸探探頭阻力、標準貫入試驗錘擊數、載荷試驗承載力等)。在巖土工程中,常采用土的工程特性指標代表值作為設計參數或評定土的性狀,其代表值可取標準值、平均值及特征值(標準值一般按單側置信率95%近似修正所得;平均值為數據分布的平均趨勢;特征值可以是統計得出,也可以是傳統經驗值或某一物理量限定的值)?？辜魪姸戎笜藨藴手?壓縮性指標應取平均值,載荷試驗承載力應取特征值[13]。此外,評價土的性狀用的各種物理性指標應取平均值,觸探試驗、標準貫入試驗等用以評價承載力的指標可取標準值。

地基承載力不宜稱為土的工程特性指標,因為地基承載力的取值,不僅與土的工程特性有關,還與基礎的埋置深度、基礎的形狀和尺寸、基礎和上部結構的剛度、荷載的性質和分布、結構對地基變形的敏感性等因素有關,地基承載力實質上是一個設計問題。用土的抗剪強度指標計算而得的地基承載力特征值,經過深寬修正的地基承載力特征值,都不是土的工程特性指標。用載荷試驗方法確定的地基承載力特征值是在特定試驗條件下進行的,與工程結構無關,故可認定為土的工程特性指標,利用觸探試驗、標準貫入試驗成果等與載荷試驗成果進行回歸分析所得的地基承載力特征值,也可認為是土的工程特性指標。

由于土的非均質性、高變異性和實測過程操作的誤差,任何工程特性指標的試驗成果,都具有一定的離散性,為隨機變量,通常采用數理統計方法進行數據處理分析[9-12]。

3.2 工程特性指標的測試方法分析

土的工程特性指標,無論強度指標還是變形指標,都有多種測試方法。不同的測試方法所得到的成果數據是不同的,即工程特性指標與其測試方法有非常密切的聯系,正確選擇測試方法是非常重要的。下面以變形指標為例進行分析,強度指標與其相似。

室內試驗中常規的側限壓縮試驗,得到不同應力段的壓縮模量和壓縮系數;高壓固結試驗,得到壓縮指數、回彈指數,先期固結壓力;三軸壓縮試驗,可根據數學模型要求,測定土的本構關系所需的各種參數。原位測試中,有旁壓試驗測定的旁壓模量,載荷試驗測定的變形模量等。由于試驗原理不同,試驗條件不同,所得結果也各不相同[4,18]。

在實際工作中,試驗方法選擇上應注意如下幾點:

3.2.1 對試驗原理深入理解

只有深入理解了試驗原理,才能恰當地應用試驗成果。室內壓縮試驗是在側限條件下進行的,符合一維固結理論,由于試驗條件不能產生側向應變,所測出的壓縮模量隨壓力的增大而增大,壓縮系數隨壓力的增大而減小,這個規律與工程實際不相符。載荷試驗測定土的變形模量的理論基礎是半無限彈性體表面(或內部)受壓的彈性理論解,與室內壓縮試驗不同,即使在直線變形段,既有豎向變形,又有側向膨脹,過了直線變形段,則包含了土的塑性變形,不符合彈性理論,無法計算變形模量。旁壓試驗,則土體的受力條件是軸對稱條件下的應力—應變問題,荷載作用方向為水平的,而建筑物荷載通常是豎向的,兩者是有區別的。

3.2.2 注意取樣和測試技術的可行性

土的工程特性指標中各種測試方法,尤其是原位測試都有一定的適用范圍,如表1[3]。

表1 各測試方法與適用巖土層

取樣和測試技術時應考慮其限制。如,砂土、碎石土、破碎和極破碎巖石不易取到原狀土樣,無法在試驗室內進行各種力學試驗;在容易縮孔的軟土中進行預鉆式旁壓試驗,得不到理想的結果;在地下水位以下的土層中進行淺層載荷試驗,需要降低地下水位,再恢復水位使土飽和,操作繁瑣,技術復雜,易使土體擾動,效果不好。

3.2.3 注重試驗條件與實際工程條件的一致性

實際應用時要注重試驗條件與實際工程條件一致性,如,由于有效應力法原理在工程應用中有一定困難,故絕大多數工程仍用總應力法?？倯Ψㄍ恋目辜魪姸扔腥自囼炛笜?UU、CU、CD),同一種土,三套指標在數值上有很大差別,導致應用后所計算的結果將產生顯著的變化[16,18-19]。具體用哪一種方法哪一套指標,選擇的原則就是確保試驗條件與實際工程條件的一致性,要盡可能一致或基本一致。如,對于可能發生快速破壞的正常固結的基坑或軟土地基或路堤土體等均認為應用快剪試驗指標或不固結不排水剪試驗進行整體穩定驗算控制;對于滲透性較低的深厚軟土而施工速度又較快的工程的施工期和竣工期的穩定驗算宜采用不固結不排水剪試驗指標,分級加載施工期的穩定驗算或土層較薄、滲透性較大和施工速度較慢等的工程的竣工和使用期的驗算等一般都可采用固結不排水剪試驗指標[17]。為了保證工程的安全,可更多地考慮不利條件,如,加載較快的工程,地基土中的孔隙水會有排出,但達不到固結排水,可選用不固結不排水剪,尤其在厚層軟土中。

3.3 工程特性指標的綜合分析

巖土的工程特性指標是巖土設計計算的基礎,具有極其重要性。工程經驗表明,巖土計算與實際結果的符合程度,主要決定于計算模式、計算參數和安全度三大因素,其中最關鍵、最不易把握的是計算參數。這一特點與結構設計計算有十分顯著的差別。巖土工程特性參數的不易把握有如下原因:

(1)巖土工程勘察不可能完全查明巖土的空間分布特征,存有地下水位的變動、土的含水量變化等不確定因素;

(2)土的工程特性指標是離散的,有巖土空間位置差異自然形成的離散,也有取樣測試過程中人為操作造成的隨機性離散;

(3)有些測試方法在理論上似乎是完備的,如,三軸剪切試驗、固結試驗,但由于取樣測試技術上的原因,測試結果與實際情況可能有很大出入。測試參數取值標準存有不確定性,有的取峰值,有的取殘余值。有些測試方法只有統計關系,如靜力觸探、動力觸探、標準貫入試驗,成果指標與計算參數之間沒有理論關系,經驗是否充分成了關鍵。

因此,在進行巖土設計時,決不能盲目相信計算,應注意理論與實踐相結合,計算分析與工程經驗相結合,要注重對巖土工程指標的綜合分析,慎重選用計算參數。在進行綜合分析評價時,可用多種方法測試,互相對比印證;借鑒類似工程的經驗;利用原型工程實測數據反演巖土參數。

4 結 論

由于巖土材料的獨特性,在結合巖土工程實踐工作和參考相關文獻資料的基礎上,對土的物理力學指標和工程特性指標分析認為,土的物理、力學和工程特性指標間存在聯系和相關性,在具體應用時應注重工程實際條件與試驗原理條件保持一致性,可應用多種測試方法和手段進行綜合分析評價。

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