巖土工程測試技術取土樣的方法和工具探究

姜琳

[摘 要]實驗室里進行土工試驗以測定土的工程性質(zhì)以及物理性質(zhì)，其原料來自地勘，在地勘中如何取土，其方法和工具一直在發(fā)展進步。本文將討論介紹工程中常用的取土方法和所用工具，以及土樣擾動的原因及規(guī)避擾動方法。

[關鍵詞]土樣;巖土工程測試技術;擾動土;原狀土

[中圖分類號]TU473.16 [文獻標識碼]A

1 引言

巖土工程領域，面對的主要材料是土。上層建筑將荷載傳到基礎上，而主要由土組成的地基支承著基礎，共同構筑起人類的活動空間。而對于地下建筑，土既起支承作用，同時也作為荷載的一部分覆蓋在建筑之上。作為一名未來的巖土工程師，我們需要了解土的性質(zhì)，這就需要我們做一系列的土工試驗，其原材料就是土。但是不同的工程遇到的土千差萬別，有的是卵石、礫石，有的是粗砂、中砂，有的是粉土、黏土，更多的是不同粒徑組合成的土。這些土，由于級配的不同和土中水的含量的不同，表現(xiàn)出不同的工程性質(zhì)。所以對于一個工程來說，對土進行試驗，測定土的工程特性是非常重要的，這個步驟通常叫做地質(zhì)勘探。為了做土工試驗，需要獲得工程所處位置的土，制成土樣，送到實驗室。通常，將土樣分為以下兩種：原狀土和擾動土。

擾動土指的是在取樣的過程中以及之后的存放、運輸過程中土的天然結構或含水率發(fā)生了改變，但是仍具有代表性的土。由于天然結構、含水率的改變，有的土工試驗不能用擾動土來進行，但是像顆分試驗、液塑限試驗、土粒比重、有機質(zhì)的含量、土的分類等與土的天然結構、含水率無關的試驗可以用擾動土進行;而像壓縮固結、滲透性、抗剪強度等相關的試驗就必須用原狀土來進行，即土的天然結構、含水率等均沒有改變的土。

2 鉆探

為了取得地層某一深度處的土，我們首先需要進行的是鉆探。鉆探的方法多種多樣，主要是由于地基土的種類繁多。主要的方法分螺旋鉆進、沖擊鉆進、振動鉆進、沖洗鉆進幾種，這里不作詳述。當鉆井打到地層某一特定的深度后，需要進行取樣。《巖土工程勘察規(guī)范GB50021-2001》中給出了取樣的工具和方法的選擇。

3 取土工具及用法

用標準貫入器來獲得仍具有代表性的擾動土樣。通過標準貫入試驗（SPT）的操作，將標準貫入器打入土體內(nèi)部，土會進入到空腔中，隨后我們回收試樣，將取得的土樣放進玻璃容器中運到實驗室。這里簡要介紹一下標準貫入試驗獲得的錘擊數(shù)。考慮到錘擊的效率不同、鉆孔的直徑不同、容器的不同、鉆桿的長度不同等因素的影響，應對獲得的錘擊數(shù)進行修正。國外對于標貫試驗技術的修正，考慮得比較周到，有的甚至包括飽和粉細砂的修正、地下水位的修正和土的上覆壓力的修正。而國內(nèi)長期不考慮這些修正，而著重考慮桿長的修正，規(guī)范曾給出過桿長的修正系數(shù)，最大深度是21m;但標貫試驗的實際使用深度已達100m以上，已不可能采用依據(jù)牛頓碰撞理論得出的修正系數(shù);但是過去總結的一些經(jīng)驗公式中，有的采用的是修正后的貫入擊數(shù)，有的采用的是沒有修正的貫入擊數(shù);考慮到上述情況，《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定在勘察報告中只需給出標貫擊數(shù)的實測值，在使用時根據(jù)不同的情況而決定是否需要加以修正。

我們有一個式子用以判斷土樣的擾動程度：

其中稱AR為擾動比（area ratio），D0是取土器的外徑，D1是取土器的內(nèi)徑。

當時，取得的土樣可以認為是未受擾動的原狀土。標準貫入器的值大概在115%左右，可以看到，擾動得非常厲害。

當遇到的土是砂土（尤其是地下水位線以下的細砂）時，土很難被容器帶出來，這時可以在容器中放置一個集土器。

有關標貫試驗獲得標貫擊數(shù)的應用，它可以用在很多經(jīng)驗公式中用以估計土的其他參數(shù)，這里就不詳述了。

3.2 Scraper Bucket

當遇到的土層是由砂土混雜漂石組成的，那么用標準貫入取土器取樣就非常困難，因為就算有集土器，粒徑較大的漂石也會阻止集土器的關閉，從而使之失效。這種情況下，我們就需要側開口式取土器來取得具有代表性的擾動土樣。這種取土器的底端是封閉的，并且頂端呈圓錐形，便于打入土中;但是在他的側邊開了一個口。當通過鉆桿將其打入土中之后，通過旋轉，土樣就被側邊的開口切入取樣器中。

這種敞口式薄壁取土器，國外有時也稱為謝爾貝管;用無縫鋼管制成，通常用于取原狀土。這種取土器的外徑一般分別為50.8 mm（2 in）和76.2 mm（3 in）。例如外徑為50.8 mm的謝爾貝管的內(nèi)徑為47.63 mm，此時擾動比：

將此取土器固定在鉆桿上，通過鉆桿推入土中，土樣就進入到了容器中，然后再把容器拔出，就獲得了土樣。這種取土器雖然操作簡單，但是容易產(chǎn)生逃土;并且土樣的直徑越大，花費的成本越大。

當遇到的土比較松軟，或者要取樣的直徑超過76.2 mm（3 in）時，就會容易從敞口式的取土器中逃出。這時活塞式取土器就非常方便了。活塞式取土器又分為固定活塞式，水壓固定活塞式和自由活塞式。

3.4.1 固定活塞式

在敞口式薄壁取土器內(nèi)設置活塞和活塞桿，活塞桿通過取土器的頂部并經(jīng)由鉆桿的中空延伸至地面。活塞的作用在于下放取土器時可排開孔底浮土，上提時可隔絕土樣頂端的水壓和氣壓，防止逃土，取土質(zhì)量高，成功率也高，是目前國際上公認的高質(zhì)量取土器。

3.4.2 水壓固定活塞式

這是針對固定活塞式操作比較繁瑣的缺點而改進的型號，國外稱Osterberg取土器，其用水壓實現(xiàn)對活塞的操控，取樣效果和固定活塞式一樣，甚至更好，而操作較為簡便。

3.4.3 自由活塞式

其與固定活塞式的不同之處在于取樣時依靠土樣將活塞頂起，操作比較簡便，但土樣易擾動，質(zhì)量不及前兩種。

4 擾動成因及規(guī)避方法

取樣技術的關鍵在于將土樣的擾動減少到最小，下面我們來討論一下引起土樣擾動的原因。

4.1 應力解除擾動

土在地層中時，周圍有圍壓作用，而取樣時將土從地層中取出，自然釋放了原有的作用于土體上的壓力，土體將產(chǎn)生膨脹，顆粒間會產(chǎn)生微小的裂縫并發(fā)展，降低了土體的強度。這種由于應力狀態(tài)、應力條件的改變而產(chǎn)生的擾動在地質(zhì)勘探中無法避免，不過可以在試驗技術方面采取相應的措施來減少其影響。這也告訴我們，沒有嚴格意義上的原狀土樣。

4.2 鉆探擾動

在鉆進時機械設備對土體會產(chǎn)生沖擊、擠壓和振動等機械作用而使土的體積發(fā)生變化，從而破壞土的結構，降低強度。對此，我們應該選擇合適的工具和改進鉆進方法減少對土體的擾動。如在歐美一些發(fā)達國家，已經(jīng)很少采取如沖洗式鉆進這種對土體產(chǎn)生很大擾動的鉆進方式了。

4.3 取樣擾動

由于取土器與土體之間存在摩擦，土體受扭并受壓縮而產(chǎn)生擾動，擾動的大小與取土器的壁厚和刃口的角度有關。采用合理的取土器結構，并采用恰當?shù)膲喝肴⊥疗鞯姆椒梢杂行У販p少土樣的擾動。

4.4 運輸擾動

在運輸過程中的振動和沖擊所產(chǎn)生的擾動，采取一定的隔振和防振措施可以減少對土樣的不利影響。

4.5 貯存與試驗環(huán)節(jié)的影響

從實驗室的管理工作和技術要求兩個方面加以改進以減少對土樣的擾動。

[參考文獻]

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