土工試驗數(shù)據(jù)在巖土工程勘察中的分析與應(yīng)用

劉仕嬌

摘要：土工試驗數(shù)據(jù)采集和分析是巖土工程勘察過程中對于巖土的物理性質(zhì)、力學(xué)分析、化學(xué)成分、滲透率等進行的有關(guān)實驗。針對不同工程施工采用不同土工試驗操作，對于土工實驗存在的技術(shù)人員操作問題、儀器設(shè)備老化問題、數(shù)據(jù)采集誤差問題進行研究，進一步分析土工試驗數(shù)據(jù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：土工試驗數(shù)據(jù)；巖土工程勘察；數(shù)據(jù)誤差

1.引言

土工試驗是進行土木工程的前提，能夠為施工提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有效防止工程建設(shè)中存在的危險事故。巖土工程勘察過程中對于施工地基的巖土成分，尤其是物理性質(zhì)和力學(xué)分析，能夠有效了解工程地基的承載力以及滲透性，為工程施工方案設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。土工實驗數(shù)據(jù)相對準確，在測量技術(shù)和實驗過程中需要不斷改進實驗方法，對于取樣和儀器操作要求技術(shù)人員嚴格遵守實驗操作，標準。

2.巖土工程勘察

巖土工程勘察（Geotechnical investigation）是工程建設(shè)對施工環(huán)境巖土進行勘察，通過各種勘察方法，按照勘察流程完成對工程場地和巖土有關(guān)性質(zhì)的測量和檢測，并且根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行整理分析，編制工程資料。

巖土工程勘察應(yīng)用在我國各種領(lǐng)域的工程建設(shè)中包括建筑工程，道路工程、管道施工、給排水系統(tǒng)工程、地基施工等。巖土工程勘察在工程施工中具有重要作用，影響工程施工方案的確定，是工程施工技術(shù)應(yīng)用的依據(jù)，對工程整體質(zhì)量有著重要影響。

巖土工程勘察主要涉及對工程地質(zhì)的勘察，包括工程土壤、地質(zhì)、水文情況、施工環(huán)境等的勘察。勘察過程通常包括調(diào)查和測繪、勘探，土工實驗環(huán)節(jié)，采用現(xiàn)代測繪技術(shù)和土工實驗方法，最終為工程施工獲得準確科學(xué)依據(jù)。

巖土工程勘察具體實施通過工程勘察設(shè)計、勘察評估和全面勘察，遵循科學(xué)方法采用循序漸進的勘察過程完成巖土工程勘察全部工作。不同階段勘察內(nèi)容有所不同，考察設(shè)計階段確定工程可行性，勘察評估對工程具體勘察范圍進行初步勘察，為施工方案提供依據(jù)，工程施工階段勘察保證施工順利完成。

2.1巖土工程勘察內(nèi)容

（1）工程地質(zhì)勘察

根據(jù)工程項目資料對工程進行實地考察，采用測繪技術(shù)對施工范圍的有關(guān)巖土性質(zhì)、地質(zhì)特點、巖層結(jié)構(gòu)等進行勘察。通過勘察獲得工程施工的地基物理性質(zhì)特點。

（2）工程施工范圍的地基水文情況，附近河流分布，尤其是地基地下水分布和深度，測量水文情況對地基和施工造成的影響，確定施工材料類別和施工技術(shù)。

（3）施工現(xiàn)場的地基承載力和巖土抗剪強度，對巖土構(gòu)造和分布層度進行測量，獲得巖土在施工過程中的抗震強度。

（4）對工程施工技術(shù)方案進行分析，確定具體施工技術(shù)，尤其是施工過程中的打樁、開挖的土壤承受情況等進行分析和預(yù)測。

（5）通過施工范圍地下勘察，了解可能存在的各種地下障礙物，包括暗流、地下巖層等。對于埋藏不同深度的地下構(gòu)造進行土壤分析和物理性質(zhì)以及力學(xué)分析，根據(jù)勘察結(jié)果進一步確定工程施工的技術(shù)和應(yīng)對埋藏物處理方案。

（6）根據(jù)勘察過程不同勘察結(jié)果進行數(shù)據(jù)整理和分析，結(jié)合工程項目情況完成勘察資料的編制。

2.2土工試驗研究

巖土工程勘察針對各種工程施工進行勘察，大部分建筑工程施工地基以巖土構(gòu)成，地基承載整個建筑物的荷載，因此對于地基的巖土工程勘察非常重要。通過地基巖土層分的物理性質(zhì)和力學(xué)分析以及水質(zhì)分析了解地基施工具體指標，能夠確保工程施工的質(zhì)量和安全。

土工試驗是針對巖土有關(guān)的物理特性、力學(xué)分析、化學(xué)成分等。土工試驗總體分為室內(nèi)實驗和施工場地實驗，根據(jù)具體工程情況確定采用土工實驗方法。巖土物理性試驗，對于巖土內(nèi)在物理性質(zhì)進行測量，對巖土密度、比重、含水率、液縮限、顆粒級配進行測量，確定樣品物理特性，為巖土工程有關(guān)地基土層情況提供詳細實驗數(shù)據(jù)。

巖土力學(xué)性試驗通過對取樣施加外力，獲得巖土的力學(xué)性能，包括抗剪強度、土壤壓縮性、土壤滲透性，通過巖土力學(xué)分析實驗獲得有關(guān)數(shù)據(jù)為工程地基施工技術(shù)應(yīng)用中涉及地基承載力等性能提供準確指標。

工程施工地基的巖土有多種類型，根據(jù)巖土測量和取樣操作情況選擇室內(nèi)實驗或者原位實驗。工程施工現(xiàn)場土工實驗可以采用直接測試和間接測試的方法。直接測試方法有十字板剪切試驗、荷載試驗、旁壓試驗、動彈性模量試驗以及抽水、壓水、注水試驗等。間接測試法有靜、動力觸探試驗、標準貫入試驗、同位素測定密度和含水量試驗等。根據(jù)國家標準《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）規(guī)定，土工試驗主要方法包括以下9種：（1）烘干法：測含水量；（2）環(huán)刀法、灌砂法：測密度；（3）比重瓶法：測土粒比重；（4）平衡錐式液限儀法、液塑限聯(lián)合測定儀法：測界限含水量；（5）擊實試驗：測最佳含水率、最大干密度；（6）滲透試驗：測滲透系數(shù)；（7）直接剪切試驗：測剪切強度；（8）三軸試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗：測土樣力學(xué)強度；（9）固結(jié)試驗：測土體固結(jié)性能。

2.3土工試驗

（1）土的含水率實驗

巖土含水率實驗主要是粗粒土、細粒土、有機質(zhì)土和凍土。對巖土含水性質(zhì)進行實驗分析是土工實驗重要部分。

取樣需要根據(jù)土質(zhì)分布均勻和代表特質(zhì)進行取樣，不同土層采樣。室內(nèi)實驗過程需要取樣操作嚴格遵循標準，避免樣品受到擾動，保存樣品和運送過程通過專業(yè)技術(shù)人員進行操作。

（2）土的抗剪強度指標

土的抗剪強度指標包括內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c兩項。這兩個指標由專用的儀器進行測定。

主要儀器有：直接剪切儀、三軸壓縮儀、無側(cè)限壓力儀和十字板剪切儀。

直接剪切試驗分為應(yīng)力控制式和與應(yīng)變控制式兩種。

應(yīng)力控制式采用發(fā)碼和杠桿分級加荷；

應(yīng)變控制式采用手輪按一定的位移速度連續(xù)加荷，用彈性量力環(huán)上的測微計（百分表）量測位移換算剪應(yīng)力。

三軸壓縮試驗是測試土體抗剪強度的一種較為精確的試驗。在重大工程與科學(xué)研究中經(jīng)常進行三軸壓縮試驗。國家《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）規(guī)定，甲級建筑物應(yīng)采用三軸壓縮試驗。對于其他等級建筑物，如為可塑狀粘性土與飽和度不大于0.5的粉土?xí)r，可采用直剪試驗。根據(jù)三軸壓縮試驗過程中式樣的固結(jié)條件與孔隙水壓力是否消散的情況，可分為三種試驗方法：不固結(jié)不排水試驗，在試樣施加圍壓之前，即將試樣的排水閥關(guān)閉，在不固結(jié)的情況下即施加軸向力進行剪切。在剪切過程中排水閥始終關(guān)閉，即不排水；固結(jié)不排水試驗，在施加圍壓時，試樣充分排水固結(jié)；固結(jié)排水試驗，該方法在剪切全過程中，自始至終打開排水閥，剪切速率緩慢，采用每分鐘應(yīng)變?yōu)?.003%～0.012%。

固結(jié)排水試驗無論在施加圍壓或施加軸向剪切壓力時，均應(yīng)充分排水，使孔隙水壓力完全消散。無側(cè)限抗壓強度試驗，適用于飽和粘性土，相當(dāng)于三軸壓縮試驗中圍壓為0時的不排水剪切試驗。十字板剪切試驗，一種抗剪強度試驗的原位測試方法，不取原狀土，在現(xiàn)場直接測試地基土的強度。這種方法適用于地基為軟弱粘性土、取原狀土樣困難的條件，并可避免在軟土中取樣、運送及制備試樣過程中受擾動影響試樣成果的可靠性。

（3）土的比重實驗

土工試驗過程中，土的比重實驗是確定巖土物理特性的重要內(nèi)容。不同土層的比重差異性較大，根據(jù)具體巖土土工試驗確定土層分布規(guī)律。根據(jù)取樣操作和實驗方法對于比重實驗結(jié)果需要嚴格進行檢測，通過軟件系統(tǒng)預(yù)測和評估確定土層比重情況的數(shù)值范圍。

（4）土的密度實驗

土的密度實驗從土壤顆粒、孔隙、滲透率等有關(guān)。了解土的密度進一步分析土的化學(xué)性質(zhì)，對土壤構(gòu)成作出恰當(dāng)分析。室內(nèi)土壤密度實驗需要采用科學(xué)觀測和測量方法，計算土質(zhì)的化學(xué)函數(shù)值，通過計算機軟件系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)采集和分析，通過檢驗和排除異常值給出合適的數(shù)據(jù)結(jié)果。

（5）土的滲透試驗

土質(zhì)的滲透試驗與含水率、化學(xué)成分、比重關(guān)聯(lián)，因此采用多種數(shù)據(jù)分析和檢驗的方式，利用一些試驗儀器測定土的滲透系數(shù)k20的試驗。土的滲透試驗是以達西定律為基礎(chǔ)，根據(jù)滲透試驗系統(tǒng)的水頭變化特征分為常水頭法和變水頭法兩種。

3.巖土工程勘察有關(guān)土工試驗數(shù)據(jù)研究

3.1土工試驗人員操作

土工試驗項目數(shù)據(jù)獲取和分析需要有關(guān)人員進行，土工試驗前需要制訂有關(guān)實驗計劃，根據(jù)具體工程項目情況確定取樣方案和實驗類型。土工試驗需要建立有效管理，監(jiān)管實驗過程的人員操作規(guī)范。

土工試驗取樣對于實驗數(shù)據(jù)有著直接影響。巖土工程勘察的土工試驗環(huán)節(jié)需要確定取樣現(xiàn)場，采取具體取樣方法。巖土取樣操作需要嚴格按照實驗標準，不同地基土壤成分以及對于巖土物理性質(zhì)、承載力、含水率等研究先采用初步判斷確定取樣范圍，然后應(yīng)用取樣工具進行取樣。取樣操作對于室內(nèi)實驗需要充分考慮取樣運輸和保存過程中的擾動性，避免原地取樣和實驗過程出現(xiàn)較大誤差，造成實驗數(shù)據(jù)不準確。

土工試驗過程中技術(shù)人員需要執(zhí)行嚴格操作標準，采用嚴謹實驗態(tài)度對數(shù)據(jù)進行收集和分析。

3.2計量標定國家標準

室內(nèi)實驗過程采用的土工儀器通用的實驗標準，實驗樣本進行檢測需要達到實驗儀器標準，采用國家標定計量進行測量。有些巖土工程土工試驗設(shè)備撿漏，一直沿用過去的檢測方法，使得試驗數(shù)據(jù)缺乏準確和可靠性。

室內(nèi)實驗需要建立嚴格的溫度、濕度標準，獲得檢測數(shù)據(jù)的時間和方法必須達到國家實驗標定計量。室內(nèi)實驗結(jié)合先進的計算機控制系統(tǒng)采集樣本數(shù)據(jù)，并且應(yīng)用軟件輸入和生成觀測數(shù)據(jù)模型完成實驗檢測。

3.3數(shù)據(jù)存在一定誤差

巖土工程勘察范圍覆蓋較廣，土工試驗的取樣只能一定概率上進行統(tǒng)計分析，不同面積的土樣物理性質(zhì)和承載力有所區(qū)別，土工試驗數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)誤差。

每個工程采樣和實驗方法不同，有的取樣容易造成保存問題導(dǎo)致室內(nèi)實驗得到的巖土樣品含水率改變或者孔隙密度改變，由于實驗前為能確定樣品性質(zhì)是否受到擾動，實驗結(jié)果存在誤差可能性難以預(yù)測。

實驗數(shù)據(jù)分析中根據(jù)有關(guān)函數(shù)進行規(guī)律分析和描述，對異常數(shù)據(jù)進行處理。現(xiàn)場土工試驗需要符合實驗標準，采用規(guī)定的實驗儀器完成測量。由于現(xiàn)場試驗測量數(shù)據(jù)不夠準確，可以采取多種實驗方法結(jié)合提高土工試驗數(shù)據(jù)精準性。

取樣過程中確定不同深度的樣品取樣，對于多個樣品進行測量實驗，出現(xiàn)明顯不符合物理規(guī)律的樣品檢測直接處理。

4.巖土工程勘察中土工實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用

巖土工程勘察實施是為了了解工程施工環(huán)境中地基的地質(zhì)情況、水質(zhì)分析和巖土構(gòu)造等，解決工程項目設(shè)計和施工的具體技術(shù)應(yīng)用問題，確定施工過程中的巖土勘察為施工過程提供有效參照標準和數(shù)據(jù)指標。巖土工程勘察主要對工程地質(zhì)進行評價、地基建設(shè)和工程施工提供有效的解決方案，研究巖土中的顆粒密度、比重、水含量、滲透率和承載力，給出合理的工程施工技術(shù)應(yīng)用參考。土工試驗數(shù)據(jù)通過整理和校準，應(yīng)用在巖土工程勘察中能夠為巖土工程項目評價和設(shè)計提供合理的數(shù)據(jù)分析。

4.1土工試驗數(shù)據(jù)整理

（1）數(shù)據(jù)分析

采用不同數(shù)據(jù)分析方法根據(jù)取樣進行巖土自身物理特性和力學(xué)分析等，數(shù)據(jù)整理采用土工試驗的數(shù)據(jù)的土性指標主要有兩種類型，一種是以水溶鹽、有機質(zhì)、塑限、液限、顆粒組成、土粒比重、天然含水率、天然密度等為主要類型的一般特性指標，主要作用是用來對土性進行分類和定名，以及說明巖土的物理化學(xué)特征。另一種是以巖土的滲透系數(shù)、變形模量、壓縮系數(shù)、內(nèi)摩擦角、粘聚力等為主要類型的主要計算指標，主要用來確定土體的穩(wěn)定性、變形、強度。在室外取樣的過程中，土樣的保管要注意失水、日曬、風(fēng)吹等影響，以免影響數(shù)據(jù)的真實性，因此在土樣的運輸、儲存、封裝的工作中應(yīng)安排專門的工作人員進行防護，在長途運輸土樣的情況下，應(yīng)將其裝箱并填塞相應(yīng)的緩沖物品，防止土樣震動而影響實驗數(shù)據(jù)的準確度。通過取樣來解決土工實驗數(shù)據(jù)的不確定性問題。

（2）數(shù)據(jù)校核

貝葉斯法分析實驗數(shù)據(jù)以其可靠性強的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用到大型工程的設(shè)計指標研究中，利用土性的含水率、密度等物理性質(zhì)指標，豐富工程的指標驗前概率。可以有機結(jié)合不同時間階段測得土工數(shù)據(jù)，對不同試驗結(jié)果的合并問題進行更精確的處理，保證土工試驗數(shù)據(jù)的合理性。

通過對土工試驗數(shù)據(jù)整理和分析方法的研究，從中可以了解到對實驗數(shù)據(jù)的正確處理有利于提高土工的數(shù)據(jù)的準確度，為土工的施工設(shè)計提供有效的信息數(shù)據(jù)參考。

4.2土工實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用

（1）巖土含水率數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過巖土含水率實驗獲得土層的滲透情況分析，給出合理的巖土水質(zhì)情況分析。巖土工程地表含水性質(zhì)，地層水滲透性等實驗數(shù)據(jù)可以為巖土工程中基坑的支護和排水措施提供數(shù)據(jù)支撐。地下水含水性質(zhì)可以為施工材料的選用提供一定的參考，包括混凝土、鋼筋的腐蝕情況評價。地下水位埋藏情況對于樁基施工具有重要的參考價值。

（2）巖土力學(xué)分析數(shù)據(jù)應(yīng)用

根據(jù)土工實驗數(shù)據(jù)中對于土壤力學(xué)分析結(jié)果確定巖土工程的抗震強度和場地類別。

5.結(jié)論

室內(nèi)土工試驗是巖土工程勘察工作的重要組成部分，它是進行土類定名和劃分土層的重要依據(jù)，加強土工試驗設(shè)備的管理和監(jiān)督、加強設(shè)備儀器的保養(yǎng)和維護，是保證土工試驗數(shù)據(jù)可靠的核心。土工試驗的結(jié)果對巖土工程的施工方案和設(shè)計的精度具有重要影響，實驗結(jié)果的可靠性越強，巖土工程的施工方案和工程設(shè)計就會越加科學(xué)合理。因此，加大對土工試驗數(shù)據(jù)整理和分析方法的研究成為目前土工領(lǐng)域亟待解決的問題，對于土工的施工工程的正常運行具有重大意義。針對國內(nèi)目前現(xiàn)狀，由于這一行業(yè)的設(shè)備缺乏部門監(jiān)管，多數(shù)企業(yè)和施工單位負責(zé)人意識淡薄，不愿投資改造、更新設(shè)備，致使土工設(shè)備領(lǐng)域更新仍任重道遠，同時，這也給建筑領(lǐng)域的工程質(zhì)量帶來不同程度的安全隱患，安全重于泰山，巖土工程勘察質(zhì)量心系人民群眾的安全，有效監(jiān)管土工設(shè)備也勢在必行。

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