北京地區(qū)土工試驗(yàn)成果及綜合分析

韓素君

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

土工試驗(yàn)一直是巖土工程勘察最基礎(chǔ)和重要的環(huán)節(jié)，原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠是工程技術(shù)人員進(jìn)行地層劃分、巖土工程參數(shù)計(jì)算等的基礎(chǔ)。由于土是地殼表層巖石風(fēng)化后產(chǎn)生的松散堆積物，其工程性質(zhì)具有三個(gè)基本特征［1］：①碎散性。土體是由大小不同的顆粒組成的，顆粒之間存在著大量的孔隙，可以透水和透氣。顆粒之間有一定的黏聚力，但其黏聚力很弱。同其他材料（如巖石）相比，可以近似地認(rèn)為土體是碎散的，是一種摩擦為主的集聚性材料；②自然變異性或不均性。由于形成過(guò)程的自然條件不同，也就產(chǎn)生了自然界中多種不同的土。隨著土的生成條件和環(huán)境的不同，土體也會(huì)產(chǎn)生豎向和水平向的不均勻性，甚至還會(huì)產(chǎn)生各向異性；③三相體。土是由固體顆粒、水和氣三部分組成的三相體系，它比單相固體復(fù)雜得多，如果再加上氣相，土的性質(zhì)就會(huì)變得更加復(fù)雜。鑒于上述的三個(gè)基本特征，土具有不同于其他建筑材料的特點(diǎn)。

建筑物以天然土層為地基，擬建場(chǎng)區(qū)是什么樣的土層，建筑設(shè)計(jì)人員就以這種土做為設(shè)計(jì)對(duì)象。不同地貌單元、不同場(chǎng)區(qū)的土，顆粒大小和礦物成分差別很大，土的三相間的數(shù)量比例不盡相同，造成土的物理性質(zhì)復(fù)雜多樣。土的物理性質(zhì)又在一定程度上決定了土的力學(xué)性質(zhì)，不同地區(qū)的土又有不同的變化。土的物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)于其他建筑材料來(lái)說(shuō)，是比較復(fù)雜的，如土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的，土的變形在卸荷后一般不能完全恢復(fù)，土的強(qiáng)度也不是一成不變的，土對(duì)擾動(dòng)也特別敏感等等。從工程現(xiàn)場(chǎng)取回的原狀土樣通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)，直接測(cè)得和通過(guò)計(jì)算得出的土的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)于勘察技術(shù)人員就存在著一個(gè)準(zhǔn)確度的問(wèn)題。如何確定土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及各個(gè)指標(biāo)間存在哪些必然的聯(lián)系，對(duì)于從事土工試驗(yàn)的人員有著很大的指導(dǎo)意義。

因此，有必要對(duì)土工試驗(yàn)的成果、相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，從中找出一些共性的特征。本文結(jié)合在北京地區(qū)多年的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)北京地區(qū)第四紀(jì)沉積的細(xì)粒土的物理性質(zhì)試驗(yàn)成果和力學(xué)試驗(yàn)成果兩個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，找出其中的規(guī)律性，從而對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象做出正確判斷，提交數(shù)據(jù)準(zhǔn)確合理的試驗(yàn)成果。

1 土的物理性質(zhì)試驗(yàn)和成果分析

1.1 土的比重、密度、含水率試驗(yàn)

在土的物理性質(zhì)試驗(yàn)中，土的比重、密度和含水率試驗(yàn)是最基本的試驗(yàn)，得出的三個(gè)指標(biāo)稱為土的三項(xiàng)基本物理指標(biāo)。用它們可以換算出土的干密度、飽和密度、有效密度、孔隙比、孔隙度、飽和度等6個(gè)指標(biāo)。它們的變化，不僅影響著其他指標(biāo)的變化，而且將使土的一系列力學(xué)性質(zhì)隨之發(fā)生變化。因此，準(zhǔn)確測(cè)定土的比重、密度和含水率的值有著重要的意義。

1.1.1 土的比重

在三個(gè)基本指標(biāo)中，比重是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，它取決于土的礦物成分，同一地區(qū)、同一類型的土的比重基本相同。北京地區(qū)在經(jīng)過(guò)多年大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出各種土的比重經(jīng)驗(yàn)值，一般砂土為2.69，砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土為2.70，粉質(zhì)黏土為2.71，重粉質(zhì)黏土為2.72，黏土為2.73～2.74。值得注意的是，當(dāng)土中含有有機(jī)質(zhì)和泥炭時(shí)，其比重值會(huì)明顯地降低。

1.1.2 土的密度

土的密度指標(biāo)雖然也是一個(gè)變化的值，但對(duì)于某一土樣來(lái)說(shuō)，它的值通過(guò)環(huán)刀法容易測(cè)得。北京地區(qū)不同巖性的土，天然密度參見(jiàn)圖1—圖5及表1。通過(guò)以下圖、表我們發(fā)現(xiàn)，不同巖性的土的密度值一般在一定的范圍內(nèi)。利用此規(guī)律，我們可以大致判斷土的巖性。

圖1 北京地區(qū)砂質(zhì)粉土的天然密度圖

圖2 北京地區(qū)黏質(zhì)粉土的天然密度圖

圖3 北京地區(qū)粉質(zhì)黏土的天然密度圖

圖4 北京地區(qū)重粉質(zhì)黏土的天然密度圖

圖5 北京地區(qū)黏土的天然密度圖

1.1.3 土的天然含水率

土的天然含水率指土中所含水質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，采用烘箱烘干法測(cè)定。其值由于受環(huán)境溫度、放置時(shí)間、是否擾動(dòng)等情況影響，最不穩(wěn)定。北京地區(qū)不同的土，天然含水率不一樣。其范圍值參見(jiàn)圖6—圖10及表2。

表1 北京地區(qū)不同土的天然密度統(tǒng)計(jì)表g/cm3

圖6 北京地區(qū)砂質(zhì)粉土的天然含水率圖

圖7 北京地區(qū)黏質(zhì)粉土的天然含水率圖

圖8 北京地區(qū)粉質(zhì)黏土的天然含水率圖

圖9 北京地區(qū)重粉質(zhì)黏土的天然含水率圖

圖10 北京地區(qū)黏土的天然含水率圖

表2 北京地區(qū)不同土的天然含水率統(tǒng)計(jì)表 %

1.2 土的界限含水率試驗(yàn)

黏性土從一種狀態(tài)進(jìn)入另一種狀態(tài)的分界含水率稱為土的界限含水率［2］。

液限（wL）表示土從塑態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)的含水率，此時(shí)，黏性土的含水率處于可塑狀態(tài)的上限，土中水的形態(tài)既有結(jié)合水，也有自由水。

塑限（wp）表示土從半固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗軕B(tài)時(shí)的含水率，此時(shí)，黏性土含水率處于可塑狀態(tài)的下限，土中水的形態(tài)既有強(qiáng)結(jié)合水，也有弱結(jié)合水，并且強(qiáng)結(jié)合水的含量達(dá)到最大值。當(dāng)含水率降低至塑限以下后，土就不再具有塑性了。

對(duì)于工程來(lái)說(shuō)，土的液限和塑限有著比較重要的實(shí)用意義。用它來(lái)計(jì)算塑性指數(shù)（Ip）和液性指數(shù)（IL），評(píng)價(jià)細(xì)粒土地基的承載力，并可按塑性指數(shù)或塑性圖進(jìn)行土質(zhì)分類。

土的塑性指數(shù)Ip反映黏性土處于可塑狀態(tài)的含水率變化的最大范圍。土的塑性指數(shù)越高，表明土的顆粒越細(xì)，比表面積越大，土中的膠體黏粒含量越大，同時(shí)也表示黏性土中可能含有蒙脫石或其他高活性的膠體越多。因此，界限含水率尤其是液限能較好地反映出土的某些物理力學(xué)特性。

北京地區(qū)不同巖性的土的液限圖表參見(jiàn)圖11—圖15及表3。

圖11 北京地區(qū)砂質(zhì)粉土的液限圖

圖12 北京地區(qū)黏質(zhì)粉土的液限圖

圖13 北京地區(qū)粉質(zhì)黏土的液限圖

圖14 北京地區(qū)重粉質(zhì)黏土的液限圖

圖15 北京地區(qū)黏土的液限圖

表3 北京地區(qū)不同土的液限統(tǒng)計(jì)表 %

1.3 土的物理指標(biāo)之間的成果分析

土的物理指標(biāo)間是相互關(guān)聯(lián)的，由以上圖表可知，天然含水率、密度、液限、塑性指數(shù)之間具有一定的規(guī)律性［3］。隨著塑性指數(shù)增大，土的巖性由砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土到黏土，它們具有天然含水率增大、密度減小、液限增大的規(guī)律。因此，當(dāng)這些指標(biāo)出來(lái)后，可以將這些指標(biāo)放在一起進(jìn)行綜合分析，從而對(duì)這些指標(biāo)的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷。比如在有些試驗(yàn)中，出現(xiàn)飽和度大于100%的現(xiàn)象，這就說(shuō)明在某些試驗(yàn)數(shù)據(jù)中存在誤差或錯(cuò)誤。一般情況下是含水率或密度的測(cè)定出現(xiàn)了問(wèn)題，需要對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析或重新測(cè)定，保證這兩個(gè)指標(biāo)的準(zhǔn)確性，從而提高其他指標(biāo)的準(zhǔn)確度。

再比如，在開(kāi)土的時(shí)候發(fā)現(xiàn)土試樣處于硬塑狀態(tài)，試驗(yàn)主持人描述為硬塑，而試驗(yàn)結(jié)果卻是流塑狀態(tài)。這種情況有兩種可能：一種是含水率測(cè)定有問(wèn)題，另一種是液限、塑限測(cè)定出現(xiàn)誤差。大多數(shù)情況下，是因?yàn)橐合薜臏y(cè)定時(shí)手動(dòng)落錐不準(zhǔn)，造成土的狀態(tài)確定不準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)一系列物理指標(biāo)之間的關(guān)系的統(tǒng)一分析，使得試驗(yàn)成果的精度進(jìn)一步提高，為勘察技術(shù)人員提供更加準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

2 土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和成果分析

2.1 土的固結(jié)試驗(yàn)（壓縮模量）

土的固結(jié)試驗(yàn)是測(cè)定土體在壓力作用下的壓縮特性。土的壓縮性是指土在壓力作用下體積縮小的特性。壓縮量由四部分組成：固體顆粒的壓縮、土中水的壓縮、空氣的排出、水的排出。其中，固體顆粒的壓縮、土中水的壓縮占總壓縮量的1/400不到，可忽略不計(jì)。而空氣的排出、水的排出才是壓縮量主要組成部分。所以，土的壓縮被認(rèn)為只是由于孔隙體積減小的結(jié)果。

在實(shí)際工程中，由于土層的壓縮，使其上部的建筑物會(huì)沿著重力方向產(chǎn)生沉降。在天然地基方案設(shè)計(jì)中，常需要根據(jù)設(shè)計(jì)的要求控制建筑物的沉降量，或其他各部分的沉降差在某一允許的范圍內(nèi)。以滿足使用上的要求或建筑物的安全條件。所以，需要測(cè)定土的壓縮性從而計(jì)算建筑物或構(gòu)筑物的沉降量，作為設(shè)計(jì)的控制數(shù)據(jù)［4］。影響固結(jié)試驗(yàn)成果準(zhǔn)確度的因素很多，比如，在開(kāi)土描述的過(guò)程中，土樣描述是軟塑，而固結(jié)試驗(yàn)測(cè)出的壓縮模量大，就需要檢查各個(gè)環(huán)節(jié)，找出錯(cuò)誤原因，采取補(bǔ)救措施。

2.2 土的剪切試驗(yàn)（抗剪強(qiáng)度）

剪切試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種常用方法。土的抗剪強(qiáng)度是土體抵抗剪切破壞的極限能力。它是評(píng)價(jià)地基穩(wěn)定性、估算地基承載力等土的力學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)之一。

土的抗剪強(qiáng)度由黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）兩部分組成。

1776年，庫(kù)侖根據(jù)砂土剪切試驗(yàn)得出庫(kù)侖定律。

在剪切試驗(yàn)測(cè)出的結(jié)果中，實(shí)測(cè)值和理論值有時(shí)候會(huì)存在很多差距。比如砂土的c值理論值應(yīng)為0，而實(shí)際測(cè)得的值不一定為0，這也是很正常的。因?yàn)樵谒鶞y(cè)得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中，并不是c值完全代表土的黏聚力，而φ值也不完全代表土的內(nèi)摩擦力。而是兩者互相包含，都代表抗剪強(qiáng)度的一部分。影響剪切試驗(yàn)成果準(zhǔn)確性的因素有很多，比如土的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征、剪切速率、垂直壓力、土樣制備等。

2.3 土的力學(xué)指標(biāo)之間的成果分析

土的壓縮模量（ES）與抗剪強(qiáng)度有著一定的關(guān)系。土的壓縮性越高，壓縮模量越小，則它的抗剪強(qiáng)度越?。环粗?，土的壓縮性越低，壓縮模量越大，則它的抗剪強(qiáng)度越大。利用這種關(guān)系，可以直觀判斷壓縮模量結(jié)果和抗剪強(qiáng)度結(jié)果是否準(zhǔn)確。

3 土的物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的綜合分析

現(xiàn)場(chǎng)取回的土試樣經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，得出一系列物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了得到準(zhǔn)確合理的試驗(yàn)結(jié)果，非常有必要對(duì)這些第一手試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

土的物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)緊密相連，一般土的物理性質(zhì)決定土的力學(xué)性質(zhì)。經(jīng)過(guò)多年的土工試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)不同巖性的土，其物理性質(zhì)指標(biāo)與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間具有如下的規(guī)律性。

3.1 北京地區(qū)黏性土壓縮模量與天然含水率的關(guān)系

圖16—圖18顯示出壓縮模量與天然含水率之間存在著比較好的規(guī)律性：無(wú)論P(yáng)0在哪個(gè)區(qū)間段，隨著天然含水率的增大，壓縮模量都呈現(xiàn)相應(yīng)減小的變化規(guī)律。

圖16 黏性土的壓縮模量與天然含水率的關(guān)系圖（一）

圖17 黏性土的壓縮模量與天然含水率的關(guān)系圖（二）

圖18 黏性土的壓縮模量與天然含水率的關(guān)系圖（三）

3.2 北京地區(qū)黏性土的壓縮模量與液限的關(guān)系

土的液限wL可以間接地反映土的壓縮性的高低，從圖19可以發(fā)現(xiàn)，壓縮模量隨著液限的增大而降低的一種變化規(guī)律。

圖19 北京地區(qū)黏性土的壓縮模量與液限的關(guān)系

3.3 北京地區(qū)黏性土的壓縮模量與天然密度的關(guān)系

圖20 顯示出壓縮模量與天然密度之間存在的規(guī)律性：隨著天然密度的增大，壓縮模量都呈現(xiàn)相應(yīng)增大的變化趨勢(shì)。

圖20 北京地區(qū)黏性土的壓縮模量與天然密度的關(guān)系

3.4 北京地區(qū)土的抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

3.4.1 土的黏聚力與含水率的關(guān)系

含水率是直接影響抗剪強(qiáng)度大小的重要因素，一般對(duì)黏性土來(lái)說(shuō)，天然含水率w越大，其抗剪強(qiáng)度越低；天然含水率w越小，其抗剪強(qiáng)度越高。對(duì)不同巖性的相同含水率的土樣來(lái)說(shuō)，抗剪強(qiáng)度還與密度、顆粒成分組成等因素有關(guān)。

圖21—圖24顯示出了北京地區(qū)的黏性土的黏聚力與天然含水率之間存在的規(guī)律性。圖25展現(xiàn)出的卻是砂質(zhì)粉土的黏聚力與天然含水率規(guī)律性不明顯。

圖21 北京地區(qū)黏土的黏聚力與天然含水率的關(guān)系

圖22 北京地區(qū)重粉質(zhì)黏土的黏聚力與天然含水率的關(guān)系

圖23 北京地區(qū)粉質(zhì)黏土的黏聚力與天然含水率的關(guān)系

圖24 北京地區(qū)黏質(zhì)粉土的黏聚力與天然含水率的關(guān)系

（）（）

圖25 北京地區(qū)砂質(zhì)粉土的黏聚力與天然含水率的關(guān)系

3.4.2 土的內(nèi)摩擦角與天然含水率的關(guān)系

圖26顯示出，北京地區(qū)的各類土的內(nèi)摩擦角隨著天然含水率的增大呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。

圖26 北京地區(qū)黏性土的內(nèi)摩擦角與天然含水率的關(guān)系

利用上述的規(guī)律，可以很好地解決試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，比如試驗(yàn)中由于操作人員失誤，將兩塊土試樣顛倒導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這時(shí)我們就用得出的物理指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，還原土試樣的準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)北京地區(qū)各類土的多年試驗(yàn)成果中的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的綜合分析，繪制了一些物理性質(zhì)指標(biāo)與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系圖，總結(jié)出了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)和結(jié)論，對(duì)于土工試驗(yàn)成果綜合分析有較重要的指導(dǎo)意義。

土的物理指標(biāo)以w、ρ、wL、Ip為典型表現(xiàn)對(duì)象，本文結(jié)合不同土質(zhì)得到土的物理指標(biāo)之間具有的規(guī)律性。

土的力學(xué)指標(biāo)以Es、c、φ為典型表現(xiàn)對(duì)象，相關(guān)性顯著。

土的物理性質(zhì)指標(biāo)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是統(tǒng)一的整體，具有比較顯著的相關(guān)性，如Es-w、Es-ρ、c-w等。

土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為工程勘察報(bào)告的重要依據(jù)，也是工程建設(shè)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，土工試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確程度直接影響著工程質(zhì)量和安全。由于土體自身存在的復(fù)雜性，在試驗(yàn)結(jié)果中，經(jīng)常出現(xiàn)一些異?，F(xiàn)象，這就需要將土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)緊密結(jié)合起來(lái)，利用以上規(guī)律性進(jìn)行分析，綜合運(yùn)用到對(duì)土工試驗(yàn)出現(xiàn)的不合理數(shù)據(jù)的分析探究中，并查找原因，采取適當(dāng)?shù)?、合理的糾正措施，最終提交滿足勘察設(shè)計(jì)技術(shù)要求的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的試驗(yàn)成果。

收稿日期：2018-11-21