美標(biāo)歐標(biāo)和國(guó)標(biāo)關(guān)于土工試驗(yàn)成果分析研究

何險(xiǎn)高 李建常 汪 凌

(江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 221018)

1 概述

隨著中國(guó)“一帶一路”逐步推進(jìn)，中國(guó)企業(yè)越來(lái)越多走向了國(guó)際市場(chǎng)，特別是基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)，在欠發(fā)達(dá)國(guó)家尤為突出，很多國(guó)家自身建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善，早年常為美、英殖民地，受其影響，建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常應(yīng)業(yè)主要求采用美標(biāo)或者英標(biāo)。為了匹配巖土工程設(shè)計(jì)采用的美標(biāo)或英標(biāo)，土工試驗(yàn)也必須相應(yīng)采用美標(biāo)或英標(biāo)。

2 試驗(yàn)方法的差異

每種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法都有所不同，這里重點(diǎn)介紹液塑限測(cè)定、固結(jié)試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)這三種方法的差異。

2.1 液塑限測(cè)定

1)美標(biāo)。依據(jù)ASTM D4318-10，液限采用卡薩格蘭德碟式液限儀完成，儀器為機(jī)械裝置，手工搖動(dòng)，自動(dòng)落碟和計(jì)數(shù)，試驗(yàn)前經(jīng)校準(zhǔn)合格，調(diào)整好落高10 mm。采用多點(diǎn)法(一般4個(gè)點(diǎn))，取下落擊次為25擊所對(duì)應(yīng)的含水率作為液限；塑限采用滾搓法，把試樣滾搓到直徑達(dá)3.2 mm時(shí)剛好出現(xiàn)斷裂或裂紋時(shí)的含水率作為塑限含水率，做2份為平行試驗(yàn)。稱量容器經(jīng)稱量校準(zhǔn)。試驗(yàn)稱量至0.01 g。

2)英標(biāo)。依據(jù)BSI BS EN ISO 17892-12 2004-10，液限采用圓錐儀法，液塑限聯(lián)合測(cè)定儀經(jīng)校準(zhǔn)合格，試驗(yàn)前經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比。使用80 g/30°圓錐儀，采用多點(diǎn)法(一般4個(gè)點(diǎn))，取下沉深度為20 mm所對(duì)應(yīng)的含水率作為液限；塑限采用滾搓法。稱量容器經(jīng)稱量校準(zhǔn)。試驗(yàn)稱量至0.01 g。

3)國(guó)標(biāo)。依據(jù)GB/T 50123—2019，液限采用圓錐儀法，液塑限聯(lián)合測(cè)定儀經(jīng)校準(zhǔn)合格實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比，使用76 g/30°圓錐儀，取下沉深度10 mm所對(duì)應(yīng)的含水率作為液限，塑限采用滾搓法，將試樣滾搓成3 mm時(shí)產(chǎn)生裂隙并開始斷裂則試樣的含水率達(dá)到塑限含水率。分別取2份作為平行試驗(yàn)，稱量容器經(jīng)稱量校準(zhǔn)，精確至0.01 g。

2.2 固結(jié)試驗(yàn)

各標(biāo)準(zhǔn)差異較小,試驗(yàn)步驟相似。

都是用內(nèi)徑61.8 mm，高度20 mm的環(huán)刀制備試樣，量程10 mm，最小分度值為0.01 mm的百分表或精確度為全量程0.2%的位移傳感器。

將制備好的試樣安裝至容器內(nèi)，施加接觸壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸，將百分表或傳感器調(diào)整到零位或測(cè)讀初讀數(shù)。

荷重比LIR=1，一般荷重序列為12.5 kPa,25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa,400 kPa,800 kPa,1 600 kPa,3 200 kPa，施加每級(jí)壓力24 h后測(cè)定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，按此步驟逐級(jí)加壓至試驗(yàn)結(jié)束。

存在的差別主要有：

1)接觸壓力：美標(biāo)是5 kPa，當(dāng)5 kPa荷載會(huì)導(dǎo)致明顯固結(jié)時(shí)，應(yīng)不大于3 kPa，國(guó)標(biāo)是1 kPa，英標(biāo)不大于2 kPa。

2)初始荷載：美標(biāo)和國(guó)標(biāo)為12.5 kPa，英標(biāo)要求對(duì)堅(jiān)硬土對(duì)于原位土層上覆有效壓力，硬土小于原位土層上覆有效壓力，軟土小于原位土層上覆有效壓力，一般為25 kPa，很軟的土為6 kPa或12 kPa，以免土擠出。

3)注意到美標(biāo)固結(jié)方法分為方法A 和方法B。方法A至少讀取兩級(jí)荷載規(guī)定時(shí)間的軸向變形量，且至少有一級(jí)荷載是大于第一先期固結(jié)壓力的。臨近固結(jié)結(jié)束階段，要讀取足夠的數(shù)據(jù)以驗(yàn)證主固結(jié)是否已完成。一般荷載持續(xù)時(shí)間為24 h，一些土可能需要超過(guò)24 h才能完成固結(jié)，此時(shí)荷載持續(xù)時(shí)間應(yīng)為24 h的倍數(shù)，且在報(bào)告中注明。方法B是每級(jí)荷載均讀取規(guī)定時(shí)間的軸向變形量，荷載持續(xù)時(shí)間為常數(shù)并且對(duì)于按時(shí)間平方根法或時(shí)間對(duì)數(shù)法算得的固結(jié)時(shí)間。

4)英標(biāo)荷載持續(xù)時(shí)間一般為24 h，但應(yīng)該通過(guò)第一級(jí)荷載的變形量數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。少部分土可能需要48 h，有些土可能不小于24 h或更短，此時(shí)可以提高加核頻率。

5)美標(biāo)和英標(biāo)對(duì)有膨脹的土做了相應(yīng)的規(guī)定。

2.3 剪切試驗(yàn)

各標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)儀器均為應(yīng)變控制式直剪儀，儀器的形式和組成大致相同。試樣的規(guī)格和形狀有所差異。國(guó)標(biāo)試樣是圓形的，直徑61.8，高度20；英標(biāo)試樣是方形的，邊長(zhǎng)60～100，高度20～25；美標(biāo)試樣為方形或圓形，邊長(zhǎng)或直徑不小于50，高度不小于13。

試驗(yàn)步驟大體相同，包括試樣制備、檢查設(shè)備、安裝試樣、施加軸向荷載、固結(jié)、剪切直至剪損、停機(jī)。

標(biāo)準(zhǔn)的差異主要是固結(jié)完成的判定標(biāo)準(zhǔn)和剪切速率不同。

國(guó)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)是0.005 mm/h。按實(shí)測(cè)的時(shí)間變形曲線，用時(shí)間對(duì)數(shù)法求得t50,總的剪切時(shí)間t=50t50,用預(yù)估的剪損位移計(jì)算剪切速率。

英標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)按實(shí)測(cè)時(shí)間變形曲線,用時(shí)間平方根法得到t100,總剪切時(shí)間tf=12.7t100。

用預(yù)估的達(dá)到剪損的水平剪切位移值除以tf計(jì)算剪切速率。

美標(biāo)ASTM D6528—2017固結(jié)完成的標(biāo)準(zhǔn)判定方法是用最大荷載增量的固結(jié)變形—時(shí)間平方根曲線判定主固結(jié)完成。荷載保持時(shí)間，在10倍t90或1d與t95之間取小值。在曲線上求得t90,以t90對(duì)應(yīng)的固結(jié)變形量為準(zhǔn)，再增加1/18的固結(jié)變形量，在曲線上求得t95。剪損時(shí)間要求超過(guò)2倍t90，速率要足夠小，以使剪切產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散。經(jīng)驗(yàn)上速率可取5%/h。

3 工程實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 項(xiàng)目概況

孟加拉國(guó)某污水處理廠位于孟加拉國(guó)達(dá)卡市郊，擬建場(chǎng)地為河流沖積平原，勘察時(shí)最深鉆孔為65 m，揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)沖積的黏性土、砂土為主。黏性土為軟塑黏土，細(xì)砂層、硬塑黏土和密實(shí)的細(xì)砂層等。為了更好匹配美標(biāo)、歐標(biāo)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的需要，本次勘察針對(duì)同一層土取了多組樣品，分別采用上述3種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土工試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)成果對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)取樣，分別用上述3種方法測(cè)出來(lái)的結(jié)果，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，同一層土不同指標(biāo)的平均值見表1，表2。

表1 物理指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2 力學(xué)指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.3 結(jié)果分析

1)對(duì)比分析以上測(cè)試成果，其中液限數(shù)值呈現(xiàn)明顯差距，測(cè)試結(jié)果歐標(biāo)>美標(biāo)>國(guó)標(biāo)，其他的幾項(xiàng)指標(biāo)含水量、壓縮模量、壓縮系數(shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角則沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯差距。

2)液限的差距，導(dǎo)致計(jì)算值液限指數(shù)(IL)、塑限指數(shù)(IP)均會(huì)有很大區(qū)別。在我國(guó)國(guó)內(nèi)的巖土工程勘察報(bào)告中，塑限指數(shù)(IP)通常是用來(lái)作為土的定名依據(jù)，液限指數(shù)(IL)通常是用來(lái)評(píng)價(jià)土的軟硬狀態(tài)的。為了方便使用巖土工程勘察規(guī)范和建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范等國(guó)內(nèi)已有規(guī)范，試驗(yàn)采用了圓錐下沉深度10 mm時(shí)的含水率作為液限標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了以上差異。國(guó)標(biāo)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中碟式儀法也作為標(biāo)準(zhǔn)列入，同76 g錐下沉深度為17 mm標(biāo)準(zhǔn)等效。 而在美標(biāo)、歐標(biāo)中，通常只拿液限(ωL)來(lái)定名。土的軟硬狀態(tài)則通用SPT擊數(shù)來(lái)區(qū)分。要說(shuō)明的是，美標(biāo)和歐標(biāo)利用塑性土對(duì)細(xì)粒土進(jìn)行分類與國(guó)內(nèi)分類有所差異。這也是我國(guó)國(guó)標(biāo)和美標(biāo)、歐標(biāo)最大的差別之處。

3)對(duì)比壓縮模量、壓縮系數(shù)，雖然試驗(yàn)所用環(huán)刀尺寸不一致，加荷時(shí)間和順序不一致，但最終結(jié)果，美標(biāo)、歐標(biāo)的壓縮模量、壓縮系數(shù)和國(guó)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有明顯的差異。

4)對(duì)比黏聚力、內(nèi)摩擦角結(jié)果，雖然剪切速率不一致，但最終結(jié)果，美標(biāo)、歐標(biāo)測(cè)出的黏聚力、內(nèi)摩擦角和國(guó)標(biāo)的慢剪試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有明顯的差異。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析美標(biāo)、歐標(biāo)和國(guó)標(biāo)對(duì)同一種土的試驗(yàn)結(jié)果，可以獲得一些基本思路。

1)在一些項(xiàng)目中，有中國(guó)設(shè)計(jì)人員，使用當(dāng)?shù)乜辈旃咎峁┑拿罉?biāo)或者歐標(biāo)勘察報(bào)告中，對(duì)正確選取、使用勘察報(bào)告中的巖土參數(shù)，有個(gè)基本認(rèn)知。

2)中國(guó)的勘察單位，在一些國(guó)外項(xiàng)目勘察過(guò)程中，要求執(zhí)行美標(biāo)或者歐標(biāo)，在試驗(yàn)操作過(guò)程中有一定參考和借鑒。同時(shí)在勘察報(bào)告編寫時(shí)，如何正確評(píng)價(jià)各土層性質(zhì)，更好把握各評(píng)價(jià)巖土參數(shù)有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。

3)熟練掌握勘察過(guò)程中的美標(biāo)、歐標(biāo)和國(guó)標(biāo)，和國(guó)際接軌，能更好服務(wù)于“一帶一路”項(xiàng)目。

4)相比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，美標(biāo)和歐標(biāo)比較重視試驗(yàn)過(guò)程，如樣品信息、樣品描述、取樣方法、樣品制備描述、儀器檢查、方法選擇、試劑等影響因素，在報(bào)告里都要說(shuō)明。