土工試驗(yàn)技術(shù)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

李 星

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 引 言

工程地質(zhì)勘查作為工程設(shè)計(jì)和施工規(guī)劃的重要前提，其重要性不言而喻[1]。土工試驗(yàn)是工程地質(zhì)勘查中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此必須嚴(yán)格規(guī)范試驗(yàn)操作，分析試驗(yàn)方法，才能提升土工試驗(yàn)的質(zhì)量，進(jìn)而將室內(nèi)土工試驗(yàn)和野外勘測(cè)有機(jī)結(jié)合起來，準(zhǔn)確完成土樣的分析與評(píng)價(jià)，為工程建設(shè)單位提供可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

目前，土工試驗(yàn)依然是國內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)勘查獲取地質(zhì)土樣參數(shù)的重要手段之一，應(yīng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)、《巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)》(GB 50021-2001)及相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)要求[1-3]進(jìn)行。土工試驗(yàn)在大量工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，為煤礦、建筑、路基、水利等設(shè)計(jì)施工提供了重要的數(shù)據(jù)參數(shù)。

由于自然界中土層本身的不均勻性，加上外界不確定因素干擾，會(huì)使得土工試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)結(jié)果存在各種問題[4]。因此，綜合考慮土工試驗(yàn)中的各種影響因素，對(duì)于最終的數(shù)據(jù)結(jié)果具有重要意義。鑒于此，本文通過總結(jié)梳理土工試驗(yàn)的主要內(nèi)容、儀器設(shè)備和試驗(yàn)方法等，并將其應(yīng)用到某露天煤礦邊坡地質(zhì)勘查工程中，為該工程地質(zhì)勘查提供了參數(shù)依據(jù)。

2 土工試驗(yàn)技術(shù)

土工試驗(yàn)技術(shù)的本質(zhì)就是通過測(cè)定土的物理和力學(xué)性質(zhì)，為工程勘查和設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確可信的計(jì)算數(shù)據(jù)。土工試驗(yàn)技術(shù)從試驗(yàn)內(nèi)容上看，包含土的物理性質(zhì)試驗(yàn)、土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和土的化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，其中以前兩類試驗(yàn)技術(shù)為主，而且往往需要綜合分析[5，6]。

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

土屬于自然地質(zhì)產(chǎn)物，不同類型土的顆粒大小和礦物組成差異很大，三相間的數(shù)量比例也不盡相同，加上其與周圍水分之間復(fù)雜的物理化學(xué)作用，使得土的物理性質(zhì)具有復(fù)雜性，這又導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)變得復(fù)雜。因此，為了保證室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要針對(duì)土工試驗(yàn)內(nèi)容，綜合分析土工試驗(yàn)結(jié)果，這對(duì)于專業(yè)的土工試驗(yàn)人員具有重要的意義[5]。在土工試驗(yàn)過程中，主要的常規(guī)試驗(yàn)內(nèi)容包括物理性質(zhì)試驗(yàn)和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

(1)物理性質(zhì)試驗(yàn)

含水率、密度和比重試驗(yàn)：密度試驗(yàn)采用環(huán)刀法，含水率試驗(yàn)采用烘干法，比重試驗(yàn)采用比重瓶法。另外，土的比重、密度、含水量可以換算土的干密度、孔隙比、孔隙度、飽和度等指標(biāo)。

液限與塑限試驗(yàn)：通常采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法，利用液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀，根據(jù)圓錐儀的圓錐入土深度與其相應(yīng)的含水量在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上具有線性關(guān)系這一特性來進(jìn)行，用以計(jì)算塑性指數(shù)和液性指數(shù)，是估算地基土承載力的一個(gè)重要依據(jù)。

顆粒分析試驗(yàn)：測(cè)定土樣各粒徑的顆粒組成百分比、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)，采用分析篩和振篩機(jī)，通過篩析法進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)：測(cè)定天然狀態(tài)土樣的壓縮系數(shù)、壓縮模量，采用固結(jié)儀，按加荷方式及加荷時(shí)間的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)、快速固結(jié)試驗(yàn)和應(yīng)變控制連續(xù)加荷固結(jié)試驗(yàn)。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)：測(cè)定土在外力作用下在剪切面單位面積上所能承受的最大剪應(yīng)力。按照試驗(yàn)儀器分為直接剪切試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，分別采用應(yīng)變控制式直剪儀及應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)理論方法

土工試驗(yàn)中，每一項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的獲取都是基于專業(yè)技術(shù)理論和試驗(yàn)操作方法的緊密結(jié)合。限于篇幅原因，在此只介紹常用的壓縮性能和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的技術(shù)理論。

2.2.1 壓縮性能

土的壓縮性能，一般通過壓縮系數(shù)和壓縮模量進(jìn)行表征。壓縮系數(shù)表示土在單位壓力作用下孔隙比的變化，通常用壓縮系數(shù)表示土的壓縮性能，采用土的e-p曲線中的某一壓力區(qū)段的割線斜率表示壓縮系數(shù)，可通過式(1)計(jì)算：

(1)

其中，av為土的壓縮系數(shù)(MPa-1),1000為單位換算系數(shù)；Pi為某級(jí)壓力值(kPa)，ei為相對(duì)應(yīng)Pi的孔隙比。一般而言，壓縮系數(shù)越大，土的壓縮性越大。土的壓縮系數(shù)不是常數(shù)，會(huì)隨著壓力Pi的變化而變化。

此外，工程上常用室內(nèi)試驗(yàn)求壓縮模量，可通過公式(2)計(jì)算：

(2)

其中，Es為土的壓縮模量(MPa)，e0為天然孔隙比，av為土的壓縮系數(shù)(MPa-1)。由此可知，壓縮模量與壓縮系數(shù)成反比變化，壓縮模量越大，土的壓縮系數(shù)??；反之，壓縮模量越小，土的壓縮系數(shù)越大。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度

土的抗剪強(qiáng)度是土的重要力學(xué)性質(zhì)，表示土在外力作用下在剪切面單位面積上所能承受的最大剪應(yīng)力，由土的顆粒間的內(nèi)摩擦力及由膠結(jié)物與水膜的分子引力產(chǎn)生的黏聚力共同組成。其中，摩擦力內(nèi)角和黏聚力是土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的兩個(gè)重要指標(biāo)。抗剪強(qiáng)度可基于摩爾-庫倫強(qiáng)度理論，采用公式(3)計(jì)算：

τ=c+σtanφ

(3)

其中，φ為內(nèi)摩擦角(°)，c為土的黏聚力(kPa)，無黏性土?xí)rc=0；σ為破壞面上的有效法向應(yīng)力(kPa)。

3 工程應(yīng)用

隨著國內(nèi)露天礦開采的規(guī)模與深度愈來愈大，邊坡失穩(wěn)或潛在失穩(wěn)問題越來越嚴(yán)重，露天礦滑坡問題尤為突出。因此，需要在施工前期對(duì)其邊坡地質(zhì)進(jìn)行勘查，通過土工試驗(yàn)為其提供評(píng)價(jià)依據(jù)。以下按照土工試驗(yàn)內(nèi)容及方法規(guī)范，針對(duì)白石湖露天煤礦邊坡工程地質(zhì)勘查與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)項(xiàng)目的砂樣進(jìn)行土工試驗(yàn)。

3.1 露天礦邊坡概況

白石湖露天煤礦位于阿爾泰地槽褶皺帶諾末褶皺東南緣，伊吾縣的淖毛湖煤田西段，礦區(qū)總體為一南傾的單斜構(gòu)造(傾角為6°～25°)。礦區(qū)屬強(qiáng)烈的風(fēng)蝕殘丘地貌，地勢(shì)呈南北高、中部低、西高東低的總體態(tài)勢(shì)。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

白石湖露天煤礦邊坡土樣皆為砂土，數(shù)量為5組，試樣皆為重塑樣。根據(jù)項(xiàng)目要求，主要進(jìn)行砂樣的含水率、密度和比重試驗(yàn)，砂樣的顆粒分析試驗(yàn)，砂樣的壓縮試驗(yàn)，砂樣的直接剪切試驗(yàn)和砂樣的三軸剪切試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)依據(jù)規(guī)范

所有砂樣的物理性質(zhì)試驗(yàn)和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的操作均按GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

3.4 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.4.1 砂樣的含水率、密度和比重試驗(yàn)

密度試驗(yàn)采用環(huán)刀法，含水率試驗(yàn)采用烘干法，比重試驗(yàn)采用比重瓶法。測(cè)定出原狀砂樣的濕密度、含水率及比重值，推算出土的干密度、孔隙比和飽和度。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 砂樣的含水率、密度和比重試驗(yàn)結(jié)果

由于土的物理性質(zhì)指標(biāo)間相互關(guān)聯(lián)，因此可綜合分析判別這些指標(biāo)的準(zhǔn)確性。如飽和度超過100%，說明原始3個(gè)指標(biāo)的測(cè)定有問題。一般情況下，問題出在含水率和密度的測(cè)定上。因此，需要對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步確定，確保這兩項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)值的準(zhǔn)確，從而提高其它指標(biāo)的準(zhǔn)確度[7]。

3.4.2 砂樣的顆粒分析試驗(yàn)

顆粒分析試驗(yàn)采用篩析法。標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑為2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。根據(jù)各級(jí)篩上及底盤內(nèi)試樣的質(zhì)量，計(jì)算出小于某粒徑的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分比，繪制顆粒大小分布曲線，進(jìn)而測(cè)定出砂樣的顆粒大小組成百分比、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)及平均粒徑，見表2。依據(jù)顆粒大小組成百分比對(duì)砂樣進(jìn)行分類定名，土樣均為中砂類。

表2 砂樣顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

3.4.3 砂樣的壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)儀器為全自動(dòng)固結(jié)儀。試樣的面積為50cm2，高度為2cm。該試驗(yàn)中采用壓樣法制備試樣，按6%含水率及干密度計(jì)算出試樣所需砂土質(zhì)量，用特制的壓樣模一次壓制成型，再用風(fēng)干法使試樣的含水率降低到天然含水率。壓縮試驗(yàn)的加壓等級(jí)為50kPa、100kPa、200kPa，并以試樣變形每小時(shí)變化不大于0.005mm作為壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)砂樣的壓縮曲線(如圖1所示)和前述的計(jì)算理論，可得出砂樣的壓縮系數(shù)和壓縮模量。在式(1)中，工程上一般采用壓力由Pi=100kPa增加到Pi+1=200kPa時(shí)所得的壓縮系數(shù)a1-2來判定土的壓縮性：

(1)當(dāng)a1-2<0.1MPa-1時(shí)，為低壓縮性土；

(2)當(dāng)0.1MPa-1

(3)當(dāng)a1-2>0.5MPa-1時(shí)，為高壓縮性土。

同理，利用式(2)，可以得出對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es1-2，具體結(jié)果見表3，可以判斷該砂樣屬于中壓縮性土。

圖1 砂樣的壓縮曲線

3.4.4 砂樣的直接剪切抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)儀器為應(yīng)變控制式直接剪切儀。試樣的面積為30cm2，高度為2cm，每組4個(gè)試樣。為了便于制樣，按6%天然含水率及干密度計(jì)算試樣所需砂土質(zhì)量，用特制的壓樣模一次壓制成型，再用風(fēng)干法使試樣的含水率降低到天然含水率。施加的垂直壓力為100kPa、 200kPa、300kPa和400kPa。進(jìn)行快剪試驗(yàn)時(shí)，將制備好的試樣裝入直接剪切儀，施加垂直壓力，拔去固定插銷，立即以0.8mm/min的速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

如果砂樣的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線有峰值點(diǎn)，則以峰值點(diǎn)作為破壞點(diǎn)；如果無峰值點(diǎn)，取剪切位移等于4mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為破壞點(diǎn)。按此破壞標(biāo)準(zhǔn)，確定砂樣在不同試驗(yàn)條件(垂直壓力)下的抗剪強(qiáng)度值。如圖2所示，根據(jù)其中一砂樣的抗剪強(qiáng)度和垂直壓力曲線關(guān)系及前述的計(jì)算理論，可以獲取該砂樣的直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。其他砂樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算類似，具體結(jié)果見表3。

圖2 砂樣的抗剪強(qiáng)度和垂直壓力的關(guān)系曲線

3.4.5 砂樣的三軸剪切抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)天然含水率試樣進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)所用儀器為應(yīng)變控制式三軸剪切儀。采用壓樣法制備靜三軸試驗(yàn)的試樣，試樣尺寸為直徑3.91cm，高8cm。為了便于制樣，按6%含水率及干密度計(jì)算出試樣所需砂土質(zhì)量，五等分后用特制的壓樣模分層壓實(shí)。每層壓實(shí)后，將土面刨毛，再裝下一層并壓實(shí)，以便層間接觸良好，保證試樣的均勻性。試驗(yàn)前，用風(fēng)干法使試樣的含水率降低到天然含水率。所制備試樣間的干密度差不超過0.03g/cm3，所施加的周圍壓力為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率為0.36m/min。以試樣的體變及軸向變形穩(wěn)定作為固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)砂樣的抗剪強(qiáng)度和垂直壓力曲線關(guān)系及前述的計(jì)算理論，可以獲取砂樣的三軸剪切總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表3。

表3 砂樣力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

通過分析可以總結(jié)出一般規(guī)律：土的壓縮性越高，壓縮模量越低，其抗剪強(qiáng)度則越??；土的壓縮性越低，壓縮模量越高，其抗剪強(qiáng)度則越大。當(dāng)然，由于土的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，經(jīng)常存在一些特殊情況，因此需要專業(yè)技術(shù)人員本著科學(xué)的態(tài)度，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

土工試驗(yàn)在工程勘查應(yīng)用中效果顯著，尤其對(duì)于地質(zhì)情況復(fù)雜的工程，需要通過多次試驗(yàn)獲取大量的試驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)。本文通過以上試驗(yàn)方法，獲取土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，從而總結(jié)出一般性規(guī)律，為煤礦邊坡地址勘查和后期的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。但實(shí)際試驗(yàn)操作過程受限于主觀因素和客觀不確定因素的干擾，往往會(huì)存在一定的誤差，這需要專業(yè)技術(shù)人員經(jīng)常性地對(duì)工程進(jìn)行分析總結(jié)，緊

密結(jié)合土的物理和力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行科學(xué)合理的綜合分析，從而確保土工試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。