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摘要：土工试验技术在岩土工程及土木工程研究当中具有关键性作用，它的发展对于我国的工程建设、科研发展都具有至关重要的影响。本文针对土工试验技术中的制模技术与量测技术进行讨论，得出目前单元实验及模型试验中制模技术的短板，在应对粗粒土及密度控制方面仍有明显不足。在量测技术方面指出传感器的测量原理与测量效果仍有待提升，土体位移测量技术仍具有相当大的技术短板。
关键词：土工试验；土工测量；制模技术
1.前言
目前，岩土室内实验在土木工程实践及研究工作中的作用愈发重要，工程项目需要岩土室内实验提供关键测量指标如土的内摩擦角、粘聚力等，而土木工程尤其是岩土工程的研究工作更需要土工室内试验提供详实的实验数据以供分析和利用。而随着国家一带一路政策的推广，岩土工程项目类型愈发丰富，传统的中国内陆的工民建、路桥工程的技术手段已经不能适应当前飞速发展的需求。中国南海地区人工筑岛工程项目已经大规模启动，珊瑚土作为新型填筑材料是人工岛建设的主要材料，其力学特性亟待研究。中国路桥建设目前在青藏高原等冻土区、中国东北等季节性冻土区面临更大的工程需求，而冻土本身的力学特性仍受到很大的争议，有待进一步探索。砾性土作为一种含有砾石成分的宽级配土，在2008年汶川地震中发生了大规模的液化，但是作为地基、路基填筑料的主要成分其动力学特性的研究仍有待提升。而这些研究需求都依赖于土工室内试验的发展与技术的创新。
目前土工室内试验技术整体上依托于《土工试验规程》[1]、《土工试验方法标准》[2]等行业规范，这些规范大多针对传统给的典型类型土，如砂土、粘土等，在应对例如珊瑚土[3、4]]、冻土、砾性土[5]等土类时，往往会出现以往经验并不能适用的情况。比如对于珊瑚土由于其化学组成的特殊性，导致其易破碎性更加明显，而常规类型的土工试验方法则不能很好的适用。而冻土则缺少可信度搞得实验规范，实验技术往往是由研究人员自行探究。对于砾性土而言，以最小干密度的测量为例，目前国内尚没有规范性的测量方法描述，研究人员大多参考国外科研学者的经验做法或国外规范。因此土工室内试验技术在我国仍有很多方面值得深入探究与思考。
本文根据目前国内室内试验研究现状，针对土工试验制模方法、测量技术等关键问题进行分析，指出目前实验技术的不足之处，提出改进意见，以求更好的推进中国土工室内试验技术的发展与创新。
2.土工试验制模方法讨论
土工试验主要分为单元实验与模型试验两种。其中单元实验主要是针对三轴试验、共振柱试验等。而模型试验则主要针对于振动台试验及土共离心机试验。
对于单元实验的制模方法，目前《土工试验规程》中有较为详细的描述，主要是针对扰动土样的预备程序、扰动土样与原状土样的制备程序。其中针对扰动土样的预备程序又分为针对细粒土和粗粒土两种。而扰动土的制样方法主要分为击样法、击实法、压样法三种。这里需要注意的是，《土工试验规程》的规范化的制样方法目前仍旧只针对于5mm以下粒径土而言。对于如珊瑚土、砾性土的含有大粒径的土而言，根据该规程推荐的方法应该进行级配处理方法：剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这些方法的本质都是改变原有试验对象级配，将大颗粒土去除利用小颗粒土替代以便于能够满足三轴试验颗粒大小要求。但是这种方法一方面导致试验对象与研究对象的不匹配，本质上土性的区别很大程度上受到了土的级配的影响，每一种粒组成分都对土的力学性质有各自的影响。另一方面随着各研究单位的发展，三轴试验已不同以往一般属于专业实验，中国很多单位都已经具备了进行大型三轴试验（直径300mm及以上尺寸）或者中型三轴试验（直径100mm-200mm尺寸）的仪器与能力，但相关规范与试验技术目前并没有顺应研究现状的发展。
更进一步，在制模过程中一个十分重要的物理参数指标就是土的最大最小干密度，但是对于粗粒土的最小干密度的测量，目前依照《土工试验规程》的做法仍旧是以轻拿轻放为主要装样原则的做法，但是国际上诸多研究表明，这种做法本质上并不能得到土的最小干密度。这是一点在技术研究重点的认识的不足。
而对于模型试验的制模技术，主要是对于振动台试验与离心机实验的模型制作。目前不论是对于饱和砂土的模型制作还是对于粘土模型的制备都存在无规范、无标准的状态。各研究学者往往根据自身理解与经验，结果本人前序性实验成果进行制备，并不存在行业规范，尚属空白。目前饱和砂土模型的制备过程，以砂雨法作为主要方法，但是目前针对砂雨法的落砂孔形状、落距、流速、角度等技术参数与土的相对密度关系并没有权威统一的认识，仍需要各家单位根据实验仪器各自进行标定，难以规范化。而土共离心机中粘性土土样的制备同样存在密度控制困难的问题，尤其对于大型土模型箱子更是难以控制且工作量巨大的任务。
3.量测关键技术讨论
目前对于土工试验中的量测技术研究仍属于行业研究热点。但是整体上表现测量原理理论更新不足，测量精度进展缓慢的阶段。比如汤兆光等人[6]曾对三种行业主流国外先进的孔隙水压计量测性能对比，发现三种传感器静态表现良好，但是在动态响应过程中都存在有显著的滞后与幅值差异。
另外目前在土工实验当中，振动台试验与土工离心机试验中都普遍存在土加速度计偏转的情况，这回直接导致土的加速度时程的测量不能直观反映土体的表现。另外土与加速度计不能很好的耦合也是实验当中一个重要影响因素，加速度计与土体之间的相对位移同样会影响研究人员对土体在震动中的动力反应的判断与识别。
尤其是目前在对土体内部位移的测量上仍然有很大的困难。一种传统方法是利用土中加速度计对加速度时程进行测量，而后利用积分的方法得到土体中的位移。这种方法如前文所述，受加速度计在土中的偏转、与土的耦合情况关系密切，很难真实反映土的真实位移。另一种传统方法是利用在柔性箱体表明沿土深度布置土的位移计，通过假设土与箱壁之间没有相对位移来确定土的位移。但是在实际实验过程中，箱体的位移与土体的位移同样是不能等同认识的。而汪云龙等人[7]则提出可以利用光栅光线量测技术，以植入梁的方式判读从土中直接判土的位移与变形。这种方法从原理上极大的克服了传统不能直接读取土体本身变形与位移的弊端，具有极大的研究潜力。但是目前的算法依托于弹性的植入梁，导致其研究还属于初步阶段，具体的计算算法还难以适应复杂的土体运动。同时必须指出的是，植入梁结合光栅光线的方法目前也存在梁与土的耦合问题，是否能够真实反映土的变形还有待商榷。但是该方法本身的应用前景十分光明。
4.结论
本文通过结合目前室内土工试验中的实验技术研究现状，提出了如下几点认识：
（1）单元实验中的制模方法难以应对粗粒土的实验要求，目前较大试样尺寸的实验仪器日益普及，需要更加规范的制模指导。
（2）模型试验中需要更加深入的研究各种土类的制模方法。
（3）传感器的量测技术目前在动力响应方面仍有不足，测量原理需要深入研究。
（4）土体位移量测技术目前仍有很大的研究空间，光栅光纤的应用仍需要继续，以适应更加复杂的实验工况
（5）传感器与土的耦合情况事实中必须注意的事项。
引用文献：
[1]中华人民共和国国家标准，1999，土工试验规程[M]，SL237-1999，北京：中国水利水电出版社；
[2]中华人民共和国水电部. 土工试验方法标准[M]. 中华计划出版社, 1989；
[3]王新志, 汪稔, 孟庆山,等. 钙质砂室内载荷试验研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(1):147-151；
[4]汪云龙, 袁晓铭, 孙锐,等. 珊瑚吹填土初始剪切模量试验研究[J]. 中国海洋大学学报:自然科学版, 2017(10)；
[5]曹振中, 刘荟达, 袁晓铭. 砾性土液化特性与机理[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(7):1165-1174；
[6]汤兆光, 王永志, 孙锐,等. 三种孔隙水压计量测性能对比初探[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2017, 15(4):291-296；
[7]汪云龙, 王维铭, 袁晓铭. 基于光纤光栅技术测量模型土体内侧向位移的植入梁法[C]// 全国青年岩土力学与工程会议暨青年华人岩土工程论坛. 2013；
论文作者:张雷
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/18
标签：土工论文; 技术论文; 测量论文; 位移论文; 方法论文; 模型论文; 加速度计论文; 《防护工程》2018年第31期论文;