本发明涉及一种岩土松散系数的测试方法。
背景技术：
土方开挖或盾构施工过程中，经常会计算出土量，出土量的计算过程中需要采用松散系数这个参数，目前松散系数都是凭借经验获取，例如通过参照类似岩土的松散系数，准确性较低，导致实际出土量与理论出土量有一定差距。本发明的目的是提供一种测试方法，对岩土的松散系数进行准确测试和计算。
技术实现要素：
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种岩土松散系数测试方法，该方法简单易行，通过取用施工现场的岩土样品，可准确地获得岩土的松散系数，以供准确计算出土量。
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种岩土松散系数测试方法，所述方法包括：
s1:获取原状岩土的体积v原；
s2:在不改变含水量的情况下，将原状岩土试样扰动，测量扰动后土样的体积v扰；
s3：计算松散系数k＝v扰/v原。
根据本发明方法的一个实施例，步骤s1中，当被测岩土为细粒土时，用已知容积的容器采取原状岩土，记录原状岩土的体积v原。
优选的，所述已知容积的容器为取土器。
根据本发明方法的一个实施例，步骤s2中，被测岩土为细粒土时，使用量杯测量所述扰动后土样的体积v扰。
其中，步骤s2中，被测岩土为细粒土时，采用锄头、钉耙、切刀或铲刀工具对原状岩土试样进行扰动。
根据本发明方法的一个实施例，步骤s1中，当被测岩土为粗粒土时，直接挖取一个标准几何体形状的坑，测量该坑的几何尺寸，记录该坑的体积，记录为v坑，用v坑代替所述原状岩土的体积v原。用量尺量出该标准几何体形状的坑，例如矩形体坑的长宽高，圆柱体底面的半径和高等。
根据本发明方法的一个实施例，上述方法尤其适用于浅埋的粗粒土，当然深埋的粗粒土也可适用，只是深埋的粗粒土需要通过挖井取样，考虑到成本和安全性，浅埋的粗粒土优选通过直接挖标准几何体形状的坑来获得v坑，且以v坑作为v原。但深埋的粗粒土如果直接挖取采集原状岩土就显得难度较大、成本较高、也不够安全，容易出现塌坑、必须基坑支护等等问题，因此本发明优选采用专门的取土工具来获得原状岩土。通常地，浅埋界定为地面及地面以下2-3m以内的岩土，站在地面即可轻易获取岩土；深埋一般指地下3米以下的岩土，需借助专门的取土工具，专门的取土工具包括但不限于钻进装置(钻具)和取砂器等。
根据本发明方法的一个实施例，在步骤s1中，当被测岩土为粗粒土时，用专门的取土工具采取原状岩土，并测量体积v原；具体地，当粗粒土为砂土时，使用截面已知的取砂器采取砂土原状样，在从取砂器中倒出之前，用量尺量测原状样砂土体积v原，记录原状岩土的体积v原；当所述粗粒土为碎石土时，使用截面已知的取砂器并用植物胶取芯法采取原状样岩芯，再从取砂器中倒出之前，用量尺量测原状样岩芯的体积v原。使用专门的取土工具采取原状岩土，主要是考虑到粗粒土直接挖取时会必然导致松散，而专门的取土工具(取砂器或取砂器兼用植物进取芯法)可获得原状岩土。
其中，被测岩土为碎石土时，采用锄头、钉耙、切刀或铲刀工具对植物胶取芯法采取的原状样岩芯进行扰动。
根据本发明方法的一个实施例，在步骤s2中，被测岩土为粗粒土时，使用长宽高已知的矩形体、或底面和高度已知的圆柱体，测量所述扰动后土样的体积v扰。
在本申请中，原状土：通常又叫做原状岩土试样，是自然状态下保持天然含水量及天然结构的土样。使用取土器取原状岩土试样的方法为现有技术，包括压入法、击入法和回转击入法。取土器的直径的选取跟土层性质有关，对于软土、黄土等易于扰动的土层，宜采用直径较大的取土器，反之对于砂土和碎石土等扰动小(不易扰动)的土层，可采用直径较小的取土器。对一般粘性土和老粘性土可选用壁厚小于6mm的对开式取土器，而对于软黏土可选用面积小于20％，壁厚3-4mm的取土器。取砂器和取土器是不是结构和作用原理基本相同，只是应用的对象有所区别。取土器和取砂器属于现有技术。
对于坚硬的碎石土或岩样时，由于结构性较明感，优选采用机械式回转钻进用的回转压入式取土器(双层取样器)。此外，选用植物胶护孔，可减少对岩土的扰动。回转压入式取土器是在轴心压力作用下的筒状取土器用回转研磨方式切削岩石的一种取芯钻进方法。
根据本发明方法的一个实施例，步骤s2中，被测岩土为细粒土时，使用量杯测量所述扰动后土样的体积v扰；被测岩土为粗粒土时，使用长宽高已知的矩形体、或底面和高度已知的圆柱体，测量所述扰动后土样的体积v扰。
在本申请中，细粒土通常指粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50％的土，基本包括粉土和粘性土两种。细粒土的特性是挖出时能保持原状岩土，因此可直接测量体积。
粉土：塑性指数等于或小于10的土。
粘性土：塑性指数大于10的土。
在本申请中，粗粒土是指粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50％的土，基本包括砂土和碎石土(不含漂石、块石)两种。它是由大小不等的粗细颗粒组成，最大颗粒可达1000mm以上，粒径变化范围很大，粗细颗粒特性相差悬殊。粗粒土的特性是直接挖取后会必然造成松散，不是原状，测出的体积不准确，导致计算的送算系数k不准确。
砂土：地质学上，把粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50％，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50％的土称为砂，可将其分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂5种：砾砂是粒径大于2mm的颗粒质量占总质量的25％～50％的砂土；粗砂是粒径大于0.25mm的颗粒质量超过总质量50％的砂土；中砂是粒径大于0.5mm的颗粒质量超过总质量50％的砂土；细砂是粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量85％的砂土；粉砂是粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50％的砂土。
碎石土：一般将粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50％的土称为碎石土，可将其分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾6种：漂石、块石是粒径大于200mm的颗粒质量超过总质量50％的碎石土(二者区别在于被磨圆程度不同)；卵石、碎石是粒径大于20mm的颗粒质量超过总质量50％的碎石土(二者区别在于被磨圆程度不同)；圆砾、角砾是粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50％的碎石土(二者区别在于被磨圆程度不同)。
在本申请中，植物胶取芯法：是指钻孔时，将传统的泥浆护壁所用的“水和膨润土以及cmc等混合液”泥浆替换成由“膨润土、植物胶和纯碱水溶液”配制的植物胶，以该植物胶作为钻井冲洗液材料,既可直接配制成无固相冲洗液,又可作为一种增粘、降失水及提高润滑减阻作用的泥浆处理剂,还可配制成低固相泥浆,适用于不同的复杂地层。植物胶具有良好的流变性，有利于井壁稳定和携带钻屑，可明显提高钻速，减轻钻具的磨损；对破碎地层、砂岩层等渗漏性地层有明显的封堵；取芯时可在岩样表面形成一层保护膜，可获得较高的采芯率，适用于各种水基泥浆。通过植物胶的粘连作用，可避免粗粒土(特别是碎石土)等直接被直接挖出时呈松散状，可获得原结构状岩芯样，从而准确获得v原。
在本申请中，扰动：是指将自然状态下的岩土挖出，使其变成松散状态至体积基本不再变化的过程。
本发明的有益效果是：
本发明设计了一种岩土松散系数测试方法，该方法简单可行，通过在施工现场实时采集原状岩土试样，测量原状岩土试样的体积，再通过锄头、钉耙或者铲刀等金属工具，手动将原状岩土试样完全扰动(粗粒土无需额外扰动处理)后，测量扰动样体积，岩土的松散系数＝扰动样体积/原状岩土试样的体积，由此可快速且准确的及时测算岩土松散系数，更符合施工现场岩土的实际情况，利用该系数能够准确推算出土方开挖或盾构施工过程中的出土量，以便准确地施工预算。本发明方法计算的松散系数准确度远高于经验值。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明提供一种岩土松散系数测试方法，所述测试方法包括：
s1:获取原状岩土试样的体积v原；
s2:在不改变含水量的情况下，将原状岩土试样扰动，测量扰动后土样的体积v扰；
s3：计算松散系数k＝v扰/v原。
根据不同的岩土性质，兼具节约成本、易于实现性、可靠性、安全性和准确性等综合考虑，在步骤s1获取原状岩土的具体方法也会所有不同。以下将根据具体实施例进行说明。其中，扰动可利用锄头、钉耙或者铲刀等扰动工具，人工扰动试样或采用一种试验设备扰动试样。
以下是本发明方法的具体实施例。
实施例1：细粒土松散系数的测试
测试用仪器：取土器(截面已知)、锄头、钉耙或者铲刀等扰动工具、量尺、量杯
测试步骤：
(1)在施工现场采用取土器采取的原状岩土试样，在原状岩土试样从取土器倒出之前，用量尺测量原状土的体积v原≈1000ml。
(2)即刻将上述细粒土样利用锄头、钉耙或者铲刀等扰动工具，扰动原状岩土试样；
(3)用量杯量测扰动土样的体积v扰≈1210ml。
(4)计算松散系数k＝v扰/v原，k＝1.21。
实施例2：浅埋的粗粒土松散系数的测试
测试用仪器：铲刀、量尺、长宽高已知的矩形体、或底面和高度已知的圆柱体
测试步骤：
(1)向地面挖约1.5m的坑，注意不要对坑底部施加压力，然后轻轻地把已受一定程度扰动的孔底20cm的土柱清理掉；在孔底选定将要采取土样的场地，用铲刀或刮刀整平，用量尺划出规则的轮廓线，确定矩形体坑的长宽高，长为0.5m，宽为0.2m，沿轮廓线下挖约39～41cm的深度h，量取四边的深度取平均值h坑≈40cm，计算v坑体积＝0.5m*0.2m*0.4m＝0.004立方米，记录v坑，并以v坑作为v原代入计算松散系数的算式中；
(2)将挖出的粗粒土试样置于长宽高已知的矩形体、或底面和高度已知的圆柱体，测出体积v扰≈5100ml；
(3)计算松散系数k＝v扰/v原，k＝1.275。
在本实施例中，不再需要专门使用扰动工具对粗粒土试样进行扰动，因为浅埋的粗粒土被挖坑取出后，必然会导致粗粒土试样的扰动。
浅埋界定为地面及地面以下2-3m以内的岩土，测试者站在地面可比较轻松地获取原样岩土，不需要钻很深的取样井。
实施例3：深埋的砂土松散系数的测试
测试用仪器：取砂器(截面已知)、量尺、量杯
测试步骤：
(1)钻探至5m深度的砂层时，用机械式回转钻进用的回转式取砂器(双层取样器)采取砂土，挑选出原状样品，在从取砂器中倒出前，用量尺测量原状砂土的体积v原≈2100ml。
(2)直接用量杯测出体积v扰≈2800ml。也可通过在量杯里装入水并读取液面，然后将原状样品用密封防水薄膜袋包裹后没入量杯内，再次读取量杯液面高度，两次液面高度差求得v扰。
(3)计算松散系数k＝v扰/v原，k＝1.33。
在本实施例中，不再需要专门使用扰动工具对砂土试样进行扰动，因为砂土从取砂器中倒出后必然会导致砂土试样的扰动。
深埋一般指地下3米以下的岩土，需借助专门的取土工具如钻具和取砂器等。
实施例4：深埋的碎石土松散系数的测试
测试用仪器和试剂：量尺、膨润土、植物胶、纯碱水溶液、铲刀等扰动工具，钻具、长宽高已知的矩形体、或底面和高度已知的圆柱体；
测试步骤：
(1)植物胶钻进液配制：将膨润土和植物胶接8:3的比例混合均匀后,加入配成的纯碱水溶液中搅拌20分钟即可.膨润土与植物胶混合物的用量为冲洗液总量的5-9％,纯碱的用量为膨润土植物胶总重量的5％-6％，配制时，应注意慢慢倒入搅拌机内，以防止结团。
(2)钻探至8m深度的碎石土层时，采用上述配制的植物胶钻进液作替换传统的泥浆护壁，采用钻具和植物胶取芯法采取岩芯，该方法可为回转式钻进，从中挑选出原状保持最好的样品，在从取砂器中倒出前，用量尺测量原状碎石土的体积v原≈3500ml。对于不规则形状的原状碎石土样品，难以获得较为准确体积的，可通过在已知容量的容器里装入水并读取液面，然后将原状碎石土样品用密封防水薄膜袋包裹后没入量杯内，再次读取容器液面高度，两次液面高度差求得v原。
(2)将上述原状碎石土样品用锄头、钉耙或者铲刀等扰动工具扰动，然后将扰动后碎石土，置于已知的矩形体、或底面和高度已知的圆柱体容器内，测出体积v扰≈4500ml。也能够通过在容器里装入水并读取液面，然后将原状样品用密封防水薄膜袋包裹后没入量杯内，再次读取量杯液面高度，两次液面高度差求得v扰。
(4)计算松散系数k＝v扰/v原，k≈1.29。
深埋一般指地下3米以下的岩土，需借助专门的取土工具如钻具和取砂器。