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实验室研究

当必须（i）评估岩石或土壤对特定用途的适用性，以及（ii）评估其成分时，通常要求进行实验室研究。

（i）大量的岩石和土壤被用作大型工程方案中的骨料和填料，例如在建造大坝、道路、新城镇等。必须在施工期间不断测试所使用天然材料的适用性，通常提供一个专门设立的实验室作为办公室现场的一部分。

（ii）成分测试是矿物的商业提取中的常规程序。含金属和非含金属矿物的矿工必须不断地测量从矿山和采石场生产的矿石或石头的质量。煤、天然气和石油工程师关注从地面获得的燃料的热值，水工程师不断监测由水井抽取的地下水的质量。

用于工程施工的土壤和岩石总是通过实验室测试来进行分类，这需要评估这些材料的一般组成。当怀疑存在不稳定矿物时，才对其组成进行详细评估。例如，含有黄铁矿的页岩（84页）会在暴露时氧化，可能不适合用于建设堤坝，或者含有在波特兰水泥的存在下变得不稳定的矿物橄榄石（72页）的玄武岩将不适合作为混凝土骨料。在这两个实例中，不稳定的矿物将导致岩石的强度随时间降低。一些粘土矿物在润湿时膨胀，特别是蒙脱石族的膨胀，并且它们的体积增加可能在地面中产生未预期的不稳定性和应变。

样品和取样

取样土壤和岩石时必须小心，以确保样品能代表特定材料调查,取样期间,其干扰不会影响测试执行的结果（参见Broms，1980和Amer.Soc.Testing Materials，1970）。不可能做到在没有任何方式干扰的情况下收集样本，原因会在第九章解释。

在实践中，可以获得两类样品。

（i）常规样品，即轻微扰动，但由经验丰富的工作人员合理谨慎收集，应确保其不会发生可避免的水分含量的变化，不会丢失其任何成分（例如混合砾石中的细砂），并且不会因粗心的处理而变形。如果要测量其强度或磁导率。常规样品必须正确储存和标记。表11.1提供了样品需求指南。

（ii）研究样品，即尽可能仔细的收集的样品，通常使用昂贵的程序以减少干扰：这种样品在商业常规取样中得不到经济上的提供。

Kallstenius（1963）和Rowe（1972）阐述了使用商业常规采样的方法来获得常规样品的困难。

指南

应尽可能遵守以下准则，并考虑常规取样所需的最低标准。

样品的选择

图11.1展示了一个20米深的钻孔沉陷，以研究10米times;10米的地基下面的地面。如果以2m为间隔取样，如图所示，取样的体积将大约是承受负载的地面体积的1/250000。本示例演示了选择用于测试的样品时所需要注意的事项。应该总是测试土壤和岩石中的弱层和弱区。待测试样品在实验室中通常具有防止它们含有主要弱点表面（例如接头和裂缝）的尺寸，并且实验室测试通常会过高地估算原位剪切强度。当从地面回收并准备测试时，试样发生不可避免的变形，导致大多数实验室试验低估了原位模量：（见Marsland，1975;和Lessons from Failure，第170页）。

样品的收集

通过用石蜡或聚乙烯不渗透材料来密封样品，可以避免因为润湿或干燥改变水分含量（参见Stimpson等人，1970）。这应该在样本收集后尽快完成；样品不应该从地面自然含水量被湿润或干燥改变的地区收集。

材料损失是砂、砾石和类似沉积物中的风险，其具有很少或没有内聚力，并且应该避免材料损失。不太受干扰的湿砂样品可以通过轻轻地迫使取样管插入地面，从在水台上方的自然暴露面、挖掘和钻孔中获取。在水位以下不容易获得样品，如果要从钻孔中取出，孔中的水位应保持高于相邻地面的水位。从钻孔向外流动的水将趋向于防止较细的颗粒的损失，否则这种较细的颗粒将从其周围通过来自周围地面的水的流入冲洗掉。获得样品后，在运往实验室过程中应避免材料损失。这些问题在处理岩石时没有处理较弱的材料和钻孔细粒那么严重，后者应该特别小心处理。

局部过应力经常发生在修剪和运输软材料（例如土壤）过程中。修剪的干扰受使用的取样方法和切削工具的影响。并且切割刃应该保持锋利，以便平滑和干净地切割。它们也应当很薄，以便当它们通过土壤时它们几乎不产生位移。这在推入地下以收集样品的取样管的设计中是重要的;应该观察形状的面积比，其中Da是切削刃的外径，Db是其内径。以上表示由采样器移位的地面面积与样品面积成比例。 如果比率大于25%，则在样品的边缘上可能发生严重干扰，如图11.2所示。

干扰也可以发生在样品与样品管或核心桶的挤压过程中,应采取护理使样本和取样器壁之间的摩擦是保持尽可能低,在挤压过程中避免过度压力。像岩石一样较硬的的材料可以通过取心取样,如第九章所述。 手标本的岩石至少应该是8cm^3~10cm^3来形成采样的代表。地下水样品可以收集在玻璃或聚乙烯螺旋帽烧杯中,这种选择取决于未来所需要进行的分析。

表11.1显示用常规实验仪器装置进行标准测试所需的样本规模,表11.2的方法通常用于他们的回收的方法。

样本的储存

在处理和存储样品时，特别是土壤和软岩的样品，应注意采取必要的预防措施。应提供足够的容器，以防止其在收集后受到任何进一步的干扰。至少用两个大的耐用标签来给出样品取样的位置和深度，它们的收集日期和序列号应该是每个样品的一个标签放置在容器内部，另一个标签放置在容器外部，样本号记录在日志中。标签应该用不可擦除的墨水书写，并且能够承受现场工作的磨损和撕裂。 通常应该在其收集的两周内测试土壤样品，在该间隔期间，它们最好储存在受控湿度的冷却室中。

硬岩样品不太脆弱，但仍需要合理小心处理。个别样品应安全标记。这可以通过在样品上涂上序列号来完成。那些必须运输的，应该单独包装（报纸是理想的），并用板条箱包装。样本的序列号列表应包括在箱子中并记录在现场日记中。 芯通常在芯盒中储存和运输，芯盒应清楚地标记钻孔数量和位置以及芯来自的水平。关于土壤和岩石的取样和处理的进一步资料来自Hvorslev（1948）的英国标准5930（1981）和地球手册（U.S. Bur.Reclamation，1974）。

实验室测试

通常对岩石和土壤样品进行的实验室测试现在描述如下：它们被分为五类。

组成测试

对煤、石油产品、矿石、焊剂、石灰和地下水等物质成分的分析通常应遵循规定的标准。如前所述，偶尔需要分析其他岩石和土壤的组成以解决当使用这些材料用于建造时的特定问题。在所有情况下，成分的污染和损失应该避免并做好所观察化学分析的标准预防措施。

组合物的测试有三种类型：

物理测试：这些涉及岩石和土壤中矿物的物理性质，以及它们的化学性质，如11.3中列出（见Zussman，1967）。

化学测试：这些包括常规湿法和干燃烧，通常用于测定有机物含量、硫酸盐和氯化物。给出组成的定性指示的简单方法列于表11.4中。

物理化学测试:这些采用专业技术来测量矿物质的特定属性和提供诊断价值的信息。它们包括电导、光谱分析、差热分析(DTA)、X射线衍射(表11.5)。

结构测试

在这里描述的三个测试中的两个需要保持晶粒的相对位置并因此保持晶粒接触和中间空隙的形状和尺寸的未干扰的样本，但是难以实现。

整体结构

整体结构的研究需要一个保存所有的形状和分布的空洞的原状样品。薄片通常用于大多数岩石的研究(渗透。66)。如粘土和其他软沉积物这样的较弱的材料,可以用蜡或环氧树脂浸渍来加强硬度；可以观察到精致的结构(Morgenstern Tchalenko,1967)。立体扫描显微镜可以用于观察小的结构。结构的间接评估通常从其孔隙度来判断,孔隙度可以从实验室测量样品的电阻率来获得。声波速度也用于此目的。两种方法受样品的成分和孔隙水的存在所影响。

通过确定空隙的总体积而不是其单独的体积或形状，最容易研究样品中空隙的结构。可以从如上所述的薄切片获得所述样品（第66页），但是所述方法限于一次在一个平面中进行取样，并且难以用于研究在粉砂和粘土中发现的细纹理。岩石中空隙的体积通常从体积密度和干密度值来评估，其中（y）是体积密度，（y _g）是颗粒的平均密度，或者来自饱和和干燥状态。结果表示为空隙率（见第6章，第112页）或孔隙率。这些测试需要未受干扰的样品。

粒度分布

构造中固体部分的描述通常限于固体的形状和尺寸。在通常用于碎石形状而不是天然骨料的混凝土骨料的分类中，通常考虑颗粒形状：参见例如British Standard，812（1975）。更常见地确定晶粒尺寸，并且可以从薄截面获得岩石。在未凝固的粒状材料如沙子、砾石和粘土中，通过筛分或通过沉降方法发现。在筛分中，颗粒状样品通过分级筛的堆叠，最大孔径尺寸在堆叠的顶部。测量保留在每个筛子上的样品的重量，并且表示为通过该筛子的整个样品的百分比。然后将连续筛上保留的重量作为相对于筛子尺寸的累积曲线作图，如图11.3所示。该方法用于直径约0.1mm的颗粒，即从卵石到细砂。较细的材料如泥沙和粘土通常通过沉降技术确定：将水中的悬浮液置于圆筒中并使其沉降，每个颗粒以根据其尺寸和比重的速率沉降。悬浮液中的粒度分布可以通过在一段时间内从气瓶中给定水平的悬浮液中取小量样品来计算。这两种技术以及使用比重计的第三种技术在British Standard，1377（1975）和American Society for Testing and Materials中描述。

粒度分布曲线的形状可以大约表示为均匀性系数,定义为定量D₆₀/D₁₀ ,D₆₀和D₁₀相对应的粒子大小的累积百分比分别为60和10。风吹沙的均匀系数如图11.3所示为1.0,对砂质冲积土来说是9.0。样品粒度分析不需要不受干扰的样品但是他们应该未被污染的和完整的,也就是说,样品没有任何一部分丢失。

强度测试

在实验室测试的标本的强度是受下列因素影响:
（i）标本的年龄。样品应该在他们从地面取出不久后被测试，以避免不必要的强度的损失与压力的缓解和由他们水分含量的减少导致的未知的强度增长(见第9章）
（ii）样本的大小。大型标本将比小样本包含更多的表面和表现出较低的强度(图11.4)。

（iii）测试的速度。在测试期间标本内孔隙水压力的变化造成加载产生,如第九章所述。岩石或土壤的强度将受到这些变化的影响，可能相同样品的不同样本之间的变化大小不同,给了每个样本不同的强度。最有用的测试是在允许孔隙压力在衡量样本时发生变化的速度下进行。
（iv）样品的结构。样品内表面,如层理和分裂,将影响其强度,见图11.5。
施加到试样的载荷应该重现在地面中预期的载荷，并且载荷逐渐增加的试验再现适用于大多数工程工作的条件。 在地震或海浪加载期间经历的动态条件下测量土壤和岩石强度的测试必须以适当的周期性循环加载样本。为了测量土和岩石的蠕变强度，需要长时间保持恒定载荷。

弹性模量

这些可以从静态加载的土壤或岩石的圆柱体获得，并注意到所产生的应变方向正交和平行于施加的负载的方向。然后可以确定弹性模量和泊松比。在试样中的初始应力应变曲线的斜率小于在随后的试验中获得的曲线的斜率;这通常归因于在样品收集期间打开的空隙和裂缝的闭合。使用来自第二次和后续加载循环的曲线进行分析是正常的。在动态条件下的弹性常数可以通过测量通过材料的压缩和剪切波的传播速度间接确定。（Amer.Soc.Testing Materials，1975）。在所有这些测试中应使用无扰动的样品。

固结性状

压缩系数是通常需要的特性,这是单位体积伴随着压力的变化产生的变化(用于计算定居点的大小),固结系数是和渗透系数和压缩系数的比成正比(用于计算沉降的速率见第9章)。在这两种常用的实验室方法中,样本被一个已知的负载压缩并测量它的体积对时间产生的变化。最简单的装置是一种固结仪(图11.6）。

在这个设备中样本在一个圆柱形容器内受轴向加载,这样只允许一个方向的整合,即垂直。大样本可以在Rowe Cell 中进行测试(图11.7)。

可以使用三轴仪来获得在三维空间中的整合(图11.8）,在这里夹套圆柱形样本可以从其上部和最下部排出孔隙水。它是受到加压流体多方面的压力,所以在图11.8中ax=ay=az。排水设施允许孔隙水逃离样本,所以其体积减小和整合。不受干扰的样品通常是必需的。

膨胀性状

防止样品膨胀所需的压力可以使用压力计测定。通过这种方法，可以测量由某些粘土矿物（81页）水合产生的膨胀压力，或者通过将无水石膏水合成石膏，或当土壤中的水转化成冰时（如在永冻土中，第35页）。

抗拉强度

这可以用两种方式测量。较简单的方法将试验气瓶加载在张力中直到发生故障，并使用标准拉伸试验台。第二种方法沿着直径以压缩方式装载测试盘，从而在直径表面上引起拉伸破坏。这有时被称为巴西测试。这些测试的表观简单性是虚假的，结果可能随样品制备、测试程序和使用的设备而变化（Mellor和Hawkes，1971）。应该使用不受干扰的样品。

单轴（或无约束）抗压强度

这通常通过将岩石圆柱体静态加载到破坏中来确定，负载施加在样品的上表面和下表面上。所获得的结果部分地是样品的长度--宽度比和负载速率的函数。测试的简单性有点欺骗性（Hawkes和 Mellor，1970）。应该使用不受干扰的样品。

三轴抗压强度

将圆柱形样品放置在容器内的基座上，并用不可渗透的膜套上。这将样品与围绕着它的加压流体分开来（参见图9.11）。加载平台被安置在样品的顶部。

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