吳 靜 徐清揚 夏如月

(中兵勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

土工試驗是工程勘察重要組成部分，通過查明土的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和其他性質(zhì)，為勘察報告提供準(zhǔn)確、可靠的試驗數(shù)據(jù)，為確定地基承載力、基坑開挖和降水設(shè)計、邊坡設(shè)計提供依據(jù)。土工試驗為工程勘察、設(shè)計、施工提供必要的土層實測數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的精準(zhǔn)性將直接影響工程的質(zhì)量以及應(yīng)用安全性。

1 土工基本試驗指標(biāo)

為勘察工作出具一份標(biāo)準(zhǔn)的試驗成果報告，每個步驟都很重要，應(yīng)嚴格按照試驗規(guī)范進行試驗，一旦出現(xiàn)偏差，都會對后面的試驗造成影響[1]。本文對一些常見的試驗進行總結(jié)，并分析各類土工試驗指標(biāo)的影響因素。

在土工試驗中，直接測定的基本物理性質(zhì)指標(biāo)包括：含水率、比重、密度、液限、塑限；計算求得的基本物理性質(zhì)指標(biāo)包括：干密度、天然孔隙比、飽和度、塑性指數(shù)、液性指數(shù)；土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)包括：壓縮系數(shù)、壓縮模量、抗剪強度等?；驹囼灢僮髁鞒倘鐖D1所示。

圖1 基本試驗操作流程

2 基本試驗操作過程及影響因素

2．1 含水率試驗

土的含水率是土的基本物理指標(biāo)之一，它反映了土的物理狀態(tài)，其變化將使土的一系列力學(xué)性質(zhì)隨之而異，是計算干密度、孔隙比、飽和度等指標(biāo)的基本依據(jù)，是評價土的工程性質(zhì)、檢測建筑施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。

含水率試驗主要以烘干法為主，烘干法精度高，應(yīng)用廣，穩(wěn)定性好。取代表性試樣15～30 g，黏性土、粉土在105～110 ℃溫度下烘干時間不少于8 h，砂類土不少于6 h，對有機質(zhì)含量超過干土質(zhì)量5%以及含石膏或者硫酸鹽時應(yīng)控制溫度在65～70 ℃[2]。

對含水率試驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①樣品運輸途中由于各種原因造成的水分流失；②試樣的選取不均勻或者試樣太少；③稱取含量時天平的誤差；④烘箱溫度的設(shè)定誤差;⑤試樣受到高溫烘烤，本身化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。

2．2 密度試驗

測定土的密度，可用來計算土的干密度、孔隙比、孔隙率、飽和度等。

密度試驗有環(huán)刀法、蠟封法、密度濕度計法和灌砂法等。主要以環(huán)刀法為主，密度試驗須進行兩次平行測定，兩次測定的差值均不得大于0．03 g/cm3，取兩次測定的平均值。

環(huán)刀法是使用環(huán)刀直接壓入土樣里，所以土樣的結(jié)構(gòu)得到很好的保存，通過室內(nèi)試驗測出的數(shù)據(jù)可以反映原始土樣的物理狀況。

對密度試驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①土質(zhì)不均勻、互層、土樣含有姜石等物質(zhì)；②環(huán)刀切取時產(chǎn)生的問題；③樣品在運輸過程中是否擾動，如土樣擾動再進行試驗，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沒有任何意義；④開土人員在開土過程中帶來的影響等。

2．3 比重試驗

土粒比重是土顆粒自身的比重，是指土粒在105～110 ℃溫度下烘至恒重時的質(zhì)量與同體積4 ℃時純水的質(zhì)量之比。是劃分土顆粒、土中水和土中氣各自體積占比的依據(jù)，和土的干密度是兩個概念。土的干密度是指單位體積干土體中土粒的質(zhì)量。這個單位體積不僅包含土粒的體積，而且還包含土粒間孔隙的體積。

比重試驗的標(biāo)準(zhǔn)方法是比重瓶法，使用比重瓶法時試驗制備往往會出現(xiàn)誤差，土的不均勻會對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；其次煮沸過程中，砂類土的顆粒會發(fā)生迸濺現(xiàn)象，進而影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

另外試驗室也使用經(jīng)驗值(前人通過實踐歸納得出)進行測定，砂土比重在2．65～2．69，粉土比重在2．70～2．71，粉質(zhì)黏土比重在2．72～2．73，黏土比重在2．74～2．76。

土粒比重主要取決于土的礦物成分，土中含有大量有機質(zhì)時，土粒比重也顯著減小。

2．4 液限和塑限試驗

黏性土隨著含水量的不同，分別處于各種不同的稠度狀態(tài)，如流動狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)、固體狀態(tài)。為了確定土的稠度狀態(tài)，就必須首先確定土從某一狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)的界限含水量，液限和塑限是在工程上經(jīng)常遇到的兩種界限含水量。 液限(wL)指的是土由可塑狀態(tài)過渡到流動狀態(tài)的界限含水量。 塑限(wP)為土由可塑狀態(tài)過渡到半固體狀態(tài)的界限含水量。土的可塑性指標(biāo)與土的顆粒組成、礦物成分、活動性、吸附水的表面電荷強度等有關(guān)，因此能較好地反映出黏性土的某些物理特性。

本試驗采用圓錐儀法、液塑限聯(lián)合測定儀法和滾搓法塑限試驗(主要靠試驗人員的手感和經(jīng)驗)，得出數(shù)據(jù)進而計算求得塑性指數(shù)和液性指數(shù)，為土的分類、工程設(shè)計及施工提供依據(jù)。在進行液限試驗時，一定要把土樣調(diào)均勻再進行試驗，黏土不容易調(diào)均勻，這就需要試驗人員的認真負責(zé)。對于砂質(zhì)粉土，液塑限的試驗就需要試驗員長期的經(jīng)驗積累。

對液塑限試驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①土樣不均勻；②儀器的使用不當(dāng)，儀器錐頭磨損；③當(dāng)試樣中有粒徑大于0．5 mm的土粒和雜物時，要過0．5 mm的篩，否則也會影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2．5 顆粒分析試驗

自然界存在的土都是由大小不同的顆粒組成的，土粒的粒徑發(fā)生變化時，土的性質(zhì)也相應(yīng)地發(fā)生變化。工程上常依據(jù)顆粒組成對土進行分類，顆粒分析試驗為測定干土中各粒組含量占該土總質(zhì)量的百分數(shù)，土的顆粒大小、級配和粒組含量是土的工程分類的重要依據(jù)。

由于土粒粒徑變化比較大，土的顆粒組成與礦物組成、力學(xué)性質(zhì)、外在環(huán)境等均有直接的關(guān)系，因此對于粒徑大于0．075 mm的土主要采用篩分法，粒徑小于0．075 mm的土使用移液管法或比重計法。

顆粒分析試驗(本試驗室采用移液管法)的誤差主要有以下幾點：①篩分法中顆粒的大小不同、篩孔的不同以及篩孔長期使用造成的磨損；②攪拌懸液的時間對數(shù)據(jù)的影響；③不同試驗員的操作均會對結(jié)果造成很大的影響。

2．6 直接剪切試驗

土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對另外一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。直接剪切試驗是測定土抗剪強度的一種常用的、古老的、最簡單的方法。測定土不同壓力下的抗剪強度，得出土的抗剪強度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，可以估算地基承載力、評價地基穩(wěn)定性、計算擋土墻土壓力等。本試驗采用快剪和固結(jié)快剪兩種方法，前者為試樣在垂直壓力施加后，立即進行快速剪切，不允許有排水現(xiàn)象產(chǎn)生,后者為試樣在垂直壓力下經(jīng)過排水固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后，再進行快速剪切。試驗室內(nèi)使用快剪較多，快剪操作簡單，方便快捷。

抗剪強度τ與黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ之間的關(guān)系可以用庫倫公式表示：τ=σtanφ+c。

對直接剪切試驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①同一組的幾個試樣是否是同一層土，密度值是否超過允許誤差；②土樣的不均勻程度；③不同試驗人員操作帶來的影響。

2．7 固結(jié)試驗

地基土在外荷載作用下，水和空氣逐漸被擠出，土骨架顆粒之間相互擠密，土的孔隙減小，從而引起土的壓縮變形。固結(jié)試驗是將土樣置于金屬壓縮容器內(nèi)，在有側(cè)限的條件下施加壓力，觀察土在不同壓力下的壓縮變形量。目的是測定土的單位沉降量、壓縮系數(shù)、壓縮模量、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、固結(jié)系數(shù)及原狀土的先期固結(jié)壓力等。固結(jié)試驗中，后一級壓力的施加均是在前一級荷載下壓縮達到穩(wěn)定后施加的，但所謂穩(wěn)定是相對的，按照穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的不同，通常將固結(jié)試驗分為兩類：穩(wěn)定壓縮和快速壓縮。

常規(guī)固結(jié)試驗比較可靠，是被普遍認可的，為我國 《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123)[2]推薦使用的方法。但該方法有一些顯著的缺點，主要表現(xiàn)有:①試驗所需的時間較長。按照 《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123)要求，分級加載的每級荷載要作用 24 h，這樣完成一個固結(jié)試驗所需的最終時間大概9 d 左右，若需進行回彈試驗，則時間更長;②試驗獲得數(shù)據(jù)少而且比較分散，致使試驗得到的曲線不連續(xù)，影響測定參數(shù)的準(zhǔn)確性;③固結(jié)試驗過程中沿試樣高度的有效應(yīng)力分布不均勻，根據(jù)有效應(yīng)力原理，靠近排水面的有效應(yīng)力最大，靠近不排水面處的有效應(yīng)力最小，水力梯度沿高度方向變化相當(dāng)大，致使有效應(yīng)力沿試樣高度分布不均勻， 造成了試樣的壓縮性分布不均勻。

快速固結(jié)試驗是根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123)推薦的時間平方根法計算固結(jié)系數(shù)時，要求土體固結(jié)度達到90%，大量的試驗表明高度為2 cm的試樣在荷載作用下1 h的固結(jié)度一般可達到90% 以上(24 h 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn))。因此，快速法固結(jié)試驗把每級荷載的加載時間縮短到1～2 h，最后對試驗結(jié)果進行校正，可得到與常規(guī)固結(jié)試驗近似的結(jié)果。此法大大縮短了試驗時間，得到了相當(dāng)廣泛地應(yīng)用。張海霞等[3]指出對于高度為2 cm的試樣，在每級壓力作用下，常見土體完成主固結(jié)(固結(jié)度達到 99%)需要的時間不超過4 h，粉土和粉質(zhì)黏土則少于1 h。并建議對不同的土質(zhì)應(yīng)采用不同的加載時間進行試驗研究。

在固結(jié)試驗中，試驗人員在加荷過程中一定要注意，應(yīng)垂直地在瞬間施加各級規(guī)定的壓力，并沒有沖擊力，否則對試驗數(shù)據(jù)會有很大影響。并要不定期根據(jù)儀器的使用情況對壓縮儀進行校準(zhǔn)，得出儀器變形量。

3 結(jié)語

土工試驗?zāi)康氖菫楣こ谭?wù)，通過試驗測定土樣的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，對測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得出進行巖土力學(xué)計算的參數(shù)，進而編制巖土工程勘察報告。含水率、密度、比重、液塑限、抗剪強度、壓縮變形量等作為土工試驗基本指標(biāo)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到勘察報告的質(zhì)量，因此，試驗人員在工作中要消除各類影響因素，減少數(shù)據(jù)的偏差，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為巖土工程勘察提供準(zhǔn)確的土工試驗成果報告。