浅谈土工试验的方法和建议

浅谈土工试验的方法和建议

蔡林波

浙江省工程物探勘察院310000

摘要：用岩土力学理论对现行《土工试验方法标准》中的一些试验方法进行剖析，分析试样制备、土物理性质试验和力学性质试验理论的关键点和模糊认识。结合实践经验讨论土工试验中的常见问题，并提出解决方法和建议。

关键词：土工试验；实验方法；问题

土工试验是岩土工程勘察的重要组成部分，只有将室内土工试验与野外勘探有机地结合起来，才能准确完成土样的定性、定量分析与评价，为建设单位提交合格的勘察成果。结合实践对土工试验的理论及关键点进行分析，并指出试验过程中存在的部分问题，以便采取相应措施，提交更为真实、准确的土工试验成果。

1试样制备

第一要严格划分土样级别。在开启土样筒后，先检查土样质量并划分土样质量等级，土样质量等级的划分大致可按现场外观检查、测定回收率、Ｘ射线检验及室内试验评价4种方法确定。上海地区利用室内试验的破坏应变值εｆ和压缩试验的扰动指数ID或体积应变εV划分土样级别标准是：Ⅰ级试样εf＝1%～3%，ID＜0.15，εV＜1%；Ⅱ级试样εｆ＝3%～5%，ID＝0.15～0.30，εV＝1%～2%；Ⅲ级试样εｆ＝5%～6%，ID＝0.30～0.50，εV＝2%～4%；Ⅳ级试样εｆ＝6%～10%，ID＝0.50～0.75，εV＝4%～10%，其他地区可以参考使用。对地基基础设计等级为甲级的工程必须采用不扰动的Ⅰ级试样进行试验；对地基基础设计等级为甲级以外的工程可以结合地区经验，在工程技术要求允许的情况下用轻微扰动的Ⅱ级试样进行强度和固结试验。对明显扰动Ⅲ级土样只能进行土类定名及含水量测试，对完全振动的Ⅳ级土样只能进行土类定名，Ⅲ级和Ⅳ级土样不能进行强度和固结试验，这点很重要。目前工程勘察市场竞争激烈，市场准入门槛较低，挂靠现象较严重，工程勘察质量有明显下降趋势，个别勘察单位由于成本原因采取的土样样品质量很差（甚至采用岩芯管岩芯切样），如果试验单位仍将这种试样用做强度和固结试验，这不仅是对规范的违背，也是对建设单位和国家的不负责，有违执业道德。事实上目前工程勘察野外工作及土工试验的质量监管基本是个空白，这对工程勘察行业的长远发展是明显不利的。

第二要严格按试样制备要求制样。室内制样主要方法是用环刀切取规定数量（一般是6组）试验样品，室内制样操作不当同样会降低土样级别。制样的关键点：①在环刀内壁涂一薄层凡士林，目的是为减少环刀与土样间的磨擦，避免土样压密扰动，据调查目前涂凡士林这一步骤在实际操作中并没有被很好地执行；②将环刀垂直下压，环刀垂直下压是避免环刀偏向受压时环刀一侧出现相对压密而另一侧出现样品与环刀间的小缝隙，造成土的容重、压缩模量失真；③环刀下压过程中，边压边削，可避免土样受到环刀外侧壁与土样间的过大摩擦而使土样下部受到一定程度的压密；④压入环刀后对土样的上下端面削平，对于软土要用钢丝锯整平，若用切土刀整平则刀面极易带起软土形成二次扰动，对其他土可采用切土刀削平。

第三要做好开样记录工作。在制样过程中要对土样的颜色、名称、包含物、矿物成份、软硬程度、塑性状态、湿度（如粉土及砂土上下部含水量明显不同）、结构构造等进行描述，这有利于后期数据整理时进行对比和综合分析处理，得出符合工程实际的数据，同时也有助于实验人员积累经验。

2土的物理性质试验

2.1含水率试验

土层的不均匀、取样扰动、取土器和筒壁的挤压、土样在运输和存放期间保护不当而失水等均会引起含水率的变化。在试验室若操作不合理同样会影响土样含水率的测试结果，这主要表现在以下方面：①取样点的位置不同，尤其是对粉质含量高的粘性土、粉土、砂土，样品的上、中、下不同部位含水量会有较大的差别，为克服这种影响可分上中下不同部位同时取等量样品，加以混合后再取为含水量试验样品；②铝盒烘干时应开口，以利水的充分蒸发。铝盒质量应定期标定；铝盒在长期使用过程中由于氧化、磨损其质量也有一定变化，定期标定能有效降低试验误差；③烘干时间及温度也会对含水率构成影响。粘粒含量很高的土类，如红粘土、膨胀土粘粒含量很高，有更大的比表面积，吸附水能力强，需105℃～110℃烘干8h以上，对砂土不得小于6h，但对含有机质的土（尤其是有机质含量大于5%的土），应在65℃～70℃烘至恒重，温度过高会造成有机质的损失，使含水量偏大。据河南平顶山地区有机质土样分别按68℃和108℃分别烘干8h对比试验，试验结果是按105℃烘干的含水量比68℃烘干的含水量高1.5%～3.6%；对河南平顶山地区粘土在108℃分别烘干6h和8h对比试验，试验结果是烘干6h的含水量比烘干8h的含水量低0.8%～2.8%；因此不能为了省时省工而不分土类别、不分温度、不分时间地将不同土样放在一块进行烘干。另外含水率试验必须对两个试验进行平行测定，测定差值当含水率小于40%时为1%，当含水率大于等于40%为2%。

2.2土粒比重试验

土粒比重是土粒质量与同体积纯蒸馏水在4℃时的质量比值，是土的基本物理指标之一。从理论上讲要得到一个准确的土粒比重值较为困难，因为国标中采用的试验方法存在下列因素的影响：①结合水的影响。土粒带负电荷，与其周围的水相互作用，形成结合水，这部分结合水在土粒烘干温度下仍然吸附在粘粒表面，使测出的土粒体积大于实际体积，从而测试结果偏小。②土粒间胶结物固化的影响。制备试样在烘干过程中，不可溶的胶态次生矿物如二氧化硅、粘土矿物等易固化形成团粒，形成的团粒较难靠水的作用分散，加热煮沸对团粒不能达到完全分散的作用，使计算出的土粒相对密度偏小。理论与实践均证明颗粒粒径大小对土的比重有影响，一般是颗粒粒径越细，比重越大，如有机质土2.4～2.5，泥岩质土1.5～1.8，粘性土2.70～2.77，粉土2.69～2.70，砂土2.63～2.68。由于比重的测试过程比较繁杂，但不同类土的比重是一个相对稳定的值，比重平行试验时允许有0.02的误差，这些均为建立有关的经验方程提供了便利。由于颗粒粒径在实际试验中难以测量，但考虑颗粒粒径与土的塑性指数具有良好的相关关系，即颗粒粒径越大，塑性指数越小，而且颗粒比重与塑性指数均为无量纲数据，可以利用数理统计学的理论建立起土的塑性指数与土的颗粒比重之间的相关关系。在河南平顶山地区Q3地层Gｓ＝0.0143Iｐ＋2.517，Q4地层Gｓ＝0.0667Iｐ＋2.6297，这种关系是建立在大量土粒比重试验基础之上的经验关系，在地区适用是可行的。考虑到不同地区土的特性差异，在其他地方不一定能适用，但建立塑性指数与土的颗粒比重的地区经验关系的工作方法还是值得推广的。但不能在一个地区根本就没有进行过土粒比重试验，而盲目套用其他地区的经验，这是不科学的。

2.3界限含水量试验

液塑限联合测定法的理论基础是圆锥下沉深度与相应的含水率在双对数坐标纸上具有直线关系。液、塑限联合测定法的界限含水量土样制备方式对比较均匀的土可采用天然含水状态的土样；对不均匀的土样，采用风干土样，当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时，应过0.5mm的筛，在实际操作中常存在对土中少量原生的铁、锰质结核直接压碎混入土中情况，这种方法造成土的液、塑限含水量偏小；采用风干土样作界限含水率试验时，样品须浸泡过夜方可试验，否则试验结果偏低。

进行界限含水率试验时应将试验样品加入不同水量充分调和均匀（尤其是回归系数易出现问题的粘土）。试样调好后填入盛土杯也是一个关键环节，填入的样品要均匀，低含水量的试验样（尤其是粉土）易在盛土杯中产生含水量差异现象，高含水量试验样易出现盛土杯中土体空洞现象。杯口土面平整时，不能用调土刀过分抹平，尤其对易失水的粉土更容易造成杯表面含水量降低，产生试验误差。在具体试验过程中可在一杯土的不同位置测试两次，以此来检验试样是否均匀。按规范应测定不少于3个不同含水率的点，根据经验最好做4个不同含水率的点，而且这个点对粘性土可以选择在锥尖下沉深度13左右、对粉土选择在锥尖下沉深度在6左右，这样不但可以作平行对比提高试验精度，而且便于在规定的三点回归性不好时采取补救措施（至少可以判定是哪个含水率点上的数据出现了问题，只须补做相应的含水率点就可，要不然3个含水率点都须重做）。

对于搓条法进行液塑限试验，虽然规范允许，但试验的人为影响因素太大，经长期实验对比，搓条法测定的塑性指数值随土样中粉质含量增大而有所增加，误差可达0.1～0.3，尤其是对塑性指数接近10的粉土有时甚至会误判为粉质粘土。笔者认为这种方法虽然简便，但试验误差过大，应慎重选用。

2.4颗粒分析试验

密度计法主要适用于粒径小于0.075mm的土。颗粒分析试验是不可缺少的室内试验步骤，由于密度计法颗粒分析试验较复杂，有些单位重视不足甚至省略了该试验，颗粒分析试验不仅对粉土承载力特征值深宽修正、液化判别有用，而且颗粒分析试验是土体定名不可或缺的数据，规范规定：粉土是粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数≤10的土，目前仍然出现粉土定名不考虑颗分试验结果而仅按塑性指数≤10来定名的误区，我们知道粉砂有时也可测定出一定的塑性指数，若仅按塑性指数划分粉土必然会造成一些误判。

密度计法虽然使用广泛，但该法也并非完美。密度计法的土粒粒径计算公式为斯托克公式d＝18×104η/（Gｓ-GｗTρwg）•L/t，该公式是低速运动的微小球形颗粒在层流条件下，仅考虑介质对粘阻力和有效重力条件下导出的。层流的判定是根据水力学中的雷诺数Re＝dVGWT/104η＜0.5来判定的，当试验悬液温度大于28℃时，雷诺数将大于0.5，超出公式适用范围，所以进行颗粒分析试验时悬液温度不应大于28℃。另外实际试验的土颗粒形状一般都不是球形，而是具有不规则形状的颗粒，理论上颗粒形状愈不规则颗粒下降阻力愈大，沉降速度越慢，而斯托克公式没有考虑颗粒形状的影响，结果是实测沉降速度L/t偏大，这会造成试验测得的粘粒含量偏高。故在应用试验结果时应对试验数据进行适当的经验修正，这可以根据经验建立修正关系式进行解决。据资料可将斯托克公式修正为D=18×104η/（GS－GｗＴρｗg）•L/t•1/PSPg，式中Pｓ和Pg分别为颗粒修正系数和干涉沉降修正系数。

3土的力学性质试验

3.1固结试验

土的固结试验是测定土体在压力作用下的压缩系数α、压缩模量Ｅｓ及固结系数CV，是计算地基土的沉降量及判断土体固结特性的重要参数。在试验时常有以下因素影响其准确度：①仪器必须定期校正，频繁拆缷仪器、透水石磨损、滤纸规格的变化等因素都会对测试结果产生影响。②上、下透水石的含水量应接近土的天然含水量，透水石的含水量差异会对土体固结产生一定程度的变化，这种变化对一般的土样影响比较隐蔽，不易发现，但对具膨胀性的土样会有很大的影响。当透水石的含水量较土样含水量大时会引起土样吸水膨胀，出现前后级荷载百分表读数差别很小的现象，有时甚至出现后级读数较前级读数小的异常情况。在透水石含水量较土样含水量小时，会加速土样的失水收缩趋势，造成压缩量过大。③安装试样仪器归零必须严格到位，环刀上、下土面必须紧密与上、下透水石处的滤纸接触。由于环刀使用时外力破坏会出现外径变化情况，使得环刀不能有效放入规定限位，造成透水石不能与环刀上、下土面有效接触，使初级压缩偏大，产生实验误差。④百分表归零时应使百分表量测的活动轴杆有足够的量程，以避免压缩变形量较大时，仪器量程小于土样压缩变形而造成压缩试验的失真。

室内测定土的压缩性指标α、ES的方法主要有标准固结试验法和快速固结试验法，标准固结试验是普遍认可的比较可靠的方法，而快速固结试验法缺乏理论依据。国家标准《土工试验方法标准》（GB/T50123－1999）推荐使用标准固结方法，水利部行业规范《土工试验规程》（SL237－1999）也对快速固结法的使用作了一定的限制，但由于标准固结试验试验周期较长（有时达10多天），有时也难以满足实际生产单位要求。考虑到采用快速固结法已有较长时间，而且在实际生产中也并未产生明显的问题，说明快速固结法仍有一定的实用意义，目前仍有许多单位在实际室内试验过程中采用快速固结法。全盘否定不一定最好，结合现实笔者认为对一般的工程在有地区经验的基础上允许采用快速固结法，对较重要、重要的工程只允许采用标准固结法也不失为一种尝试。所谓有地区经验是指在某地区已有较充分的标准固结试验数据，而且该数据与原来已有的采用快速固结法的试验数据进行综合对比，并能证明采用快速固结法数据的可靠性。采用标准固结试验测定软粘土的固结系数CV时发现存在

采用时间对数法经常与采用时间平方根法不一致的问题，有时相差甚至较大，分析原因是室内试验测定固结系数CV是根据太沙基一维固结理论U－t关系曲线进行，而太沙基理论的固结系数CV是按常数来处理的，实际上软粘土存在着结构性，具有明显的结构屈服应力，在外部压力小于结构屈服应力时，固结系数基本为定值，当应力增加到结构屈服应力时，固结系数急剧降低，最后趋于重塑土的固结系数。解决问题的方法之一是取二者中的大值。

在实际应用时发现室内试验测得的CV值一般较现场测试偏小，分析原因是室内试验的土样已受到扰动，试样难以全面地代表实际的土层情况，尤其是地层中有砂夹层的情况下更是如此。解决问题的方法之一就是利用多种方法进行对比，目前较好的方法是在现场测试固结系数的试验，因为现场试验相比较室内试验更能反映出较大范围土体及夹层情况，目前现场试验一般将带孔压测量装置的探头压入土中，记录孔压随时间的消散值，计算土的原位固结系数，这种方法可以和静力触探试验合并进行，将室内试验与现场试验成果进行综合对比，综合确定软粘土的固结系数CV。另外据资料表明，室内测定的固结系数较现场测定的低（有时甚至相差1个数量级），而现场测定的仍低于实际存在的数值。

3.2抗剪强度试验

3.2.1直接剪切试验

直剪试验方便简单，是强度试验的重要手段。理论上根据库仑定律S＝C＋tgφ的各级荷载点应是直线的线性关系，直线倾角为φ，直线在纵轴截距即C，即抗剪强度指标可用线性回归方法求解，在线性回归计算时，如果四级荷载剪切试验点不同时在一条直线上时，可采用三角形重心法作图进行计算取值。如果四级荷载剪切试验点C、φ值相关系数满足一定值时，则认为此组样的线性相关性好，指标可信度就高。但由于直剪试验受力条件复杂，在试验过程中常出现较软的土缺少峰值强度的情况，剪切强度指标回归性较差、数据可靠度低。由于规范没有给出线性相关系数ｒ的取值范围，为了规范操作过程，经过多年试验数据数理统计得出河南平顶山地区线性相关系数ｒ对慢剪试验ｒ≥0.974、固结快剪ｒ≥0.972、直接快剪试验ｒ≥0.963时判断结果可靠，如果线性相关系数ｒ小于经验值，说明样品试验数据线性相关性差，应查明原因并补充试验点。

3.2.2三轴压缩试验

三轴压缩试验由于试样受力状态可以控制，剪切时剪切面是沿着软弱面破损的，又能控制试样的排水条件，能够准确地测定土的孔隙压力及体积变化，和直剪相比具有明显的优点，是目前认为的相对准确的室内剪切试验方法，尤其是在重要工程勘察中必须进行三轴剪切试验。常规三轴仪在业界广为应用，但并不完美，它仍存在设备柔性误差、端部约束误差及基座误差。设备柔性误差指测量试样的初始高度及剪切过程中的高度时不透水板（透水板）、橡皮膜、滤纸及承载筒等设备的固有变形，虽然增大设备的刚度可消除该类误差，但在小应变测量时由于橡皮膜部分嵌入试样表面颗粒的空隙会对高度测量的影响比较明显，导致土体刚度小于现场试验刚度。端部约束误差指试样两端与仪器接触处存在摩擦阻力，摩擦阻力使试样的端部受到约束使试样变形不均匀，即试样端部变形小而中部变形大，在试验中部受约束的影响最小，理论上如果将试样中部作为测量区域得到的应变结果会更加精确。基座误差是指试样的基座、承载筒与试样难以同时对中，导致加载偏心而出现的误差。国内外就如何提高三轴仪的测量精度开展了一系列研究，通过误差率定和改进试验手段来减少橡皮膜的顺变误差，但都受到各种随机因素的影响，很难精确地修正这些误差。解决方法之一是将测量装置移到压力室内部并将它们放到试样上便可直接量出试样高度和试样直径，也就能有效地减少这3种误差的影响，但这也为测量装置提出了更为严格的设计要求，目前已有这方面的尝试并取得了较好的效果，但还未推广普及。

4结论

土工试验成果准确与否不但与试样质量等级（即土样的采取、保管、运输等）相关，而且也与试验的制样及试验本身的特点及局限性相关。只要我们对试验过程中易出现问题的关键环节引起足够的重视，同时在试验结果分析整理时充分考虑试验本身的理论特点并适当结合地区经验关系，就能提交相对真实、合理的工程试验数据，更好地为工程建设服务。

参考文献：

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