软土室内土工试验准确性的研究

软土室内土工试验准确性的研究

陈培根

中交第四航务工程勘察设计院有限公司广东广州510000

摘要：室内土工试验是岩土工程勘察工作中的一项重要工作，是设计人员对建筑工程进行设计和选材的基础。本文对软土室内土工试验的准确性展开了研究，分析了影响软土室内土工试验准确性的因素，提出了提高试验准确性的措施，并结合实例，对软土室内土工试验进行了详细介绍。

关键词：室内土工试验；准确性；因素；措施

0引言

随着我国城市建设的快速发展，建筑工程的建设日益增多，而土工试验作为岩土工程勘察中的重要组成部分，其试验的项目及数量也不断增加。土工试验包括室内土工试验、原位测试、原体检测三方面内容，其中室内土工试验是通过利用仪器对土样进行测试，从而提供土样可靠的物理、力学性指标参数，为工程设计人员进行工程设计提供依据。因此，提高室内土工试验的准确性具有重要的现实意义。

1影响软土室内土工试验准确性的因素

软土由于很容易变形，并且具有程度不同的触变性、各向异性及非均质特点，在室内试验中，影响测试准确性的因素较多，主要表现在以下几个方面：

（1）试样制备过程中的扰动。由于软土的触变性和容易变形，在土样制备和试验过程中，土样往往会受到不同程度的扰动，在用直剪仪测试抗剪强度时这种影响更为明显。由于软土本身强度很低，当垂直荷载施加后，可能出现两种情况：对于颗粒较细的软粘土来说，垂直荷载可能已将土体结构破坏，从而使测试所得的强度偏小；对于颗粒较粗的淤泥质低液限土来说，在剪切过程中土样已经程度不同的排水固结，从而使测试所得的强度偏大。

（2）小试样的局限性。一些非均质软土往往夹有微薄砂层或贝壳等掺有物，这类夹层土与软土地层的强度和固结性质有很大的差异。剪切试验的试样仅为高度2.00cm、直径6.18cm的小土柱，如果用一个试样或几个试样来代表整个地层的性质，往往会造成失真。同时，对于各向异性的软土地层，水平向与垂直向的工程性质是不同的，而试验一般按垂直向排水，这也使试验结果与实际情况会产生一些出入。

（3）固结试验图解法求固结系数的人为因素较大。时间平方根法作为一个经验性的图解方法，在理论上和实际操作上都有其不够严密的地方，求解过程也较繁琐。在作图过程中，人为因素影响较大。

2提高软土室内土工试验准确性的措施

根据笔者多年的工作实践，认为软土的室内土工试验工作应加强以下方面的工作：

（1）加强试验过程中的试样管理。现场取样、试样制备、试样保存都要严格按照土工试验规程中的要求进行操作，尽量避免对试样的扰动。

（2）加强土样的目测描述工作。因为原状土的目测记录是软土资料分析的重要依据，特别是对于非均质软土，必要时应查阅钻探记录，分析样品的代表性，详细记录原状土的颜色、状态、湿度、结构、含有物等特点及取土的质量（扰动程度）。

公路路基土的定名突出了土的颗粒组成特点，而软土地区路基土的定名不但突出了颗粒组成，也突出了淤泥质土与一般粘性土的区别，定名的因素更为复杂。软土地区路基土定名时，对于指标离散性较大的非均质软土，或是处于界限附近的土，定名时既要看物理指标，也要看力学指标，结合目测记录，综合分析，以确定土名。

（3）为了保证试验质量，试验中不要仅满足于按照规程求出各项指标，还需研究试验的边界条件、影响因素、精度、规律性等问题，做一些统计和比较分析工作。对数据的可信度、准确度等有一个基本估计，对于试验结果的变异性和其变异规律有基本的了解和把握，对于剪切试验尤其需要重视这一点。

（4）进行软土固结试验时，对于具有水平层理结构的软土，应注意水平向与垂直向渗透固结性质的差异，进行一定数量的水平向与垂直向固结系数的比较试验。由于软土成因和土体结构的差别，不同地区、不同特性的软土会在各级荷载下表现出不同的变形特征，所以固结试验应提交e－p曲线和Cv－p曲线，以了解不同压力下土体的变形特征和固结特性，在进行软土地基处理设计计算时，采用合适的压力级下的压缩和固结参数进行稳定和沉降量计算。另外，测定固结系数时，一般要求采用慢法加荷。

（5）对淤泥进行固结试验时，如果土样特别软，为避免软土样品被挤出，初始加荷一般为25kPa，甚至为零荷载。剪切试验加荷级数不少于4级，一般可分别为25，50，100，150kPa或200kPa。

（6）在有条件的情况下，可做一定数量的室内试验与原位测试的对比。

3固结试验

时间平方根法作为一个经验性的图解方法，在理论上和实际操作上都有其不够严密的地方。在作图过程中，人为因素影响较大。

3.1时间平方根法读数注意事项

（1）用时间平方根确定t90时，开始的几个读数点（15秒，1分钟，2.25分钟）非常重要，一定要认真读准。对于排水速率较快的砂性土，必要时可增加6秒读数，而后面的点可适当减少。

（2）加荷时应平稳地操作，以避免影响读数的精确度。

3.2影响固结速率的几个因素

（1）软土的固结速率与土的颗粒成分有较大关系，一般粗颗粒土的固结速率较快，细颗粒土的固结速率较慢。

（2）软土的固结速率与土的稠度状态有一定的关系，在固结试验中，一般变形量较大的土t90也较大。

（3）软土中有机质含量的大小对固结速率影响较大，一般有机质含量越大，土的固结速率越慢。

3.3不同性状软土t90的经验范围值

表1是作者在试验过程中总结出来的不同性状软土在400kPa荷载下t90的经验范围值，供大家在工作中参考。

表1用时间平方根法确定t90的经验值

注：3、4类土如有微薄层粉砂或贝壳，则t90减小；如含大量有机质，则t90增大。

3.4t90法作图步骤

（1）先将各级荷载下各读数点全部点出来。

（2）画出各级荷载前面点的直线段，应注意此直线段是一个趋势，不能硬性连接，同时各级荷载下的t90不应差别过大。

（3）其他步骤同试验规程。

4快剪与固结快剪

直接剪切试验分为快剪和固结快剪试验。快剪试验是土在天然状态下进行剪切试验；固结快剪是在固结状态下进行快剪试验。两种试验只是条件不同，同一种土的两种指标之间有一定的关系。对于不同的软土，考虑到土性不同，颗粒组成和矿物成分存在差异，固结后抗剪强度增加的程度也有所不同，加之抗剪强度是由粘聚力和内摩擦角两个参数组成，影响因素比较复杂。所以，要研究快剪和固结快剪试验结果的相关性，试验数据至少应分地区统计，甚至需要按照土质分别统计。

以下是某高速公路详勘时的153组快剪（c快、φ快）与固结快剪（c固、φ固）数据统计和相关性分析结果，其关系式为

c固=1.05c快+0.27（R=0.78，N=153）（1）

φ固=0.72φ快+9.62（R=0.61，N=153）（2）

式中c为粘聚力，kPa；φ为内摩擦角，°。

从式（1）、式（2）可以看出，其相关性较低，实用价值不大，实际上固结快剪与快剪c，φ值的关系较为复杂。一般而言，这个关系受土的应力历史状态、土质及土体结构特点的影响而有所不同。所以应分别进行统计。以下是考虑了这些影响因素后，另一高速公路段软土的快剪（c快、φ快）与固结快剪（c固、φ固）的相关性研究结果，其关系式为

c固=αc快（3）

φ固=βφ快（4）

式中的α，β取值考虑以下因素：

（1）应力历史影响：土因应力历史不同而分为超固结、正常固结与欠固结三种状态，该地区地表的硬壳层和软土层之下的褐黄色陆相层一般为微超固结状土，呈可塑－硬塑状，部分呈坚硬状。试验表明：其先期固结压力一般在100～140kPa，所以剪切试验中垂直压力50～200kPa，对其影响相对要小一些，α取1.1～1.3，β取1.2～2.0。硬壳层之下的海相软土层一般为微欠固结土，剪切试验垂直荷载对其影响较大，α取2.0～4.0，β取2.0～6.0。

（2）土质影响：随土的塑性指数不同，其排水速率亦有差别，对高塑性土而言，在快剪过程中，基本不排水，所以固结快剪值比快剪值增加幅度较大，α取2.0～4.0，β取2.0～2.5。对粉细砂而言，在快剪过程中，基本已完成了排水，所以固结快剪值和快剪值相近似（或相等），α取1.0，β取1.0～1.1；低塑性土介于二者之间。

（3）土体结构影响：对层状结构的软土，特别是夹有微薄层粉砂的土层，快剪过程中部分排水，一般c，φ值较大，α取2.0～3.0，β取2.0～5.0。对粗粒结构的粘性土，α取2.0，β取1.5～2.5。综合以上影响因素，得出α和β取值范围，见表2。

表2高速公路段软土固结快剪值和快剪值关系

注：①鉴于该高速公路段土质本身很不均匀，夹层很多，即使在同一土样内，有时土质也有差别。本表只是一般规律性，使用本表应参照土样描述、塑性指数、液性指数及快剪值综合分析。在实际应用中可取α，β范围值的中值。②当φ快=0时，可取φ固=β×0.5。

5泥炭土的土工试验方法

泥炭土（泥炭和泥炭质土的统称）是一种特殊的软土。它是喜水植物遗体在缺氧条件下经缓慢分解形成的泥沼覆盖层。在我国南方等地均有分布，在东南亚各国亦有大量的泥炭土地基。

5.1泥炭土的含水率试验

泥炭土的含水率是一项非常重要的指标，它的准确测定不仅反映出土的含水状态，还关系到有机质含量、比重等物理、化学性质指标的测定是否准确，所以泥炭土的测试中首先要保证含水率准确测定。

现行《公路土工试验规程》规定：“含水率试验规定温度为105℃下烘至恒重”，试验规程又规定“有机质含量大于5%的土样，含水率试验时温度控制为65℃”；再考虑到一般常温风干环境下温度为25℃左右，这样就有105℃，65℃和25℃三种温度条件进行比对试验。试验称取了三份相同重量的天然泥炭土试样，试验结果见表3。

表3泥炭土的含水率试验结果（不同温度及烘干时间的含水率变化）%

从表3结果可以看出，在烘箱温度为25℃条件下，试样在一周后基本达到恒重，含水量为296.6%；用65℃4天烘至恒重，含水量为357.1%；用105℃24小时达到恒重，含水量为357.1%。试验结果说明：

（1）泥炭土在25℃条件下只能把土粒表面的自由水（重力水和毛细水）风干，但烘干至恒重需要一周以上的时间。

（2）泥炭土用65℃与用105℃烘至恒重结果相同，由于65℃热能小于105℃的热能，所以65℃需要的烘焙时间比105℃烘焙的时间要长，这样才能达到恒重的目的。

（3）泥炭土用105℃能在24小时烘至恒重，并且105℃并没有把土中的有机质分解，由此说明有机质含量超过5%是可以采用105℃的，若用65℃烘至恒重，则需4天以上。

在进行以上试验的同时还进行了泥炭土含水可逆性质的试验。分别在装有风干土的容器和烘干土的容器中加入与试验时失去的同样质量的水分，盖好静置24小时后，发现风干土的水与土又融合在一起，恢复原状土的状态，而烘干土只有一部分水与土融合在一起，另一部分水游离在泥炭土之外，这部分水的重量基本上与烘干土与风干土的重量差近似。试验表明：自由水具有可逆性，而结合水一旦与土颗粒分离，再要与土颗粒结合则很困难。该土样含水率应为357%，以此为基础测定泥炭土的其他物理和化学性质。

5.2泥炭土的有机质含量试验

有机质是一种无固定粒径，由未分解、部分分解或完全分解的动植物残骸构成的物质。其化学成分以碳、氮、氢、氧为主，还有少量硫、磷和金属元素。有机质试验仅测定土中的有机碳，再乘以1.724的经验系数和1.1的氧化系数后换算为有机质含量。

有机质含量的测定方法有容量法、质量法和比色法等，常用的方法是重铬酸钾容量法。但是，因该法氧化能力有限，所以有机质含量超过15%的土样不宜直接采用该法。若一定要采用该法，可称磨细土样1份，与经高温灼烧并磨细的矿质土9份充分搅拌均匀，再从中称样分析，其结果以称样的1/10计算。

6结语

综上所述，提高室内土工试验的准确性对建筑工程的设计具有重要的意义，但是影响室内土工试验准确性的因素除了上述因素外，还有环境等方面的因素。在室内土工试验中，试验人员要按照相关操作规范进行试验，同时还要提高自身的专业素养，从而确保土样室内土工试验结果的准确性，为工程的设计提供可靠的参数和依据，促进土工试验的健康发展。

参考文献：

[1]许春莲，田梅青.浅析土工试验中存在的一些问题及建议[J].科技信息.2014（11）

[2]刘宇辉，解亚雄，李超.谈提高室内土工试验准确性的措施[J].山西建筑.2015（21）