浅析室内土工试验试样的准备、制备与饱和

强超

摘 要：文章阐述了室内土工试验试样准备工作的重要性，详细介绍了各项准备工作的方法、流程及注意事项。

关键词：原状土；扰动土；质量；制备；饱和

1 室内土工试验试样的准备、制备与饱和的重要性

随着我国工程建设技术的飞速发展，岩土工程测试技术与水平也应随之提高。众多的高层、超高层民用建筑，城市的地铁，跨江、跨海大桥，穿越江河湖海以的隧道、高铁等工程的兴建能否做到经济、合理，不仅取决于工程设计的巧思妙想，还要依据其地基的岩土工程性质。要想准确掌握地基的岩土工程特性，必须首先对其地基进行岩土工程勘察，根据勘察成果并运用土力学、工程地质学等的理论与方法，按相关行业规定对工程进行系统性分析与研究。因此，土工试验是岩土工程规划设计的前期工作，也是地基与基础设计工作中不可缺少的中心环节。而试样的质量及代表性决定了土工试验数据的客观准确性，因此试样的准备、制备与饱和是土工试验中不容忽视的重要环节。

2 土样取样的要求

2.1 数量要求：采取土样的数量应满足要求进行的试验项目和试验方法的需要，并应附取土记录及现场描述。（见表1）

表1

2.2 质量要求

原状土试样的质量决定了可进行试验的内容，《岩土工程勘察规范》中根据试样的扰动程度将土试样质量等级划分为四级，并规定了相应可进行的试验内容。（见表2）

表2

密度和含水率的均匀性一定程度上代表了同一组试样间的均匀性，为了避免各项物理力学指标间相互矛盾、减小试验结果的离散性，对原状土样规范规定同一组试样间密度的允许差值为0.03g/cm3；对扰动土样同一组试样的密度与要求控制的密度之差不得大于±0.01g/cm3，同一组试样含水率与要求控制的含水率之差不得大于±1%。

3 试样制备

3.1 试样制备方法及注意事项

为确保试验成果的可靠性和试验数据的可比性，试样制备必须做到具有统一制备方法和程序，土样在试验前，需要经过严格程序进行制备。扰动土样的制备程序包括风干或烘干、碾散、过筛、加水拌匀静置、击实、饱和等；原状土的土样制备包括开启，切取等。这些步骤的正确与否，都直接影响试验成果。

对勘察现场采取的原状土样应进行有效的密封处理，搬运和存放过程要采取防振、防冻、防晒等措施，避免土样的原状结构受到扰动或破坏。试验前不应开启土样，当需进行土样鉴别等必须开启时，应在检验后，迅速进行密封储藏，尽量减少水分流失和土样的扰动。

3.2 原状土试样制备

按照土样筒标明的上下方向摆放，去掉封蜡和包裹的胶带，将土样从土样筒中小心取出。首先检查土样是否受到扰动，然后应描述土样的颜色、气味、分类名称、有无夹层、土质的均匀性等。为了保证试验成果的可靠性、土样的试验内容应与其扰动程度相对应。

在土样的制备过程中，为避免产生土样物理与力学性指标相互矛盾的现象，应保证两者所选取的试样一致，且应具有代表性。

环刀切取试样时，应在环刀内壁涂抹一薄层凡士林，环刀要垂直土样下压，避免环刀内的试样层理切成与天然状态不符，同时也避免试样与环刀内壁之间产生间隙。下压过程中，根据试样的软硬用切土刀或钢丝锯沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样略高出环刀，然后切平环刀两端土样，不得用切土刀来回多次刮涂土面，以免堵塞土样孔隙，影响试验过程中的土样中水分的排出。切取试样时要防止扰动。

3.3 扰动土样的制备

标准中规定了进行过筛程序，筛孔大小取决于试验所用仪器的容器大小。试验研究表明：用于直剪试验的土样最大颗粒粒径不应大于剪切盒内径的1/20（剪切盒内径为61.8mm），土样需过2mm筛；对无侧限、三轴压缩试验的土样最大颗粒粒径与试样直径的比值为1/8～1/12。目前国内三轴试验一般采用39.1、61.8、101mm，其试样的允许最大粒径为2、5、10mm；对固结试验的土样最大颗粒粒径为容器高度的1/6～1/8，国内固结仪容器的高度为20mm，用过2mm筛的土样是可以的。鉴于粒径2mm为砂粒的上限，所以土样制备中统一规定扰动土样过2mm筛进行试样制备。對轻型击实试验的土样过5mm筛，重型击实试验的土样，用五层击实过20mm筛，而三层击实40mm筛。

一般规定物理性试验土样过0.5mm筛；力学性试验土样过2mm筛；击实试验土样过5mm筛。

步骤：用风干或烘干土样制备扰动样，应先将风干或烘干的土样放在橡皮板上用木碾碾散，并按相应的试验要求过筛，测定风干含水率。根据试验所需的土量与含水率，计算试样所需的加水量，并将所需的加水量均匀喷洒在土样上，润湿一昼夜，目的是使制备样含水率均匀，达到密度的差异小。若土样黏粒含量较高，可考虑润湿两昼夜，且中间人工拌合一次。

扰动土制样可采用击样法和压样法：击样法：根据环刀容积、所要求的干密度及含水率计算所需湿土的质量，并将土倒入固定在击样器上的环刀内，击实到所需密度。

压样法：将根据环刀容积、所要求的干密度及含水率计算所需湿土的质量，并将土倒入装在压样器上的环刀内，通过活塞以静压力将土样压紧至所需密度。（如图1）

图1 压样法

4 试样饱和

非饱和土颗粒间的孔隙逐渐被水填充的过程叫做饱和，孔隙被水全部充填时的土称为饱和土。试样饱和方法可根据土样的透水性分别采用以下方法进行。

4.1 粗粒土可在仪器上直接采用浸水法饱和。

4.2 对于渗透系数大于10-4cm/s的细粒土，可采用毛细管饱和法。其做法是：先将选用框式饱和器放入水箱内，然后向水箱注入清水，水面不应淹没试样，这样可使土中气体得以排出。关闭箱盖，以防止水分蒸发，水分通过土的毛细管作用，使试样饱和。浸水时间不少于两昼夜。

4.3 渗透系数小于等于10-4cm/s的细粒土，可采用抽气饱和法，选用框式或叠式饱和器和真空饱和装置。（如图2）

4.4 其他方法

4.4.1 试样的二氧化碳饱和法是近年来发展的一种土样饱和新方法。二氧化碳的密度大于空气且易溶于水，当二氧化碳气体由试样底部注入后，非饱和试样孔隙中的空气会从试样顶端逐渐排出，直至充满二氧化碳气体，而二氧化碳在水中的溶解度远大于空气在水中的溶解度，此时用水头饱和法进行试样饱和，孔隙中的二氧化碳气体很快溶于水形成碳酸。当继续水头饱和时，在水头压力作用下，后渗入试样的脱气水将孔隙中的稀碳酸排挤出来，最后使试样孔隙中充满脱气水，达到饱和的目的。

4.4.2 反压力饱和：通常可使用带反压装置的三轴仪进行土试样的反压力饱和，通过增加试样内孔隙水压力使孔隙气体在压力作用下完全溶解于水。该方法操作较为复杂，但效果较好。

饱和度的大小，对渗透试验，固结试验和剪切试验的成果均有影响。一般认为，饱和度大于95%即为饱和。

5 结束语

室内土工试验试样的准备、制备与饱和的质量一定程度上决定了试验的成果质量。不同的土试样类别及试验内容，其对试样质量的要求不同，制备与饱和的方法也不同，因此应根据土试样及试验内容的不同选择对应的准备工作。

参考文献

[1]GB/T 50123-1999.土工试验方法标准[S].

[2]GB 50021-2001.岩土工程勘察规范（2009年版）[S].