岩土工程中土工试验的经验方法及其注意事项

李芳

（中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610021）

0 引言

岩土工程中，土工试验是不可或缺的一部分，也是岩土工程顺利进行的重要依据。因此对土的各项指标进行测定，及时发现可能存在的问题，以便采取合理的方式进行预防或处理，保证设计、施工质量。土工试验中，土样的物理性质、压缩固结性能以及抗剪强度等试验方法，是最主要也是最基础的试验方式，同时也是岩土工程中重要的试验环节，它为岩土工程整体的设计及施工提供可靠依据。根据土工试验的经验方法提高试验准确性，对影响结果的条件进行合理分析，进而保障岩土工程的整体设计和施工质量及安全。

1 土样的物理性质试验

土样的物理性质试验，主要是包括含水率试验、密度试验、颗粒分析以及界限含水率试验等。

1.1 土样的含水率试验

含水率试验又称含水量试验。土样的含水率试验，是取适量的原状土样，在105～110℃环境下，将样本烘干至恒量状态时，所失去的水质量以及达到恒量状态的干土质量的数值，以百分比的形式表达出来，即为土体的含水率。

土样含水率试验，可以采取扰动样或原状样进行试验，并应在取样后立即进行，避免因为环境的变化，使土样的水质量发生变化，进而影响试验结果的准确性。同时，在进行土体取样时，应确保土样具有代表性和普遍性，进而提高试验结果的准确度。如果土体取样范围内含有大量碎石或杂物，应先对含有的碎石及杂物进行清理，再取样进行试验，以保障含水率试验结果的准确性。如果土样总量较大，应先将土样混合均匀，并以四分法进行取样，同时应适当增加取样量，以确保试验结果的准确性。

在进行含水率试验时，如果需要配合压缩实验、抗剪强度试验以及渗透试验等，应对试验环刀的上中下三部分土体进行混合采样，以便能够真实反映出土层实际情况，试验结束后，应对试验得出的数据结果进行分析。

当土体中存在的有机质，超过干土的5%时，烘干温度应保持在65～75℃之间，若采用105～110℃条件下进行烘干，有机质在烘干的过程中会出现分解及损失，含水率试验是针对水质量流失进行的试验，土体中有机物质损耗，会导致土体的含水率计算值偏大，影响试验准确性。

此外，为方便试验进行，含水率称量盒的质量应进行调整，设置为等质量，且定期进行校正，称量盒的质量误差保持在±0.005g为最佳。土体的含水率的变化，是土体物理力学性质研究不可或缺的重要指标。

1.2 土样的密度试验

土体的密度是指在天然状态下土体的单位体积质量，是土的基本物理指标之一。土体的密度，是对土体内部结构紧密性的反映，也是用来计算土体自重压力、干密度、孔隙比以及地基承载力的重要依据。

密度试验需采取原装土样进行试验。土体的密度可通过对土样进行密度试验间接取得，在进行土样密度试验时，需进行两次环刀平行测定，进行环刀切取试验样本时，需垂直下压，并在环刀内涂抹适量润滑剂，以减小下压过程中对土体产生的挤压，且应保证环刀内壁与试样之间没有空隙存在。为方便计算，环刀的质量保持一致为佳，应定期对环刀仪器按照相关的校验方法进行校验。环刀内土的体积为固定值，切出的土样应及时进行称量，避免失水，环刀内土样的干重量需将样本烘干至恒重称量。

1.3 土样的颗粒分析试验

土样的颗粒分析试验，是测定土样中各颗粒组质量占土体总质量的百分比。根据土样颗粒含量的不同，可以对土样进行分类，判断土样的性质，在施工中选择合适的建筑材料。在进行土样颗粒分析试验时，主要采用筛分法以及密度计法。

筛分法采取不同孔径的标准筛对土样进行不同粒径组分类、称量，筛分过程应做到每一级粒径筛尽，必要时应进行洗筛，标准筛应定期进行检验，以保证试验结果的准确性。进行筛分法的试样总量应根据土样的颗粒大小判断，粗粒土应较细粒土采取更多的试样进行筛分试验，进而使得粒径分级更接近于真实情况。筛分所得小于一定粒径的土样如需进一步区分，应采用密度计法。试验结束后需进行验算加和总质量，避免称量误操作。

密度计法适用于粒径小于0.075mm 的试样，主要是依据斯托克斯原理，测定不同时间内，由不同粒径的颗粒在悬浮液中下沉速度不同所引起的悬浮液密度变化，进而计算出颗粒组含量。试验过程中，颗粒在下沉时的标准温度为20℃，当环境温度发生变化时，应进行误差校正，温度的上升或下降，都会对密度计的正确读数以及颗粒的下沉速度产生直接影响，甚至还会引起悬液体积的不匀称膨胀，出现对流现象，进而影响细微颗粒的下沉速度。当遇到易溶盐含量较大的土体时，如果没有进行洗盐，有可能导致颗粒分析结果中的粉粒含量较大，黏粒含量较小，这种情况下，需要使用分散剂六偏磷酸钠溶液，配置好的溶液在一个月内使用完为最佳。使用密度计进行读数时，密度计在水中浮动不能固定，试验时间较长，所以非常容易出现读数不准确。通过多次试验的经验总结，密度计放置在水中时，应保障稳、准，轻扶密度计，在使之保持稳定后，迅速放开、减少震动，保障密度计的液面稳定，数据读取时要仔细、快速，以此可适当提高工作效率和准确度。

1.4 土样的界限含水率试验

土样的界限含水率主要与土的种类有关，同一类土，其含水率不同时，土样颗粒也处于不同的状态。土体从一种状态过渡到另一种状态的含水率，被称为界限含水率。界限含水率主要分为液限含水率和塑限含水率，通常情况下，采用专业的光电式液塑限联合测定仪进行界限含水率测定，这种仪器主要是采用光学投影原理，电子自动落锥，根据入土的深度，测定界限含水率。这种方式所运用的圆锥仪质量为75g，测定不同含水率的土体试样，五秒入土时间的下沉深度，来确定土体的液限及塑限。

在进行界限含水率试验时，应先选取具有代表性的土体试样，进行自然风干，如果土样中含有大颗粒或者杂物，应将土样进行过滤，筛出颗粒及杂物，从剩余的土体中选取代表性的土样200g，用纯水将土样调成膏状，在搅拌均匀后，密实的放入试样杯中，土样与试样杯之间不留有任何的缝隙。将试样杯放入联合测定仪的指定的升降座上，在圆锥上轻凃一层凡士林，然后对电磁铁进行通电，使其能够吸住圆锥。将联合测定仪屏幕上的标尺，调至零位，调整升降座，圆锥的尖部接触到试样表面，指示灯亮起时，圆锥在自重的情况下，下沉入土样中，5s 后，读取圆锥下沉的深度，黏性土或者粉质黏土的数值应在10 左右，粉土在7～8左右。最后将样杯从仪器上取下，除去含有凡士林的部分土样，取10g 左右的代表性土样，放入称量盒中，测定土样含水率。

2 土样的压缩固结试验

对土样进行压缩固结试验，主要是为了掌握土样在荷载作用下，出现的变形情况，根据试验得出的数据结果，反应土体的压缩特性以及对天然土层的固结状态进行判断，用来计算建筑物以及地基的沉降，对区域内的地面沉降进行估算。标准的土样固结试验，适用于饱和的黏土，实际情况中，也适用于非饱和的黏土。

由于饱和黏土空隙中都是水分，土样在进行固结的过程，既是将空隙中的水分排出过程，土样的组成颗粒越大，空隙越大，透水性越强，压缩固结的速度也就越快，但如果土体样颗粒较细，压缩固结则需要较长的时间才能完成。土样的压缩固结性能与土样内部结构、密度及其类别有着直接的关系，土样的天然结构发生变化时，压缩性也会改变，尤其是灵敏度较高的土体，当结构受到外力的破坏时，压缩性能会增强，随之土样的强度会变弱，面对这样的情况，应选择合理的工具，避免对土样的结构进行破坏，保持土样的原状性，提高试验的准确度。

3 土样的抗剪强度试验

土体的抗剪强度，是指土体在遭受外力作用时出现抵抗破坏的极限强度，通常由土样抗剪强度试验测定。土样的抗剪强度试验，包含慢剪试验法、快剪试验法以及固结快剪试验法。各种试验方法，适用于不同排水条件的土体。通常情况下，常用快剪试验方法。采用快剪试验方法时，首先应注意土体上施加荷载重以及在剪切的过程中不能出现固结及排水的现象，这一点是非常难做到的，通常情况下，会对土类进行限制，只适用于含细粒土较多的粘性土。其次，砂土抗剪强度的影响因素不仅仅是颗粒的大小及形状，土样的密度产生的影响也很大，这就要求在制备同一组土样时，密度应尽量保持一致，砂土的渗透性较大，所以剪切速度对强度的影响不大，因此，也可以使用快剪的试验方法。

4 结束语

随着岩土工程勘察的日益发展，土工试验越来越受到人们的关注和重视。综上所述，本文首先阐述了岩土工程中，土样的物理性质试验（土样的含水率试验、密度试验、颗粒分析试验以及界限含水率试验等）；其次，还对土样的压缩固结试验方式以及土样的抗剪强度试验方法进行简单地介绍，对这些试验方法的经验、注意事项、仪器的利用进行简单说明。希望可以起到一定参考作用，促进土工试验更顺利地进行。