土工试验指标影响因素分析

吴 静 徐清扬 夏如月

(中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

土工试验是工程勘察重要组成部分，通过查明土的物理性质、力学性质和其他性质，为勘察报告提供准确、可靠的试验数据，为确定地基承载力、基坑开挖和降水设计、边坡设计提供依据。土工试验为工程勘察、设计、施工提供必要的土层实测数据，测试结果的精准性将直接影响工程的质量以及应用安全性。

1 土工基本试验指标

为勘察工作出具一份标准的试验成果报告，每个步骤都很重要，应严格按照试验规范进行试验，一旦出现偏差，都会对后面的试验造成影响[1]。本文对一些常见的试验进行总结，并分析各类土工试验指标的影响因素。

在土工试验中，直接测定的基本物理性质指标包括：含水率、比重、密度、液限、塑限；计算求得的基本物理性质指标包括：干密度、天然孔隙比、饱和度、塑性指数、液性指数；土的力学性质指标包括：压缩系数、压缩模量、抗剪强度等。基本试验操作流程如图1所示。

图1 基本试验操作流程

2 基本试验操作过程及影响因素

2．1 含水率试验

土的含水率是土的基本物理指标之一，它反映了土的物理状态，其变化将使土的一系列力学性质随之而异，是计算干密度、孔隙比、饱和度等指标的基本依据，是评价土的工程性质、检测建筑施工质量的重要指标。

含水率试验主要以烘干法为主，烘干法精度高，应用广，稳定性好。取代表性试样15～30 g，黏性土、粉土在105～110 ℃温度下烘干时间不少于8 h，砂类土不少于6 h，对有机质含量超过干土质量5%以及含石膏或者硫酸盐时应控制温度在65～70 ℃[2]。

对含水率试验的数据产生影响的因素有：①样品运输途中由于各种原因造成的水分流失；②试样的选取不均匀或者试样太少；③称取含量时天平的误差；④烘箱温度的设定误差;⑤试样受到高温烘烤，本身化学性质发生变化。

2．2 密度试验

测定土的密度，可用来计算土的干密度、孔隙比、孔隙率、饱和度等。

密度试验有环刀法、蜡封法、密度湿度计法和灌砂法等。主要以环刀法为主，密度试验须进行两次平行测定，两次测定的差值均不得大于0．03 g/cm3，取两次测定的平均值。

环刀法是使用环刀直接压入土样里，所以土样的结构得到很好的保存，通过室内试验测出的数据可以反映原始土样的物理状况。

对密度试验的数据产生影响的因素有：①土质不均匀、互层、土样含有姜石等物质；②环刀切取时产生的问题；③样品在运输过程中是否扰动，如土样扰动再进行试验，产生的数据没有任何意义；④开土人员在开土过程中带来的影响等。

2．3 比重试验

土粒比重是土颗粒自身的比重，是指土粒在105～110 ℃温度下烘至恒重时的质量与同体积4 ℃时纯水的质量之比。是划分土颗粒、土中水和土中气各自体积占比的依据，和土的干密度是两个概念。土的干密度是指单位体积干土体中土粒的质量。这个单位体积不仅包含土粒的体积，而且还包含土粒间孔隙的体积。

比重试验的标准方法是比重瓶法，使用比重瓶法时试验制备往往会出现误差，土的不均匀会对试验数据产生影响；其次煮沸过程中，砂类土的颗粒会发生迸溅现象，进而影响试验数据的准确性。

另外试验室也使用经验值(前人通过实践归纳得出)进行测定，砂土比重在2．65～2．69，粉土比重在2．70～2．71，粉质黏土比重在2．72～2．73，黏土比重在2．74～2．76。

土粒比重主要取决于土的矿物成分，土中含有大量有机质时，土粒比重也显著减小。

2．4 液限和塑限试验

黏性土随着含水量的不同，分别处于各种不同的稠度状态，如流动状态、可塑状态、半固体状态、固体状态。为了确定土的稠度状态，就必须首先确定土从某一状态过渡到另一状态的界限含水量，液限和塑限是在工程上经常遇到的两种界限含水量。 液限(wL)指的是土由可塑状态过渡到流动状态的界限含水量。 塑限(wP)为土由可塑状态过渡到半固体状态的界限含水量。土的可塑性指标与土的颗粒组成、矿物成分、活动性、吸附水的表面电荷强度等有关，因此能较好地反映出黏性土的某些物理特性。

本试验采用圆锥仪法、液塑限联合测定仪法和滚搓法塑限试验(主要靠试验人员的手感和经验)，得出数据进而计算求得塑性指数和液性指数，为土的分类、工程设计及施工提供依据。在进行液限试验时，一定要把土样调均匀再进行试验，黏土不容易调均匀，这就需要试验人员的认真负责。对于砂质粉土，液塑限的试验就需要试验员长期的经验积累。

对液塑限试验的数据产生影响的因素有：①土样不均匀；②仪器的使用不当，仪器锥头磨损；③当试样中有粒径大于0．5 mm的土粒和杂物时，要过0．5 mm的筛，否则也会影响数据的准确性。

2．5 颗粒分析试验

自然界存在的土都是由大小不同的颗粒组成的，土粒的粒径发生变化时，土的性质也相应地发生变化。工程上常依据颗粒组成对土进行分类，颗粒分析试验为测定干土中各粒组含量占该土总质量的百分数，土的颗粒大小、级配和粒组含量是土的工程分类的重要依据。

由于土粒粒径变化比较大，土的颗粒组成与矿物组成、力学性质、外在环境等均有直接的关系，因此对于粒径大于0．075 mm的土主要采用筛分法，粒径小于0．075 mm的土使用移液管法或比重计法。

颗粒分析试验(本试验室采用移液管法)的误差主要有以下几点：①筛分法中颗粒的大小不同、筛孔的不同以及筛孔长期使用造成的磨损；②搅拌悬液的时间对数据的影响；③不同试验员的操作均会对结果造成很大的影响。

2．6 直接剪切试验

土的抗剪强度是土在外力作用下，其一部分土体对另外一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。直接剪切试验是测定土抗剪强度的一种常用的、古老的、最简单的方法。测定土不同压力下的抗剪强度，得出土的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ，可以估算地基承载力、评价地基稳定性、计算挡土墙土压力等。本试验采用快剪和固结快剪两种方法，前者为试样在垂直压力施加后，立即进行快速剪切，不允许有排水现象产生,后者为试样在垂直压力下经过排水固结，固结稳定后，再进行快速剪切。试验室内使用快剪较多，快剪操作简单，方便快捷。

抗剪强度τ与黏聚力c、内摩擦角φ之间的关系可以用库伦公式表示：τ=σtanφ+c。

对直接剪切试验的数据产生影响的因素有：①同一组的几个试样是否是同一层土，密度值是否超过允许误差；②土样的不均匀程度；③不同试验人员操作带来的影响。

2．7 固结试验

地基土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土骨架颗粒之间相互挤密，土的孔隙减小，从而引起土的压缩变形。固结试验是将土样置于金属压缩容器内，在有侧限的条件下施加压力，观察土在不同压力下的压缩变形量。目的是测定土的单位沉降量、压缩系数、压缩模量、压缩指数、回弹指数、固结系数及原状土的先期固结压力等。固结试验中，后一级压力的施加均是在前一级荷载下压缩达到稳定后施加的，但所谓稳定是相对的，按照稳定标准的不同，通常将固结试验分为两类：稳定压缩和快速压缩。

常规固结试验比较可靠，是被普遍认可的，为我国 《土工试验方法标准》(GB/T 50123)[2]推荐使用的方法。但该方法有一些显著的缺点，主要表现有:①试验所需的时间较长。按照 《土工试验方法标准》(GB/T 50123)要求，分级加载的每级荷载要作用 24 h，这样完成一个固结试验所需的最终时间大概9 d 左右，若需进行回弹试验，则时间更长;②试验获得数据少而且比较分散，致使试验得到的曲线不连续，影响测定参数的准确性;③固结试验过程中沿试样高度的有效应力分布不均匀，根据有效应力原理，靠近排水面的有效应力最大，靠近不排水面处的有效应力最小，水力梯度沿高度方向变化相当大，致使有效应力沿试样高度分布不均匀， 造成了试样的压缩性分布不均匀。

快速固结试验是根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123)推荐的时间平方根法计算固结系数时，要求土体固结度达到90%，大量的试验表明高度为2 cm的试样在荷载作用下1 h的固结度一般可达到90% 以上(24 h 稳定标准)。因此，快速法固结试验把每级荷载的加载时间缩短到1～2 h，最后对试验结果进行校正，可得到与常规固结试验近似的结果。此法大大缩短了试验时间，得到了相当广泛地应用。张海霞等[3]指出对于高度为2 cm的试样，在每级压力作用下，常见土体完成主固结(固结度达到 99%)需要的时间不超过4 h，粉土和粉质黏土则少于1 h。并建议对不同的土质应采用不同的加载时间进行试验研究。

在固结试验中，试验人员在加荷过程中一定要注意，应垂直地在瞬间施加各级规定的压力，并没有冲击力，否则对试验数据会有很大影响。并要不定期根据仪器的使用情况对压缩仪进行校准，得出仪器变形量。

3 结语

土工试验目的是为工程服务，通过试验测定土样的物理性质和力学性质指标，对测得的数据进行统计，得出进行岩土力学计算的参数，进而编制岩土工程勘察报告。含水率、密度、比重、液塑限、抗剪强度、压缩变形量等作为土工试验基本指标，其数据的准确性直接影响到勘察报告的质量，因此，试验人员在工作中要消除各类影响因素，减少数据的偏差，保证数据的准确性，为岩土工程勘察提供准确的土工试验成果报告。