岩土工程三种常见的室内试验方法优化

王 波

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 室内土工试验现状

室内土工试验是检测各种岩土物理化学性能的重要手段。随着水利、建筑、交通等工程的大规模建设，工程前期勘察阶段的岩土试验总量不断增加，一次检测的规模也大大提高。岩土作为一种古老而普通的建筑材料，其物性受到密度、含水率、颗粒大小、应力、土中骨架和化学成分的多重因素影响，岩土的力学性能又受到受力情况、应力历史等因素的影响控制。

为了解决各类工程遇到的岩土问题，尤其是针对土工试验中固结、强度和渗流三大核心问题，业界提出了一系列新的理论和检测试验方法。对照最新的国标《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）和以前的旧规程、规范，可以发现新规范中基本延续了原有的检测方式、方法，室内土工试验的设备和技术理论仍然沿用了传统方法。

为提高工作效率和实验质量控制，应在总结经验基础上，优化试验方法，通过三种试验方法的目的、原理、仪器操作、意义等分析，正确认识土工试验的作用及其局限性，不断推动测试技术向深度和广度发展。

2 土的颗粒分析试验——筛分法

2.1 实验目的

本实验是为更好地测定和判断小于一定粒径的土体颗粒，在实验样本土中所占的总质量的百分数。样本土体是由颗粒体积不同、粒径不同的土组成的集合体，在自然界中土颗粒的大小和其组成直接影响土的工程性能，通过测定土中各个粒组的相对含量，确定土粒径的组成（土的颗粒级配），为土的质性分类和工程应用提供依据。

2.2 优化方法

以前实验土的分选是用木棍垫在落好的筛子上面手动摇晃，现在实验室已经全部采用机械操作，普遍用上了摇筛机，节省时间和人力，加强相对效应。供工程设计以及施工所用。

2.3 操作方式

2.3.1 工具

实验中土的粒径分选采用圆孔土壤筛，土壤筛又分为粗筛和细筛；其中粗筛孔径分别为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；细筛孔径分别为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。实验天平有三种，实验中根据土颗粒的最大粒径，选择不同的称量天平，5000g天平的最小分度值1g，1000g称量天平的最小分度值0.1g，200g天平的最小分度值0.01g。实验中用到的其他工具有，橡胶锤、40×60cm的磁盘、空桶等。

2.3.2 实验步骤

取土样风干，倒在不吸水、干燥的地面上（如瓷砖地板）平铺，用橡胶锤轻轻敲击大颗粒土石块或土团（可敲碎的是土团，敲不碎的是土石块）。

过筛取样。通过目测较大颗粒的土石块，用上筛20mm和下筛10mm的圆孔筛进行筛选，把较大颗粒的土石块放在20mm的上筛进行摇筛，摇到10mm圆孔筛中的土石块不能再筛除，则这些土石块颗粒属于10mm粒径，根据规程规范列表，最大粒径10mm，取土样300～900g之间均可行。把粒径10mm土样收集起来进行拌匀，拌匀后用四分法进行缩分，先把它分成对等的两份，沿着垂直方向再分成四份，缩分到300～900g之间。

过滤。①把四份中的一小份土放入磁盆中进行称量（称量时先称皮，去皮即可得样本净质量），称量后往盆中加水，加至没过土石块最高面5～10cm即可。在泡水的盆中放入标签（土的项目名称），浸泡后进行水洗。②水洗前准备2mm的土壤筛和一个空桶，把2mm的土壤筛放到空桶上，过滤后的水土倒入空桶中，防止满溢和渗漏。把2mm的土壤筛打湿，将盆中泡水的土搅拌均匀，倒入2mm土壤筛中过滤，将盆中残余的土渣冲洗干净，直到盆中无任何土颗粒残存，冲洗水变清澈。③把2mm土壤筛中的土颗粒倒入浅盘中，挂在筛中的细小颗粒用水反复冲洗，直到细小颗粒全部倒入浅盘中为止，一定做到颗粒不能丢失。把浅盘中多余的水份篦出，如果怕篦出水时漏掉土颗粒，就用吸耳球轻轻地一点一点地吸出，直到盆中没有多余的水分为止，放入一边等候。④将土壤筛下过滤桶里过滤后剩余的土颗粒，用0.075mm的细筛过滤，直到桶中土颗粒被冲刷干净，水变清澈，盆中无残渣为止，把筛中的土颗粒倒入浅盘中（方法同上），注意实验全程不可以用手触碰土颗粒。

烘干。把两个浅盘放入烘箱中，温度设为105℃，时间为1～2h，取出后冷却至室温，进行筛分，把细筛和粗筛分别放好，把粗颗粒放入粗筛进行逐级筛分，然后逐级进行称量。把细颗粒放入细筛进行逐级筛分，然后逐级进行称量，本次试验完成。

3 土的含水率实验——烘干法

3.1 实验目的

本实验是为更好地了解土类的含水情况，通过测定含水率，再计算土的孔隙比、液性指数、饱和度、干密度及其它物理力学指标，是不可缺少的一项基本实验。实验成果可以用来评价土的承载力和冻胀性，在工程地质分析中起着至关重要的作用。实验的取样方法、样品封存、储存、运输情况，以及室内试验时开样、制样等操作，都会对实验结果产生影响，进而对工程实践中的应用造成影响。

3.2 实验方法比较

含水率烘干法和酒精燃烧法的区别，在于适用环境不同和实验土质不同。酒精燃烧法适用于野外作业环境，用于测试粗颗粒土。烘干法适合于室内作业，用于测试细粒土、粗粒土、有机质土；烘干法是将试样放在105℃～110℃的烘箱中，烘至恒量；如果是有机质土，烘箱的温度保持在70℃～80℃。

3.3 实验优化

原试验过程是把称取好的土样放在105℃～110℃的烘箱中烘干到恒量，粘质土的烘干时间要求不少于8h，砂类土的烘干时间要求不少于6h。实验优化后，可以将粘性土放在电热板上直接烘干，粘质土烘干时间降低到不少于3h；砂类土烘干时间降低到不少于1.5h。大大缩短了实验时间，加强了相对效应，节省了时间和人力。

3.4 操作方式

取土样，倒在不吸水、干燥的地面上，搅拌均匀后平铺开，先取两份试样分别放入两个磁盘中，分别把两个磁盘去皮后称得的质量记录下来。

将粘性土放在电热板上进行直接烘干，烘干时间不少于3h；砂类土烘干时间不少于1.5h。对于有机质超过10%的土，应将温度控制在65℃～70℃的恒温下烘至恒量。烘干后冷却至室温，称取干土的质量，记录磁盘去皮后称得的质量，完成本次试验。

4 土的直剪试验

本实验是为更好地测定和判断土体抗剪破坏的极限能力。通过测出的内摩擦角与粘聚力，能够准确快速地计算出地基承载力及边坡稳定等。

4.1 直剪分类

根据排水条件，剪切试验分为快剪、慢剪、固结快剪三种试验方法。①快剪试验，是在试样上施加垂直压力后，快速施加水平的剪切力，同时在剪切的过程中，不允许排水，直到试样剪切破坏，通常适用于渗透系数小于10～6cm/s的细粒土。②固结快剪，是在试样上施加垂直压力，让土样进行排水固结，排水固结稳定后施加一个水平剪切力，进行剪切。在剪切的过程中不允许再排水，也成为固结不排水剪。③慢剪试验，是施加垂直压力让土体排水，排水固结稳定后缓慢施加一个水平剪切力，在剪切的过程中同样允许试样排水固结。剪切速率应小于0.02mm/min。

4.2 直剪试验存在哪些缺点和优化亮点

缺点：①土样在剪切过程中无法准确控制排水，孔隙水压力无法量。②直剪试验的剪切破坏面发生在剪切盒的上下盒之间，无法发生在土样的最薄弱处。③直剪试验中应力按照理想化的均匀分布来计算，忽略了实际试样中有应力集中的状态。④剪切结束以后，数据处理时选择初始面积进行计算，忽略了土样在上下盒之间错位时实际剪切面积减小的情况。

优点：制样简单，仪器操作简单。

4.3 操作方式

把试样装入对应的三个剪切盒中，拧螺丝固定好后，检查百分表盘螺丝是否拧紧调整为零，观察垂直后，把秤砣放下，以0.8s的速度开始剪切。通过后面的电机进行一个推力，推动下剪切盒，下剪切盒推至前方，土层刚好处于上下剪切盒的中间位置，下剪切盒往前的同时土层就发生了剪切并且把力传递给百分读表（读表的读数乘以校对系数等于剪切力）直至试验完成，更换下一组试验。

5 结语

做好三种常见的室内土工试验，要求试验人员把握好每个试验和每一实验环节的实际操作规范，确保测定结果准确，减少实验偏差，为工程勘察、设计、施工提供精确的数据支撑。不断推动新技术和新设备的研发，保障土工试验操作更高效，结论更精准。