土工试验中土的物理力学指标影响因素分析

张宏亮

(山西交通建设监理咨询集团有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

作为岩土工程勘察工作的重要环节，土工试验所得到的数据能够对后续的设计及施工提供重要的参考，是一项重要的依据。但由于人为因素或者试验仪器的影响，试验成果在准确性及精确性方面均会受到一定程度的影响，导致工程设计及施工的质量会受到一定的影响。因此，对土工试验数据的准确性及精确性进行判断，并分析其影响因素是一项重要的工作[1]。

1 土工试验的意义及研究内容

1.1 土工试验的意义

土工试验为土木工程的快速发展奠定了良好的基础，它的最大贡献在于为工程建设提供非常可靠的数据依据，可有效的避免在建设过程中发生安全事故[2]。作为岩土工程勘察的重要工作内容，土工试验主要运用物理及力学原理，对建设场地内的岩土体进行分析，为工程设计提供参考依据。因此，确保土工试验数据的准确性是一项重要的工作。土工试验是在试验室内对土的各项指标进行测定，主要为包括运用物理性试验得到的物理指标与运用力学性试验得到的力学指标[3]。其中物理指标主要包括含水率、液塑限、颗粒分析及CBR值等，主要的作用是对土样进行定性，并作为对工程建设场地内地基土层进行划分的重要依据。力学指标包括抗剪强度及压缩性等，是指土对外力作用所导致的变形的抵抗能力。

1.2 物理指标

(1)含水率

含水率作为土的一项重要物理指标，会对土的强度、压实性、弹性模量以及冻胀性与渗透性起着重要的影响。因此，土的含水率测定是土工试验中的一项重要内容。土的含水率是指将土样在恒温条件下烘干，计算蒸发失水的质量与干土质量的百分比值。含水率作为一项基本的物理指标，是进行其他物理指标计算的基础。

(2)液塑限

液塑限是一项对土进行类别划分与工程性质评价的指标，其中塑限含水率是指土的由半固态变为可塑状态，液限含水率则是指土的由可塑状态进入流动状态，然后根据所得到的液塑限数据，从而计算得出塑性指数、液性指数两项指标，通过这两项指标从工程的角度对土进行分类，并用作对地基容许承载力以及单桩承载力进行预测评价。

(3)颗粒分析

土作为一种特殊的颗粒集合体，它具有不同的工程性质，而且它的组成成分与形状差异都非常明显，所以需要对其进行粒组分类，以此对土颗粒的组成进行研究。将土按照颗粒大小进行粒组分类的过程即颗粒分析，绘制反映颗粒的级配的单对数曲线，可用于测定有效粒径，并对不均匀系数Cu与曲率系数Cc进行计算，上述两项参数是对土颗粒级配进行判定的标准。

(4)CBR值

CBR值即加州承载比，是广泛应用于公路工程行业中的一项指标，主要作用是对公路路基填土强度及稳定性进行评价，是公路路基填料选择的重要依据。CBR值的测定是将最佳含水率的土样经标准击实成型，饱水浸泡96 h后测定贯入量为2.5 mm条件下所加载的试验荷载与标准荷载之间的百分比。

(5)密度

作为以一项重要的物理指标，土的密度是计算干密度以及孔隙率等指标的基础[4]。土的密度可用于分析其工程特性，计算自重应力、沉降指数以及地基的稳定性。

(6)最佳含水率

最佳含水率是指土体的压实效果达到了最佳状态时的含水率，这时土体的干密度即为最大干密度。通过击实试验，可得到含水率与干密度的关系曲线，关系曲线的拐点处所对应的纵横坐标值即为最佳含水率和最大干密度。

1.3 力学指标

土工试验所测定的力学指标通常为压缩性指标与抗剪强度，其中压缩性指标通过固结试验测定，抗剪强度则采用剪切试验进行测定。压缩性指标一般可以直观反映出土的压缩性，它的最大贡献在于可用作对地基沉降进行计算，试验结果计算的数据为压缩系数与压缩模量。抗剪强度主要是通过分析粘聚力与内摩擦角两项指标，也可用来对地基承载力与侧向土压力进行计算，并对土体的稳定性进行评价。

2 土工试验方法及其影响因素分析

2.1 物理指标试验

(1)含水率试验

含水率试验最常用的方法为烘干法，该方法最符合含水率的定义，加之测定结果精确性高，是进行含水率测定的首选试验方法，也可用来对其他试验方法结果进行验证[5]。烘干法是将土样放入提前准备好且质量固定的铝盒中，然后进行称重，将其放入105 ℃恒温烤箱中烘干8 h后取出，再将其放置在干燥器内，冷却之后进行第二次称重，然后根据两次称重的差值结果以此计算出土样中水的质量，最终进一步得出土样的含水率。烘干法由于耗时过久，无法满足在现场快速的对含水率进行测定的要求，为确保检测速度，可采用酒精燃烧法与比重法进行含水率的测定。含水率试验受到环境因素的影响较大，除了要定期对铝盒的质量进行标定之外，将土样放入铝盒之后要及时称重，避免因水分蒸发导致测定结果偏低。同时还要注意土样要有足够的烘干时间，在取出之后要及时放入干燥器中冷却，防止因吸水导致结果偏大。对于土质不均匀的试样，宜多取几组试样进行试验。

(2)液塑限试验

由于圆锥仪法、滚搓法对试验人员的经验要求比较高，容易受到人为因素的影响，因此目前不论是工程实践还是研究，液塑限试验主要采用液塑限联合测定仪来进行，如图1所示。其中搓条法用来对塑限进行测定，试验的具体操作为将试样搓为直径为3 mm的土条并发生脆性断裂，测定此状态下的含水率；圆锥仪法是通过对圆锥仪进入特定深度时土样的含水率进行测定以此来获得液塑限值；液塑限联合测定仪的则是所选用三种不同的含水率的土样样本，通过测定圆锥进入土样的深浅程度，从而绘制出含水率与入土深度的双对数曲线，以此来对液限及塑限进行测定。液塑限试验的影响因素主要有3项：①土样不均匀；②仪器陈旧存在偏差；③土样中有大粒径的颗粒以及杂物。

图1 液塑限联合测定仪

(3)颗粒分析试验

颗粒分析试验是将土样颗粒根据粒径区间进行分组，并计算每组土样占总质量的比值，以此来揭示土样粒径的分布情况，用来对土样进行分类，并作为对土的分类与工程性质进行判定的依据。根据颗粒直径与级配的不同，可采用4种试验方法，即筛分法、密度计法、移液管法以及三种方法的组合。颗粒分析试验的影响因素有以下3种：①长期使用导致筛孔因磨损而变大；②搅拌悬液的时间存在差异；③人为因素。

(4)CBR试验

进行CBR试验时首先要制作试样，试样的含水率为经击实试验所测得的最佳含水率，进行分层击实成样之后要在水中浸泡96 h之后方可进行试验，水面宜高出试样的顶面不小于2.5 cm。试验过程中贯入杆的速度要控制在1～1.25 mm/min，一般以贯入量为2.5 mm时数据进行CBR值的计算，也可以贯入量为5 mm的数据进行CBR值的计算。CBR值的测定会受到制样方法以及试验方法的明显影响，如浸水方式、浸水时间以及上覆压力等。

(5)密度试验

根据土样类别的不同，密度试验方法多种多样，而目前大多数情况下还主要采用环刀法[6]。它的原理是采用环刀来切取固定体积的土样，然后进行称重，从而计算出土样的密度。同一土样要进行多组试验，取各组试验的平均值，以此来确保试验数据的精确度，且差值应不大于0.03 g/cm3。土密度试验首先需要注意的是取样之后应立即实施；其次是确保土样表面的平整，避免因出现裂纹、缺口及不平整而对密度试验结果产生影响，从而进一步导致饱和度与孔隙率的计算出现偏差。

(6)击实试验

击实试验分为轻型与重型两种，需要对土样进行分层击实，每层击实固定次数，且每层土样击实后顶面应拉毛。若采用手工击实，应确保击锤垂直自由落下，且锤击点在土样顶面应均匀分布，避免出现集中现象。击实完毕之后从击实桶内取出土样，从土样中心处取两块一定质量的土样，轻型击实试验取15～30 g的土样，重型击实试验为50～100 g，对含水率与干密度平行进行检测。

2.2 力学指标试验

(1)固结试验

固结试验是将试样放置于金属容器内，在侧向变形受到限制的条件下对其施加轴向压力，测定不同轴向压力条件下试样的压缩变形，以此来得到压缩系数与压缩模量指标。固结试验过程中下一级压力施加之前，在上一级压力的作用下试样的压缩变形要求达到稳定，根据稳定状态标准的不同，可将固结试验分为稳定压缩与快速压缩两种，两者最大的区别在于每一级压力作用的时间不同，其中稳定压缩为24 h，而快速压缩则为1 h。固结试验的结果会受到以下因素的影响：仪器精度；透水石发生磨损、与试样含水率相差过大；不规范操作均。

(2)抗剪强度试验

抗剪强度试验有直剪试验、三轴试验与无侧限抗压强度试验等方法，但是目前应用最广泛的为直剪试验，主要原因为其原理简单、具有便捷性的优点，在工程实践中应用最为广泛。但同时也存在着一些明显的缺陷，主要表现在控制土样的排水条件不太严格，剪切面为人为固定与实际有所差距，剪切盒与试样之间存在摩擦会导致结果偏高。根据不同的轴向压力状态下所实测的剪切应力值，以库伦公式来计算出抗剪强度指标粘聚力与内摩擦角。剪切试验的影响因素有以下几方面：所采用的试样非同一地层，密度值误差过大；土样不均匀程度差；人为因素。

2.3 原位测试

由于目前技术发展的限制，钻探所取得的土样在取样与运输环节中存在一定弊端，所取得的土样会受到外界因素的干扰，导致试验所得到的数据与现场实际情况存在偏差。因此，为确保试验数据的准确性，可在土体不受到破坏及扰动的状态下在现场对其物理力学指标进行测定，即原位测试[7]。原位测试可对不易取样的土体进行有关的物理力学指标测定，但在实际操作中，不容易直观、精确的对某个参数进行测定，通常是将原位测试的结果与室内试验对比、拟合之后综合进行确定[8]。

(1)十字板剪切试验

十字板剪切试验是将标准十字板探头插入试验深度的土体中，对钻杆施加扭转，量测土体发生破坏时的十字板所受到的抵抗力拒，以此来测定不排水抗剪强度及残余抗剪强度，由于可与静力触探试验贯入设备通用，可将两者联合使用。将十字板剪切试验与钻探取样成果相结合，可大幅度的提高勘察工作的效率，并降低成本。

(2)静力触探试验

静力触探试验是将速率进行固定，然后把内置有阻力传感器的探头压入土中，其在工作过程中将测到的阻力转化为电信号，通过外接的仪表进行测量，兼具有勘探与测试两种功能，可测定土的变形模量及容许承载力。

(3)荷载试验

荷载试验根据所采用的荷载板的不同，分为平板荷载试验与螺旋板荷载试验两种。平板荷载试验的荷载板埋深相对较浅，且在地下水位线之上，上部堆载直接施加于荷载板之上。其中浅层平板荷载试验适用于对埋深小于3 m的地基土进行承载力及变形特征的检测；深层平板荷载试验可用于埋深超过3 m且在地下水位线以上的地基土承载力与变形特征检测。螺旋板荷载试验荷载板所受到的力则由传力杆施加，检测深度可达到10～15 m。

3 结 语

土工试验作为岩土工程勘察的重要内容，旨在为后续的设计及施工提供重要的参考依据。因此在土工试验成果、技术资料的科学性、准确性以及真实性方面有着非常高标准的要求。本文通过对土工试样中经常测定几项物理力学指标进行分析，并针对性的研究了这些指标的试验方法及结果影响因素，能够对岩土工程勘察工作提供一定的指导及建议。